电力电子变流实验的仿真设计与开发

前言

随着我国现代电力电子技术和软件技术的迅速发展，电力电子设计的要求越来越高。本设计电力电子变流实验，结合flash软件技术的发展情况，编写有关的电力电子仿真实验。主要阐述三相全控整流及有源逆变电路，单相桥式全控整流电路和三相半波可控整流电路的特性仿真，以及各个电路的实验仿真。

全设计共六章。第1章绪论，讲述电力电子技术和仿真技术的发展及意义；第2章为有关的Flash制作软件的介绍；第3章为相关的基础知识；第4章为有关的实验仿真的介绍；第5章为本次设计的体会。

本设计编写得到了设计指导老师黄云龙和廖东进老师的大力支持和帮助，以及组员郭建和吴春的团结合作。他们提供了大量资料和技术，一并表示感谢。

本设计编写力求实用，真实，相当的仿真系统力求简明和易操作。电力电子变流技术的不断更新，加之编者水平有限，此设计不可能很完善，错漏和不妥在所难免，敬希有关读者批评指正。

第1章绪论

现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用,是现代电力电子技术的具体应用。

当前,电力电子作为节能、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。

本课题涉及的是电力电子变流技术的仿真设计与开发的设计。目前，科学技术发展到20世纪末,系统仿真学科已经形成较为完善的体系。仿真技术由于其有效性、可重复操作性、经济性和安全性的特点,日益显出其重要性和广泛应用性。20世纪70年代以后,民用工业中连续过程仿真得到迅速发展,其中发展最快、应用最广的首属电力工业,而电力电子技术已经在电力系统中被广泛地运用了。

系统仿真就是在模型上进行试验的过。按照真实系统的物理性质、几何尺寸等构造出系统的物理模型,并在该物理模型上进行试验,称为物理仿真。把数学模型、物理模型,甚至实物联合在一起进行试验,称为数学-物理仿真,又称为半实物仿真。计算机仿真包括三个要素:系统、模型、计算机。联系这三个要素的有三个基本活动:对象数学模型建立、仿真模型建立、仿真试验。其特点是它属于一种可控制的、无破坏性的、耗费小的、并允许多次重复的试验手段。它以其高效、优质、低廉体现其强大的生命力和潜在的能力。它是迄今为止最有效的经济的综合集成方法，是推动技术进步的战略技术。

我们在下面的叙述中将逐一对我们这次毕业设计的课题——电力电子变流实验的仿真设计与开发进行详细的介绍。

1.1电力电子技术的发展

现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

1.1.1 整流器时代

大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流

电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。

1.1.2 逆变器时代

七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。

1.1.3 变频器时代

进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。

1.2 仿真模拟技术的发展

1.2.1 仿真技术的特点

仿真是对现象的仿效和模仿。近来由于信息的复杂化和多样化，要求对各种真实再现的现象进行解释和分析就难以做到。而仿真技术是以控制论、相似原理、系统技术和信息技术为基础，以计算机和专用物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合技术。采用仿真技术具有良好的可控性、无破坏性、安全、不受气象条件和空域场地的限制，可多次重复，以及经济性等特点。因此，仿真技术和方法在许多领域里受到重视，其应用方法和仿真语言的研究也迅速发展起来。

1.2.2 仿真技术的应用及发展

仿真技术在科学研究，工程设计、建筑、自动控制领域，企业管理、人口动力学等方向有着极其重要的应用。90年代，我国对新的先进仿真技术开展了研