课程设计----基于MATLAN的三相正弦波变频电源的仿真设计

毕业设计(论文)

题目三相正弦波变频电源仿真设计专业电气工程及其自动化

二〇〇九年六月二十日

目录

第一章变频器概述

1.1.变频电源的原理 (3)

1.2.变频电源的特点及应用 (3)

1.3.MATLAB简介及仿真技术 (4)

1.4.MATLAB仿真技术在电力电子中的应用 (6)

1.5.本论文完成内容 (8)

第二章变频器硬件设计

2.1整流单元及供电电源 (9)

2.2逆变输出装置及其驱动电路 (10)

2.3滤波输出及过压过流缺相检测与保护 (14)

2.4变频电源的控制 (17)

第三章变频器软件设计

3.1控制模块设计 (21)

第四章变频器的MATLAB仿真

4.1MATLAB在电力电子中的应用 (25)

1电力系统工具箱 (25)

2 MATLAB在变频器中应用及仿真框图 (27)

第五章结语 (34)

摘要:本文采用MATLAB对变频电源进行系统分析。基于Simulink做了系统仿真，并做了原理性的论证。硬件部分采用IT公司的低功耗单片机MSP430F149作为主控器件，IR2130驱动3相功率管。控制方式采用传统的SPWM，用SPWM专用集成芯片SM2001产生SPWM信号以控制IR2130的通断。系统采用PI反馈控制使硬件系统具良好的稳压功能。另外本文在硬件设计中对变频电源的过流，过压，缺相等保护功能进行了阐述。

第一章变频器概述

由于我国市电频率固定为50 Hz，因而对于一些要求频率大于或小于50 Hz的应用场合，则必须设计一个能改变频率的变频电源系统。目前最常用的是三相正弦波变频电源。该电源系统主要由整流、逆变、控制回路3部分组成。其中，整流部分用以实现AC／DC的转换；逆变部分用以实现DC／AC的转换；而控制回路用以调节电源系统输出信号的频率和幅值。

1-1 变频电源的原理

经过AC→DC→AC变换的逆变电源称为变频电源，它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换成所需频率的稳定的纯净的正弦波电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。变频电源主要有二大种类：线性放大型和PWM开关型HY系列程控变频电源，以微处理器为核心，以多脉宽调制(MPWM)方式制作,用主动元件IGBT模块设计，采用数字分频、D/A转换、瞬时值反馈、正弦脉宽调制等技术, 使单机容量可达100kV A, 以隔离变压器输出来增加整机稳定性, 具有负载适应性强、输出波形品质好、操作简便、体积小、重量轻等特点，具有短路、过流、过载、过热等保护功能，以保证电源可靠运行。

现在使用的变频电源主要采用交一直一交方式,先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源.变频电源的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成.整流部分为单相或三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率.变频电源的主电路大体上可分为两类，分别为电压型和电流型。电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波器件是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波器件是电感。

1-2 变频电源的特点及应用

20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。

交流变频电源调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60% -

65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15% - 20%的电量。

采用变频电源调速，一是根据要求调速用，二是节能。其得到广泛应用主要基于交流变频调速的优异特性。

(1) 变频调速系统自身损耗小，工作效率高。

(2) 电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。

(3) 可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击，节电效果明显。

(4) 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。

(5) 调速范围较大，精度高。

(6) 变频电源体积小，便于安装、调试、维修简便。

(7) 易于实现过程自动化。

(8) 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中，变频调速最具优势。

交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频电源调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频电源调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。

另外变频电源也用作制造或出口贸易商对出口电器产品的用电检测、调试及用于精密仪器的供电电源。广泛应用于家电制造业、电机、电子制造业、IT产业、电脑设备、实验室等。

★家电业制造商如：空调设备、咖啡机、洗衣机、榨汁机、微波炉、收录音机、冰箱、DVD、洗尘器、电动剃须刀等产品的测试电源。

★电机、电子业制造商如：交换式电源供应器、变压器、电子安定器、AC 风扇、不断电系统、充电器、继电器、压缩机、马达、被动元件等产品的测试电源。

★IT产业及电脑设备制造商如：传真机、影印机、碎纸机、印表机、扫描器、烧录机、伺服器、显示器等产品的测试电源。

★实验室及测试单位如：交流电源测试、产品寿命及安全测试、电磁相容测试、OQC（FQC）测试、产品测试及研发、研究单位最佳交流电源。

★航空/军事单位如：机场地面设施、船舶、航天、军事研究所等的测试电源。

★铁路、高速公路：25Hz、静频信号电源。

1-3 MATLAB简介及仿真技术

MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最有活力的软件。该软