电力电子课设

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：自动化0905

指导教师：工作单位：自动化学院

题目: 交流变换器仿真研究

初始条件：

输入单相交流电：220V，50HZ。

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、输出单相交流电：220V，400HZ。

2、采用两级变换：AC/DC、DC/AC，变换。

3、建立Matlab仿真模型。

4、进行仿真实验，得到实验波形。

时间安排：

第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。

第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。

第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

1 概论 (1)

2 方案论证 (2)

2.1 设计要求 (2)

2.2 设计方案 (2)

3 电路设计 (2)

3.1 升压斩波电路 (3)

3.2 单相桥式PWM逆变电路 (4)

4 Matlab仿真模型 (5)

4.1 升压斩波电路仿真模型 (5)

4.2 PWM逆变电路仿真模型 (6)

4.3 PWM逆变电源仿真模型 (7)

5 仿真的实现 (8)

5.1 升压斩波电路仿真实现 (8)

5.2 PWM逆变电路仿真实现 (9)

5.3 PWM逆变电源仿真实现 (9)

6 心得体会 (11)

参考文献 (12)

交流变换器仿真研究

1 概论

近年来，随着各行各业的技术水平和操作性能的提高，它们对电源品质的要求也在不断提高。为了高质量和有效地使用电能，许多行业的用电设备都不是直接使用交流电网提供的交流电作为电能源，而是根据用电设备的要求采用电力电子技术对电能进行变换，从而得到各自所需的电能形式。而实现这一功能的装置就是交流变换器。将一种频率变换为另一种频率的交流变换器称之为变频器。

从结构上看，变频电源可分为直接变频和间接变频两大类。直接变频又称为交一交变频，是一种将工频交流电直接转换为频率可控的交流电，中间没有直流环节的变频形式。间接变频又称为交一直一交变频，是将工频交流电先经过整流器成直流电，再通过逆变器将直流电变换成频率可变的交流电的变频形式，因此这种变频方式又被称为有直流环节的变频方式。其中，把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路。

交一直一交变频是目前变频电源的主要形式。本文所研究的变频电源即采用这种形式。按照电压、频率的控制方式，交一直一交变频器一种主要结构是采用单相桥式全控整流器整流、脉宽调制型(PWM)逆变器同时实现调压调频方式。此时全控整流提高了装置输入功率因数，减小了对电网的谐波污染，又因采用高开关频率的逆变器，输出谐波很小，性能优良。

本文所研究的交流变频器可以分为四个功能模块：整流电路、逆变电路、输出滤波器和控制电路。整流电路是一个单相AC／DC变换电路，功能是把AC 220V／50Hz的电源进行整流滤波后转换成稳定直流电源供给逆变电路。逆变电路是该电源的关键电路，其功能是实现DC／AC的功率变换，即在在控制电路的控制下把直流电源转换成单相SPWM波形供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。

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2 方案论证

2.1 设计要求

本次设计要求对输入的单相交流220V/50HZ，采用两级变换，AC/DC、DC/AC,输出220V/400Hz的交流信号，并利用Matlab建立仿真模型，得到最终的仿真波形。

2.2 设计方案

根据要求，输入的是单相交流50HZ，输出的是400HZ，而且采用两级变换，因此属于交--直--交变频。需要先对输入电压进行整流，电容滤波后再采用电压型单相桥式PWM 逆变电路，利用调制电路设置信号波的频率400HZ，调制信号设置成5000HZ的SPWM正弦波，最后利用LC滤波电路将得到的交流方波变成正弦波。最终得要的就是220V，400HZ 的交流电，满足设计的要求。整体的设计系统框图如图一所示。

220V/50HZ

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3 电路设计

3.1 整流电路

整流电路的原理图如图2所示。该电路中使用一个全控器件。

图2 单相桥式全控整流电路

在电源电压 u2 正半周期间，VT1、VT4 承受正向电压，若在触发角α处给 VT1、VT4 加触发脉冲，VT1、VT4 导通，电流从电源 a 端经 VT1、负载、VT4 流回电源 b 端。当u2 过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1 和 VT4 关断。在电源电压 u2 负半周期间，仍在触发延迟角α处触发 VT2 和 VT3， VT2 和 VT3 导通，电流从电源 b 端流出，经过 VT3、R、VT2 流回电源 a 端。到 u2 过零时，电流又降为零， VT2 和 VT3 关断。此后又是 VT1 和 VT4 导通，如此循环的工作下去。该电路的移向范围是 0―π。另外，由于该整流电路带的是反电动势负载，因而不是正半轴的任意时刻都能开通晶闸管的，要开通晶闸管必须在交流电瞬时值大于 E 的时候去触发。提前触发的话，晶闸管会在 E 的作用下承受反向电压，无法导通。

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3.2 单相桥式PWM 逆变电路

单相桥式PWM 逆变电路原理图如图三所示。该电路利用四个全控器件IGBT 通过调制电路来进行控制。

图三单相桥式PWM 逆变电路

图三是采用IGBT 作为开关器件的单相桥式PWM 逆变电路。设负载为阻感负载工作时有V1和V2的通断状态互补，V3和V4的通断状态互补。在输出电压U0的正半周，让V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断。由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周期电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，负载电压U0等于直流电压Ud ；V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，U0=0.在负载电流为负的区间，仍是V1和V4导通时，i0为负，故i0实际上从VD1和VD4流过，仍有U0=Ud ；V4关断，V3开通后，i0从V3和VD1续流，U0=0。这样，U0总可以得到Ud 和零两种电平。同样，在U0为负的半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压U0可以得到-Ud 和零两种电平。

单相桥式逆变电路采用双极性控制方式时，在Ur 的半个周期内，三角波不是单极性，而是有正有负，所得的PWM 波是有正有负。在Ur 的一个周期内，输出地PWM 波只有±Ud 两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号Ur 和载波信号Uc 的交点时刻控制各开关器件的通断。

VD 4

VD 3载波信号波