系统仿真课程设计报告.pdf
.部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！钦 州 学 院 系统仿真课程报告 院 系 机械与船舶海洋工程学院 专 业 自动化 学 生 班 级.自动本 131 班 姓 名 冯慧生 学 号 1305402115 指导教师单位 钦州学院 指导教师姓名 谢积锦 指导教师职称 讲师 2017年 6 月 .部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！目录 三相逆变电路的设计及其研究.3 1 引言.3 2 设计依据及框图.3 2.1 设计平台.3 2.2 设计思想.4 2.3 设计结构框图.5 2.4 三相全桥逆变的理论分析.5 3 SIMULINK仿真调试分析.10 3.1 三相逆变电路 SIMULINK 仿真调试分析.10 3.2 SIMULINK示波器观察的波形图.13 3.3 谐波分析.13 4 结语.16 4.1 结论与讨论.16 4.2 心得体会.17 参考文献.17 .部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！三相逆变电路的设计及其研究 摘要：本课程设计报告主要研究了三相逆变电路的设计的问题，根据逆变电路相关理论知识，利用 MATLAB软件的 SIMULINK进行仿真，对仿真出的相关波形与理论分析得出的结论比较，总结出三相逆变电路的设计是否正确，逆变电路负载特性，再对其进行进一步研究，本课程设计主要采用应用非常广泛的三相全桥逆变电路进行研究。关键字：逆变；全桥；SIMULINK；负载 1 引言 上学年我们开设了电力电子技术这门课，这是一门非常基础和有用的课程。学会了这门课之后可以实现 AC/DC，DC/AC（本课程设计主要涉及的逆变），DC/DC，AC/AC 这些变换，还可以利用这些变换对电机进行控制，例如可以实现电机的变频调速等控制。MATLAB这个软件不仅在数学上应用广泛，在电机学，自动控制原理、电力电子技术这些课程上的应用也十分广泛。本次课程设计的目的是为了：一、进一步理解和消化书本知识，运用所学知识和技能进行简单的设计。二、通过课程设计提高应用能力，为专业课的学习打下基础。三、培养查阅资料的习惯,训练和提高独立思考和解决问题的能力。四、对得出的仿真结果与理论分析结果进行比较，得出相关结论。2 设计依据及框图 2.1 设计平台 2.1.1 MATLA的基本介绍 MATLAB（矩阵实验室）是 MATrix LABoratory的缩写，是一款由美国 The MathWorks公司出品的商业数学软件。MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括 C，C+和 FORTRAN）编写的程序。2.1.2 MATLAB的发展历史 20 世纪 70 年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任 Cleve Moler为了减轻学生编程.部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！的负担，用 FORTRAN编写了最早的 MATLAB。1984年由 Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的 MathWorks公司正式把 MATLAB推向市场。到 20 世纪 90 年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。2.1.3 MATLAB的特点 1)高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；2)具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化;3)友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；4)功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等),为用户提供了大量方便实用的处理工具。2.1.4 MATLAB的 SIMULINK仿真优势 SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在 SIMULINK环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。SIMULINK包含有 SINKS（输入方式）、SOURCE（输入源）、LINEAR（线性环节）、NONLINEAR（非线性环节）、CONNECTIONS（连接与接口）和 EXTRA（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块。用户也可以定制和创建用户自己的模块。用 SIMULINK创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过SIMULINK的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。采用 SCOPE模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到 MATLAB的工作空间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和平衡点分析工具、MATLAB的许多工具及 MATLAB的应用工具箱。由于 MATLAB和 SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。2.2 设计思想 2.2.1三相逆变设计电路思想 1、问题重述：将 380V 的直流电源逆变成频率为 50HZ 的有效值为 220V 的三相交流电源，采用应用非.部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！常广泛的三相全桥逆变电路，开关管采用六个 IGBT，三个单相逆变器的开关管驱动信号之间互差120，三相输出电压Av、Bv、Cv大小相等，基波互差120，构成一个对称的三相交流电源。逆变器的负载选用三角形联结进行研究。2、设计思想：问题中的六个 IGBT 采用 MATLAB 里的六脉波触发器进行控制，使得每个开关管的导通角为180，同一个桥臂的上、下两个开关管互补通、断，对每个桥臂按180导电方式且相位上互差120进行驱动。2.3 设计结构框图 图 1：三相全桥逆变电路设计结构框图 2.4 三相全桥逆变的理论分析 2.4.1 电压型三相全桥逆变电路的工作原理 1、逆变器 逆变器也称逆变电源，是一种可将直流电变换为一定频率下交流电的装置。相对于整流器将交流电转换为固定电压下的直流电而言，逆变器可把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电，称为 DC-AC 变换。这是与整流相反的变换，因而称为逆变。1 2、三相全桥逆变电路 三相全桥逆变电路要求直流电转换为频率相同、振幅相等、相位依次互差为 120的交流电。负 载 输 出 三相逆变仿真电路的设计 六 脉 冲 触 发 .部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！图 2：三相逆变主电路 图 2 是一种应用非常广泛的三相桥式逆变电路。如果以直流电源中间点 O 为参考电位，该电路可以看做是由三个单相半桥逆变器组合而成的三相逆变器。同一桥臂的上、下两个开关管互补通、断。如 A 相桥臂上臂 T1 管导通时，下管 T4 截止；T4 导通，T1 截止。每个桥臂按180导电方式且相位上互差120进行驱动，则在任何时刻都有三个开关管同时导通，导通顺序为 1、2、32、3、43、4、54、5、65、6、16、1、2，如此循环。3、三相星形负载 图 3：三相星形负载 逆变器的三相负载可按星形或三角形联结。当负载如图 3 所示的星形接法时，必须先求出负载的相电压ANV，才能求出相应的逆变器输出的电流。4、三相全桥逆变总电路.部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！图 4：三相全桥逆变总电路 2.4.2 6T周期内，三相全桥逆变电路的定量电路分析 模式一：第一个6T周期期间，5T、6T、1T有驱动信号分别使得开关管 5、6、1 导通。由上图 4 可知。三相桥的 A、C 两端接正端 P，而 B 点接负端 Q。（a）模式一等效电路 由上图（a），A 相和 C 相负载并联，等效电阻为2R。在与 B 相负载 R 串联。由分压公.部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！式易知：3DCNANVVV，32DBNVV。模式二：第二个6T周期期间，6T、1T、2T有驱动信号分别使得开关管 6、1、2 导通。由上图 4 可知，A 点接正端 P，B、C 接负端 Q。（b）模式二等效电路 如上图（b）易知：32DANVV，3DCNBNVVV。模式三：第三个6T周期期间，1T、2T、3T有驱动信号分别使得开关管 1、2、3 导通。由上图 4 可知，三相桥的 A、B 两端接正端 P，而 C 点接负端 Q。（c）模式三等效电路.部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！2.4.3 电路分析后得到的理论波形：1、六脉冲触发器应输出的理论波形 2、对应模式下输出的线电压、相电压 线电压 相电压.部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！3 SIMULINK仿真调试分析 3.1 三相逆变电路 SIMULINK 仿真调试分析 3.1.1六脉波脉冲触发器的仿真参数设计 3.1.1.1理论分析：图 5：六脉波发生器 要求产生的脉波导通角为180（即脉冲宽度为180），其中 alpha_deg 端口代表的是脉冲的移向角，在本课程设计中移向角的参数不影响实验结果。Block 端口给大于 0 则封锁脉冲，给 0 则使发生器工作。AB、BC、CA 接一个三相交流电源的相电压。3.1.2实际的参数设置：.部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！3.1.2 三相全桥电路的开关管的选型以及参数设置 3.1.2.1 理论分析：六脉冲触发器产生的周期性六脉波 T1、T2、T3、T4、T5、T6 之间相位上互差60，对每个桥臂要相位上互差120进行导通，同一个桥臂上的两个开关管不能同时导通，又因为开关管采用了180的导电形式，所以只能将脉冲 T1 和 T4 组合控制同一个桥臂上的两个晶闸管（同一桥臂互差180导通）作为 A 相，将 T3 和 T6 组合作为 B 相（不同桥臂要互差120），其余两个作为 C 相。开关管选用 IGBT。.部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！3.1.2.2参数设置 3.1.3 总的 MATLAB的 SIMULINK仿真接线图 .部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！3.2 SIMULINK示波器观察的波形图 3.2.1 六脉冲发生器产生的六个脉冲观测的波形 3.2.2 线电压 VAB,相电压 VAN,VBN的波形 将此仿真的得出的波形与理论波形相对比，得出此仿真波形与理论分析的波形一致，根据仿真的波形，可以得出，星形负载电阻上的相电压ANV、BNV、CNV是阶梯波。根据傅里叶分析负载电压的阶梯波，对其进行傅里叶级数分解，得出基波，再经过滤波就能得到平滑的正弦波。3.3 谐波分析 将时间坐标起点取在阶梯波的起点，利用傅里叶分析仿真波形图中 A 相负载电压ANV。查电力电子技术书后附录（A-16）得到.部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！tttttVtVDAN13sin13111sin1117sin715sin51sin2 无 3 次谐波，只含 5、7、11、13 等高次谐波，N 次谐波的幅值为基波幅值的N1。通常只要采用变压器，将变压器的二次绕组都结成星形以便消除三倍基波频率的谐波。得出的示波器的波形：（以下依次是ABV、BCV、CAV经过变压器滤波之后的波形）00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1-300-200-1000100200300 ABV的波形.部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1-300-200-1000100200300 BCV的波形 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1-300-200-1000100200300 CAV的波形 .部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！4 结语 4.1 结论与讨论 4.1.1三相全桥主电路设计的结论 六脉冲触发器产生的周期性六脉波 T1、T2、T3、T4、T5、T6 之间相位上互差60，对每个桥臂要相位上互差120进行导通，同一个桥臂上的两个开关管不能同时导通，又因为开关管采用了180的导电形式，所以只能将脉冲 T1 和 T4 组合控制同一个桥臂上的两个晶闸管（同一桥臂互差180导通）作为 A 相，将 T3 和 T6 组合作为 B 相（不同桥臂要互差120），其余两个作为 C 相。要注意不能出现同一个桥臂上的两个开关管同时导通的情况。上述图中的情况是一定不能出现的，而180导通的IGBT如果不能可靠的导通或关断时，将会出现严重的后果。由于开关的控制并不是理想的那么精密，在同一相的两个正负开关在各自闭合断开的瞬间有可能同时断开或同时闭合。若同时闭合，如上图所示，直流侧电压源短路发生危险。因此，为保证两开关在断开闭合时不会发生重叠，在同时开关闭合瞬间改为一段死区时间，即两开关首先同时关闭一段时间dt，而后其中一个开关再进行下一步闭合动作。dt时间内，正负开关均断开，而后再打开其中一个，保证了交替过程中不会有同时打开的可能。dt的具体时间长短则要根据实际中使用的器件性能参数予以确定。这种方法可以有效避免实际生产过程中逆变电路的风险。4.1.2 仿真模型设计过程中出现的问题的体会 本课程设计在 SIMULINK的仿真环境下进行的，它有很好的有点是好多期间都是模块化的，例如六脉冲发生器，还有三相全桥等。这些模块并不是想当然的使用的，要了解这个模块具体的工作性能。还有就是电路的设计一定要一步一步来，不能急于求成！脉冲触发电路一定要得到到正确的脉冲波形后才加到晶闸管上，对晶闸管进行控制。.部分内容来源于网络，有侵权请联系删除！4.2 心得体会 我完成了老师交代的课程设计任务，电力电子是大二学习的课程，所以有些知识点已经有些忘了，刚刚接触这个课题的时候还是很困难的，觉得有些无从下手，后来我把教材好好的研究了一下，才开始有了头绪，有了思路，之后的课程设计还是比较顺利的。起初老师布置给我的任务看似简单明了，但是随着课题的选择就出现了麻烦，许多东西有印象但是却不能去完整的表述和理解，在最开始就出现了麻烦；但是在我翻书仔细思考后我还是选出了合适自己的课题；在复习了先前的知识以后，才对所要求的电路有一个大概的了解，可是，拦路虎始终都会出现，此次课程设计最核心的部分就是用 Matlab 仿真，而且要用到 Simulink 模块接线，这对我来说是一个很大的挑战，在满是英文的界面里寻找我需要的模块，给了我好大的压力，我在宿舍里不断练习，所谓勤能补拙，熟能生巧，应该也是这样吧，几天过去了，总算能很快找到模块接好电路；出波形时，又很难调试出跟理论上相似的波形，为此我上网查原因，去图书馆查资料，总算得出原因，经过努力得出了波形，感受到了科研出结果的艰辛与不易。对于此次课程设计，要特别感谢谢老师的悉心教导，和我同学对我的帮助，我才能在短期内比较灵活的使用软件。以后还有很多路要走，我要从此次课程设计得到的经验来走好我的将来的路。参考文献 1 陈建业.开关电源计算机仿真技术M.电子工业出版社 2 陈坚.电力电子学,第二版M.高等教育出版社,2003 3 程汉湘编著.电力电子技术M.科学出版社,2007
