交流变换器装置设计--电力电子课程设计

目录

1 概论 (1)

2 方案比较论证 (3)

2.1主电路方案选择 (3)

2.2控制电路方案选择 (4)

3 仿真模型及参数设置 (6)

3.1单相整流—逆变电路的仿真模型 (6)

3.2仿真模型使用模块提取的路径及其参数设置 (6)

4实验仿真 (9)

5结论 (10)

参考文献 (11)

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。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。这种能量的变换对节能、减小环境污染、改善工作条件、节省原材料、降低成本和提高产量等方面均起着非常重要的作用。

交一交变频一般使用的开关器件是晶闸管，利用电网电压有自动过零并变负的特点，将晶闸管直接接在交流电源上，使晶闸管能自然关断。其过程与可控整流器一样，不需要附加换流器件，方法简单，运行可靠。但是这种方法使用晶闸管数量较多，主回路复杂，且输出频率受电源频率的限制，一般不能高于电网频率的1／2。

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二极管全桥不控整流器整流、脉宽调制型(PWM)逆变器同时实现调压调频方式。此时不可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。本文所述的变频电源采用这种方案。采用二极管不可控整流，以提高网侧电压功率因数，整流所得直流电压用大电容稳压，为逆变器提供直流电压，再经过逆变器，输出可变幅值可变频率的信号。

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。该整流能对电网污染进行双向隔离，以提高整机的电磁兼容性能。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。功率级采用全桥逆变结构，电源利用率高，整机工作效率高。滤波电路是用来滤除干扰和无用信号，使输出为标准正弦波。控制电路用于产生SPWM控制信号，还具有相关的过流，过压保护等功能。

2方案比较论证

2.1 主电路方案选择

一、交交变频电路。交交变频电路主要应用于大功率交流电动机调速系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。其原理图如图1所示。电路由P 组和 N

P uo

Z

图1 交交变频原理图

N 组反并联的晶闸管变流电路组成。变流器P 和N 都是相控整流电路，P 组工作时，负载电流为正，N 组工作时，负载电流为负。让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就可得到该频率的交流电，改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率。改变变流器工作时的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。不难看出，且输出频率受电源频率的限制，一般不能高于电网频率的1／2。交交变频电路是才用相位控制方式，因此其输入电流总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率，其功率因数较低。

二、交直交变频器。间接交流变流电路由整流电路、中间直流电流和逆变电路构成。图2 所示的是不能再生反馈的电压型间接交流变流电路。整流电路将

图2 不能再生反馈的电压型间接交流变流电路

220V/50Hz 的交流变换成直流。中间直流电流对直流进行滤波处理，必要时进行升压斩波，以提高逆变后能输出交流的最大幅值。逆变电路的功能是将直流逆变为所需频率和幅值的交流，主要是应用SPWM 技术控制逆变桥，产生交流电。该方案具有功率因数高，对电网电源

AC 输出AC

污染小等优点。本文中采用这种间接变换电路实现题目要求。

2.2控制电路方案选择

DC—AC变换部分的控制技术是逆变电源的最关键部分，它在很大程度上决定了整个电源的性能。传统的逆变电源采用模拟控制技术，该方法控制结构比较成熟，积累了大量的设计经验，而且相对成本较低，但是模拟控制存在着许多固有缺点：

(1)电源生产的一致性不好，产品升级困难，新型逆变电源的诞生，一般都伴随着大幅度硬件的更换；

(2)因采用大量的分散元件和电路板，导致硬件的成本偏高，系统的可靠性下降：

(3)设计周期长，调试起来复杂。并且较难实现先进的复杂的控制算法。

近年来，数字化已经成逆变电源的发展方向。随着高性能数字信号处理器DSP的出现和控制理论的普遍发展，使得逆变电源的控制技术朝着全数字化、智能化和网络化的方向发展。逆变电源采用数字控制相对模拟控制，具有以下明显优点：

(1)控制电路结构简洁紧凑，大大简化了硬件电路的设计，提高系统抗干扰能力；

(2)设计和制造灵活，每台电源间的一致性好，一旦改变了控制方法，只需修改程序即可，无需变动硬件电路，大大缩短了设计研制周期；

(3)易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程度更高，性能更完美；

可见，数字化是逆变电源发展的主要方向，然而，也存在着挑战。原因是逆交电源是一个复杂的电力电子装置，是一个多变量、非线性、时变的系统，因此对它的控制存在着困难。目前的困难主要来自于一下几个方面：

(1)逆变电源的输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号，它不同于一般的开关电源的常值控制。在闭环控制下，给定信号与反馈信号的时间差就体现为明显的相位差。这种相位差与负载是相关的，这就给控制器的设计带来了困难；

(2)逆变电源的输出滤波器对系统的模型影响很大，输入电压的波动幅度和负载的性质、大小的交化范围往往比较大，这些都增加了控制对象的复杂性，使得控制对象模型的高阶性、不确定性、非线性显著增加；

(3)对于数字式PWM，都存在一个开关周期的失控区间：一般是在每个开关周期的开始或上一个周期之末来确定本次脉冲的宽度。即使这时系统发生了变化，也只能在下一个开关周期对脉冲宽度做出调整。

当然，正是有着众多的优点，而问题又存在，才使得逆变电源的数字化控制在国内外引起了广泛的关注。本文中的设计采用数字化方式控制，其核心控制芯片采用TI公司的TMS320f2182。

3 仿真模型及参数设置

3.1.单相整流—逆变电路的仿真模型

单相整流—逆变电路的仿真模型如图3所示，由图可知，单相50Hz交流电源经单相不控整流环节，进行LC滤波后即为中间直流环节。再进入PWM逆变，又一次LC滤波后，连接到需要不同于50Hz的交流电单相负载。万用表检测不控整流桥与逆变桥的电力电子元件的电压与电流，示波器还检测输出负载电压波形。

图3 单相整流逆变电路的仿真模型

3.2.仿真模型使用模块提取的路径及其单数设置

离散PWM发生器模块Discrete PWM Generator提取路径是：Simulink\SimPowerSystems\Power Electronics\Discrete Control Blocks\Discrete PWM Generator;信号终结模块Terminator提取路径是:Simulink\Commonly Used Blocks\Terminator。交流电源模块:“Phase”初相角0°,“Frequency”频率50Hz,“Sample time”采样时间0(默认值0表示该交流电源为连续源),“Peak amplitude”当变频输出频率为50Hz时置为220V×2。滤波电感L1：选Series RLC Branch模块，将参数“Inductance(H)”置为80e-3。滤波电感L2；选Series RLC Branch模块，将参数“Inductance(H)”置为30e-3。滤波电容C1：选Series RLC Branch模块，将参数“Capacitance(F)”置为1800e-6。滤波电容C2：选Series RLC Branch 278模块，将参数“Capacitance(F)”置为320e-6。不控整流桥参数设置如图4所示，逆变参数设置如图5所示，离散PWM发生器参数如图6所示，RL负载参数设置如图7所示。

图4 不控整流桥参数设置

图5 逆变参数设置

图6 离散PWM发生器参数

图7 RL负载参数设置

4实验仿真

设置仿真开始时间为0，停止时间设置为0.5s，采用Ode23tb算法，其他参数采用系统默认设置。对图3模型仿真.得到仿真结果，其波形为图8所示。

图8 单相整流逆变电路仿真波形

5结论

经过近两星期的努力，终于完成了本次课程设计。其中包括方案的论证、电路的详细设计、最后的仿真分析，包括整流电路、逆变电路、输出滤波器的主回路等各个方面。

电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变换技术，将市电或电池等一次电

源变换成适用于各种用电对象的二次电源。变频技术作为电源技术的核心技术，

集现代电子、信息和智能技术于一体。新的器件和新的拓扑理论的出现使得变频

电源技术日趋可靠、成熟、经济、适用。

论文详细阐述了系统设计的思想和实现过程。但由于时间关系，对控制器的系统软件设计没能给出详细的设计过程和例程，系统软件设计分为人机接口程序和控制程序。人机接口程序实现了实时电压电流数据及其波形显示，控制参数显示及在线修改等功能；控制程序实现了信号采样分析、PWM脉冲调制和触发、PI控制器等程序。

随着社会进步和科学技术的发展，新的产业将应运而生，变频电源涉及的领域越来越宽，其产品规格和品种也将越来越多，技术难度也将越来越大，有很多问题有待我们去研究，如：

能否全面贯彻电磁兼容性?电气额定值能否更高(如功率因素)或更低(如输出电压)？能否组建大容量电源?能否使外形更加小型化，外形适用使用场所要求?能否形成批量生产或单件快捷生产?这五个问题是变频电源能否在更广泛领域应用的关键，也是我们未来要解决的主要问题。

虽然，变频电源的研究开发中还有不少问题有待解决，需要更多的人投入研

究工作，但我相信在大家的共同努力下，装置必将被广泛应用，发挥其强大的作

用。

参考文献

[1]王兆安，黄俊．电力电子技术．北京：机械工业出版社，2004

[2]杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社，2006

[3]陈伯时．电力拖动自动控制系统．北京：机械工业出版社，1991

[4]陈坚.电力电子学.北京：高等教育出版社，2004

[5]曾翔君，骆一萍.DSP控制原理及应用.北京：科学出版社，2009