华东交通大学电气学院交交变压变频器.docx

目 录
摘 要 .....................................................2
第1章 引言..................................................4
1.1引言.....................................................4
1.2 整流与逆变的工作状态 ...................................5
1.3 系统仿真技术概述........................................5
1.4 计算机仿真软件的概况....................................6
1.5 MATLAB及SIMULINK概述 ..................................7
1.6 小结 ...................................................9
第2章 交交变压变频器基本原理 ................................9
2.1基本原理 ................................................9
2.2 交-交变压变频器电路拓朴图 ...............................9
2.3交-交变压变频器的控制方式 ............................... 10
第3章 仿真系统总体设计......................................13
3.1系统对象................................................13
3.2 系统封装模块...........................................13
第4章 仿真电路设计......................15
4.1 电路的总体设计........................................15
4.2 电路的具体设计........................................15
4.2.1 电源...............................................15
4.2.2 触发脉冲...........................................16
4.2.3 IGBT桥式电路....................17
第5章 电路仿真运行..........................................19

第6章 结论.................................................31
参考文献：..................................................31

三相交交变压变频器的仿真
摘　要：Matlab语言具备高效、可视化及推理能力强等特点，是目前工程界流行最广的科学计算语言，而就电力电子而言，很多课程的相关实验都与Matlab密不可分。本文以三相交交变压变频器的仿真实例，叙述了利用Matlab/Simulink对逆变电路进行建模仿真的方法，并给出了仿真结果波形。在忽略了一部分对误差影响较小而使算法复杂度大大增加的因素，对其内部电流、电压、电感及相位的相互关系进行了一系列定量分析，并通过对仿真结果分析就可以将系统结构进行改进或将有关参数进行修改使系统达到要求的结果和性能，这样就可以极大地加快系统的分析与设计过程。
20 世纪80年代交交变频电路就已经出现 当时采用的是水银整流器，曾经有装置用在电力机车上，由于原件性能的限制，没 能得到推广。到 20世纪70年代，随着晶闸管的问世交交变频电路曾经广泛应用于电机的变频调速 。世纪80年代20随着全控器件的广泛应用，交交变频电路逐渐被交直交变频电路取代。近年来随着现代工业生产及社会发展的需要推动了交交变频技术的飞速发展，现代电力电子器件的发展和应用、现代控制理论和控制器件的发展和应用、微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流变频技术的发展和应用创造了新的物质和技术条件，交交变频电路又逐渐成为研究的热点。本文首先以三相输入单相输出的交交变频电路为例介绍了交交变频电路的工作原理，接着以余弦交点法为例详细分析了交交变频电路的触发控制方法，最后用Matlab仿真软件对交交变频电路进 行 了建模和仿真研究 。

关键词：仿真；波形 ；电力电子；交交变压变频

第一章 引言
1.1 引言
随着大功率全控型电力电子器件（GTO、IGBT、MOSFET、IGCT）的开发成功和应用技术的不断成熟，电能变换技术出现了突破性进展。由于像逆变电源之类大功率电力电子装置结构复杂，直接对装置进行试验，耗资耗力，故借助计算机仿真技术对装置的运行机理与特性、控制方法的有效性进行验证，以预测并解决潜在的问题，同时缩短研制时间和减少研制费用。MATLAB软件具有模拟、数字混合仿真功能，具备大量的模拟功能模型和系统分析能力，对于一个三相交交变压变频器建立仿真模型，能够对其输出特性进行仿真分析。
　　电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。

1.2 整流与逆变工作状态
交交变频电路的负载可以是阻感负载、阻负载、容 负载或交流电动机负载。电阻这里以阻感负载为例来说明电路的整流工作状态与逆变状态，这种分析也适用于交流电动机负载。

1.3 系统仿真技术概述

系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖关系构成的具有某种特定功能的有机整体。系统的分类方法是多种多样的，习惯上依照其应用范围可以将系统分为工程系统和非工程系统。
工程系统的含义是指由相互关联部件组成的一个整体，以实现特定的目的。非工程系统的定义范围很广，大至宇宙，小至原子，只要存在着相互关联、相互制约的关系，形成一个整体，实现某种目的的均可以认为是系统。
如果想定量地研究系统地行为，可以将其本身的特性及内部的相互关系抽象出来，构造出系统的模型。系统的模型分为物理模型和数学模型。由于计算机技术的迅速发展和广泛应用，数学模型的应用越来越普遍。
系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式，用来表示系统运动过程中的各个量的关系，是分析、设计系统的依据。从它所描述系统的运动性质和数学工具来分，又可以分为连续系统、离散时间系统、离散事件系统、混杂系统等。还可细分为线性、非线性、定常、时变、集中参数、分布参数、确定性、随机等子类。
系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科，现在尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法。计算机仿真的基本内容包括系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。

1.4 计算机仿真软件的概况

早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段：20世纪40年代模拟计算机仿真；50年代初数字仿真；60年代早期仿真语言的出现等。80年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真方法注入了活力。我国早在50年代就开始研究仿真技术了，当时主要用于国防领域，以模拟计算机的仿真为主。70年代初开始应用数字计算机进行仿真[4]。随着数字计算机的普及，近20年以来，国际、国内出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具，如CSMP，ACSL， SIMNOM， MATLAB/Simulink， Matrix/System Build， CSMP-C等。

1.5 Matlab及Simulink概述

MATLAB是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。它是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件，被誉为“巨人肩上的工具”。
MATLAB系统可分为五个部分:
（1）MATLAB语言。 这是一种高级矩阵语言，其有着控制流程状态，功能，数据结构，输入输出及面向对象编程的特性。它既有“小型编程”的功能，快速建立小型可弃程序，又有“大型编程”的功能，开发一个完整的大型复杂应用程序。
（2）MATLAB的工作环境。 这是一套工具和设备方便用户和编程者使用MATLAB。它包含有在你的工作空间进行管理变量及输入和采集数据的设备。同时也有开发，管理，调试，( profiling M-files， MATLAB’s applications。)的系列工具。
（3）图形操作。 这是MATLAB的图形系统。它包含有系列高级命令，其内容包括二维及三维数据可视化，图形处理，动画制作，表现图形。同时它也提供低级命令便于用户完全定制图形界面并在你的MATLAB软件中建立完整的用户图形界面。
（4）MATLAB数据功能库。它拥有庞大的数学运算法则的集合，包含有基本的加，正弦，余弦功能到复杂的求逆矩阵及求矩阵的特征值， Bessel功能和快速傅立叶变换。
（5）MATLAB应用程序编程界面。 这是一个允许你在MATLAB界面下编写C和Fortran程序的库。它方便从MATLAB中调用例程(即动态链接)，使MATLAB成为一个计算器，用于读写MAT-files。
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统 建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

1.6 小结

利用MATLAB来仿真逆变电路的运行情况，减少了用实际硬件实验的繁琐，避免了用硬件实验的各种误差。Matlab软件仿真电路可以帮助研究者更好更方便的了解逆变电路的特性，以便进一步改善其效率。
第二章 交交变压变频器基本原理
2.1、基本原理
交交变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电 路。因为没有中间直流节，因此属于直接变频电路。交交变频电路广泛用于大 功率交流电动机调速传动系统，际使用的主要是三实相输出交交变频电路。单相输出交交变频电路是三相输出交交变频电路的基础。 因此本节介绍的是单相输出交交变频电路的构成、工作原理及控制方法。

2.2、交-交变压变频器电路拓朴图
交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。

图1 交-交（直接）变压变频器框图
常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路，如图2所示。

图2 电路结构图
2.3、交-交变压变频器的控制方式
1、整半周控制方式
正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 u0 ， u0 的幅值决定于各组可控整流装置的控制角 a ， u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如下图 3 所示。

图3 方波型平均输出电压波形
2、a 调制控制方式***
要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角 a 由p/2（对应于平均电压 u0 = 0）逐渐减小到 0（对应于 u0 最大），然后再逐渐增加到 p/2（ u0 再变为0），如下图4所示。

图4 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形
当a角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。
三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图5所示。如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。

图5 三相桥式交交变频电路图
因此，这样的交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。
这类交-交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 ~ 1/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。
近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于 PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.866。目前这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。

第三章 仿真系统总体设计

3.1 系统对象
本次研究对象为调制波原理图、相电压、相电流、线电压、不同器件所承受的电压波形以及频谱图，要求采用subplot作图。其部分参数为：E=100-300V; h=0.0001s

3.2 系统封装模块
3.2.1 电源
直流电源，E=220V
3.2.2 脉冲。
6个脉冲，频率50Hz，（）的触发脉冲相位依次相差120°，//相位依次相差180°,各触发脉冲占空比为50%，并且需把所有脉冲封装起来，并设置触发角。
3.2.3 IGBT
IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。
设置IGBT频率为50Hz，把六个IGBT连成桥式电路，并且封装起来。

第四章 仿真电路的设计
4.1 电路的总体设计
整个仿真系统总体设计如图4-1所示，其封装的子模块共有三个，分别为电源模块，IGBT模块，脉冲模块。

图4-1系统总体框图

4.2 电路的具体设计
4.2.1 电源

在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。两个大电容起稳压作用，此处，用两个直流电源代替。

图4-2 电源模块框图

4.2.2 触发脉冲

以V1为基准，其他的IGBT在此基础上设置相位。
：(a-360*3)/360*0.02
：(a+180-360*3)/360*0.02
：(a+120-360*3)/360*0.02
：(a+420-360*3)/360*0.02
：(a+240-360*3)/360*0.02
：(a+300-360*3)/360*0.02
幅值：1 周期：0.02s 占空比：50%

按如上设置各全控器件的触发脉冲，最后把所有脉冲封装成一个模块，并设置触发角a。

图4-3 脉冲模块框图
4.2.3 IGBT桥式电路（主电路）
该模块是由六个IGBT组成的桥式逆变电路模块，晶闸管参数设置如下：

桥式电路封装模块内部结构如下：

图4-4 IGBT桥式电路模块框图

U、V、W各设一个节点，从Simpowersystem/elements中选中模块，便于封装后从该点引出线测所需电压。模块为终止信号模块(Terminator)，其功能是中断一个未连接的信号输出端口。

第五章 电路的仿真运行
5.1 0°电阻负载电路时仿真运行
参数设置为：a=0，
此时的电路仿真波形如下：
subplot(6,1,1)
plot(a.time,a.signals(1,1).values);
axis([0,0.06,0,1.5]);
title('V1的触发脉冲');
xlabel('t/s');ylabel('u/v');
grid on
subplot(6,1,2)
plot(a.time,a.signals(1,2).values);
axis([0,0.06,0,1.5]);
title('V3的触发脉冲');
xlabel('t/s');ylabel('u/v');
grid on
subplot(6,1,3)
plot(a.time,a.signals(1,3).values);
axis([0,0.06,0,1.5]);
title('V5的触发脉冲');
xlabel('t/s');ylabel('u/v');
grid on
subplot(6,1,4)
plot(a.time,a.signals(1,4).values);
axis([0,0.06,0,1.5]);
title('V2的触发脉冲');
xlabel('t/s');ylabel('u/v');
grid on
subplot(6,1,5)
plot(a.time,a.signals(1,5).values);
axis([0,0.06,0,1.5]);
title('V6的触发脉冲');
xlabel('t/s');ylabel('u/v');
grid on
subplot(6,1,6)
plot(a.time,a.signals(1,6).values);
axis([0,0.06,0,1.5]);
title('V4的触发脉冲');
xlabel('t/s');ylabel('u/v');
grid on
各触发脉冲波形图

图5-1
直流电源波形

图5-2
电阻性负载时，相电压、线电压以及电流波形、IGBT所承受的电压波形用subplot作图，程序代码如下:：
clc
subplot(5,1,1)
plot(a1.time,a1.signals(1,1).values);
title('IGBT V1两端的电压波形u(V1)');
xlabel('t/s');ylabel('u/v');
grid on
subplot(5,1,2)
plot(a1.time,a1.signals(1,2).values);
title('IGBT V1两端的电流波形i(V1)');
xlabel('t/s');ylabel('i/A');
grid on
subplot(5,1,3)
plot(a1.time,a1.signals(1,7).values);
title('电压 u(UN′)的波形');
xlabel('t/s');ylabel('u/v');
grid on
subplot(5,1,4)
plot(a1.time,a1.signals(1,8).values);
title('电压 u(VN′)的波形');
xlabel('t/s');ylabel('u/v');
grid on
subplot(5,1,5)
plot(a1.time,a1.signals(1,9).values);
title('电压 u(WN′)的波形');
xlabel('t/s');ylabel('u/v');
grid on

图5-3
clc
subplot(4,1,1)
plot(a1.time,a1.signals(1,3).values);
title('相电流 i（UN）的波形');
xlabel('t/s');ylabel('i/A');
grid on
subplot(4,1,2)
plot(a1.time,a1.signals(1,4).values);
title('相电压 u（UN）的波形');
xlabel('t/s');ylabel('u/v');
grid on
subplot(4,1,3)
plot(a1.time,a1.signals(1,5).values);
title('线电压 u(UN)的波形');
xlabel('t/s');ylabel('u/v');
grid on
subplot(4,1,4)
plot(a1.time,a1.signals(1,6).values);
title('电压u（NN′)的波形');
xlabel('t/s');ylabel('u/v');
grid on

图5-4
波形的频谱分析如下：

图5-4 负载相电压u（UN）的频谱分析

图5-5 负载相电流i(UN) 的频谱图
图5-6 线电压u（UV）的频谱图

图5-7 IGBT V1上电压u(V1)的频谱图
5.2 0°带阻感负载时的仿真波形
参数设置为：，

图5-8

图5-9
图5-10 阻感相电流i（UN）的频谱图

5.3 30°阻感性负载时的仿真波形

图5-11
5.4 90°阻感性负载时的仿真波形

图5-14

5.5 小结
本次交交变频器的设计和和之前学过的电力电子的内容差不多。首先单就内容上说基本上全是电力电子 的知识，基本不涉及到这学期所学习的运动控制理论。 但这个电路确在控制电机中有很大的运用。在变频调速中有广泛的运用。所以本 次课程设计还是有很大的意义的。 刚开始拿到这个题目的时候我就翻阅了上学期电力电子的教材，上面就已经 有了单相交交变频知识的介绍，于是对单相交交变频的原理有了一定的认识。只剩下在MATLAB中仿真的运用了。于是根据以前课程设计的经验查阅网上资料，到西院图书馆借了周渊深 的《电力电子技术与MATLAB仿真》一书，后来又在网上下载了洪乃刚的《电力电子和电力拖动控制系统的 MATLAB仿真》一书，认真阅读完相关知识后，就知道怎么样仿真了，然后MATLAB也很顺利的完成了。虽然仿真出来的波形和理论上还有很大的差距但是其变化趋势还是和理论上的一样。总之由于前两年课程设计的经验，这次题目又不是很难，使得设计过程相对 轻松，比较快的到达了设计要求。经过两周的课程设计让我学会了很多，从题目的选择到原理的设计，从仿真 调试到到报告的撰写每一步都付出了辛勤的汗水。但更重要的是我收获了更多。这两周的时间不仅让我巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没 有学到过的知识。使自己从理论到实践又迈出了坚实的步伐，这对我们这些即将走上工作岗位的同学有很大的帮助，我也相信今天学到的知识在以后的工作中绝对有用武之地。

第六章 结论

由于面向对象技术存在一系列突出优点，近年来这种技术越来越受到人们的重视，对它的应用和研究遍及计算机软件和硬件的各个领域。用模块化、抽象、局部化和模块独立等原理及结构程序设计技术指导面向对象程序设计，能够提高软件的开发效率，增加软件的可理解性和可维护性。当功能需求变化时，无须重新创建工程，只须在原有的基础上作一些增加、删除或修改即可。而且如要产生新的功能也可用原有的类派生而成，可继承原有类中可重用的部分，这样就可以减少不必要的工作量。
本次设计主要运用模拟了交交变压变频器的仿真，设计过程中的主要障碍在于脉冲和晶闸管的参数设置，一旦设置恰当，建模的工作就能较轻松的进行。由于计算机仿真模拟必然是今后工业研究发展的主要手段，因此本设计对今后的仿真工作有一定的参考。
经过这次课程设计，我对MATLAB/Simulink及其中的各个模块的用法有了更充分的了解，并且对各种器件参数的设置有了比较丰富的经验。这次课设的锻炼增强了我以后做相关建模仿真的信心。这次课设做的是电力电子技术中的整流，我们虽然以前没学过这个，但经过此次课设对该电路的仿真，使我对三相交交变压变频器有了一定的了解。

参考文献：
[1] 王兆安，黄俊主编.电力电子技术。北京：机械工业出版社，2000
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[3]Mohand mokhtari and Michel Marie。 Matlab与Simulink工程应用
[4] 段慧达，高玉峰主编. MATLAB应用技术。北京：清华大学出版社， 2007.1
[5] 洪乃刚编著。电力电子，电机控制系统的建模和仿真。北京，机械工业出版社， 2010.1
[6] 周渊深.，电力电子技术与 MATLAB 仿 真 。.北京 ：中国电力出版社，2005
[7] 洪乃刚.，电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真 。北京： 机械工业出版社
[4] 李序葆 ，赵永健.，电力电子器件及其应用 。机械工业出版 ，1996