【正文】 第 0 頁 共 34 頁 畢業(yè)設(shè)計 ( 論文 ) 題 目 三相正弦波 變頻電源仿真設(shè)計 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 4012 姓 名 付啟兵 指導(dǎo)教師 李玉梅 二 〇〇 九年六月二十日 第 1 頁 共 34 頁 目錄 第一章 變頻器概述 . 變頻電源的原理 ………………………………………………… .3 . 變頻電源的特點及應(yīng)用 ………………………………………… .3 . MATLAB 簡介 及仿真技術(shù) ……………………………………… 4 . MATLAB 仿真技術(shù)在電力電子中的應(yīng)用 ……………………… 6 . 本論文完成內(nèi)容 ………………………………………………… .8 第二章 變頻器硬件設(shè)計 整流單元及供電電源 …………………………………………… .9 逆變輸出裝置及其驅(qū)動電路 ………………………………… ....10 濾波輸出及過壓過流缺相檢測與保護 ………………………… 14 變頻 電源的 控制 ………………………………………………… 17 第三章 變頻器軟件設(shè)計 控制模塊設(shè)計 ………………………………………………… ....21 第四章 變頻器的 MATLAB 仿真 MATLAB 在電力電子中的應(yīng)用 ……………………………… ...25 1 電力系統(tǒng)工具箱 ………………………………………………… ..25 2 MATLAB 在變頻器中應(yīng)用及仿真框圖 ………………………… 27 第五章 結(jié)語 ……………………………………………………… ...… ..34 第 2 頁 共 34 頁 摘要 :本文采用 MATLAB 對變頻電源進行系統(tǒng)分析。基于 Simulink 做了系統(tǒng)仿真，并做了原理性的論證。硬件部分采用 IT公司的低功耗單片機MSP430F149 作為主控器件 ， IR2130 驅(qū)動 3 相功率管。控制方式采用傳統(tǒng)的 SPWM，用 SPWM 專用集成芯片 SM2020 產(chǎn)生 SPWM 信號以控制 IR2130的通斷。系統(tǒng)采用 PI 反饋控制使硬件系統(tǒng)具良好的穩(wěn)壓功能。另外本文在硬件設(shè)計中對變頻電源的過流，過壓，缺相等保護功能進行了闡述。 第 3 頁 共 34 頁 第一章 變頻器概述 由于我國市電頻率固定為 50 Hz，因而對于一些要求頻率大于或小于50 Hz 的應(yīng)用場合，則必須設(shè)計一個能改變頻率的變頻電源系統(tǒng)。目前最常用的是三相正弦波變頻電源。該 電源系統(tǒng)主要由整流、逆變、控制回路 3部分組成。其中，整流部分用以實現(xiàn) AC／ DC 的轉(zhuǎn)換；逆變部分用以實現(xiàn)DC／ AC 的轉(zhuǎn)換；而控制回路用以調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)輸出信號的頻率和幅值。 11 變頻電源的原理 經(jīng)過 AC→DC→AC 變換的逆變電源稱為變頻電源，它有別于用于電機調(diào)速用的變頻調(diào)速控制器，也有別于普通交流穩(wěn)壓電源。變頻電源的主要功用是將現(xiàn)有交流電網(wǎng)電源變換成所需頻率的穩(wěn)定的純凈的正弦波電源。理想的交流電源的特點是頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、內(nèi)阻等于零、電壓波形為純正弦波（無失真）。變頻電源十分接近于理想交流電源，因此， 先進發(fā)達國家越來越多地將變頻電源用作標準供電電源，以便為用電器提供最優(yōu)良的供電環(huán)境，便于客觀考核用電器的技術(shù)性能。 變頻電源主要有二大種類：線性放大型和 PWM 開關(guān)型 HY 系列程控變頻電源，以微處理器為核心，以多脈寬調(diào)制 (MPWM)方式制作 ,用主動元件 IGBT 模塊設(shè)計，采用數(shù)字分頻、 D/A 轉(zhuǎn)換、瞬時值反饋、正弦脈寬調(diào)制等技術(shù) , 使單機容量可達 100kVA, 以隔離變壓器輸出來增加整機穩(wěn)定性 , 具有負載適應(yīng)性強、輸出波形品質(zhì)好、操作簡便、體積小、重量輕等特點，具有短路、過流、過載、過熱等保護功能，以保證電源可靠 運行。 現(xiàn)在使用的變頻 電源 主要采用交一直一交方式 ,先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源 ,然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源 .變頻 電源 的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制 4 個部分組成 .整流部分為 單相或 三相橋式不可控整流器 ,逆變部分為 IGBT 三相橋式逆變器 ,且輸出為 PWM 波形 ,中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率 .變頻 電源 的主電路大體上可分為兩類 ，分別為電壓型和電流型。 電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器 ,直流回路的濾波 器件 是電容 ； 電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器 ,其 直流回路濾波 器件 是電感 。 12 變頻電源的特點及應(yīng)用 20 世紀 70 年代后，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，使得交流電力拖動系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運行等良好的技術(shù)性能，在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖動媲美。在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實現(xiàn)過程自動化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞。 第 4 頁 共 34 頁 交流 變頻電源 調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國已得到廣泛應(yīng)用。美國有 60% 65%的發(fā)電量用于電機驅(qū)動，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動用電就節(jié)約了 15% 20%的電量。 采用 變頻電源 調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。其得到廣泛應(yīng)用主要基于交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性。 (1) 變頻調(diào)速系統(tǒng)自身損耗小，工作 效率高。 (2) 電機總是保持在低轉(zhuǎn)差率運行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。 (3) 可實現(xiàn)軟啟、制動功能，減小啟動電流沖擊，節(jié)電效果明顯。 (4) 調(diào)速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關(guān)率較高，相對穩(wěn)定性好。 (5) 調(diào)速范圍較大，精度高。 (6) 變頻電源 體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便。 (7) 易于實現(xiàn)過程自動化。 (8) 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機的過載能 力大為降低。 交流電動機的調(diào)速方法有三種：變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。其中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢。 交流拖動本身存在可以挖掘的節(jié)電潛力。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，選用電機時往往留有一定余量，電機又不總是在最大負荷情況下運行；如果利用變頻電源 調(diào)速技術(shù)，輕載時，通過對電機轉(zhuǎn)速進行控制，就能達到節(jié)電的目的。工業(yè)上大量使用風(fēng)機、水泵、壓縮機等，其用電量約占工業(yè)用電量的 50%；如果采用變頻電源 調(diào)速技術(shù)，既可大大提高其效率，又可減少 10%的電能消耗。 另外變頻電源也用作制造或出口貿(mào)易商對出口電器產(chǎn)品的用電檢測、調(diào)試及用于精密儀器的供電電源。廣泛應(yīng)用于家電制造業(yè)、電機、電子制造業(yè)、 IT 產(chǎn)業(yè)、電腦設(shè)備、實驗室等。 ★ 家電業(yè)制造商如：空調(diào)設(shè)備、咖啡機、洗衣機、榨汁機、微波爐、收錄音機、冰箱、 DVD、洗塵器、電動剃須刀等產(chǎn)品的測試電源。 ★ 電機、電子業(yè)制造商如：交換式電源供應(yīng)器、變壓器、電子安定器、 AC風(fēng)扇、不斷電系統(tǒng)、充電器、繼電器、壓縮機、馬達、被動元件等產(chǎn)品的測試電源。 ★ IT 產(chǎn)業(yè)及電腦設(shè)備制 造商如：傳真機、影印機、碎紙機、印表機、掃描器、燒錄機、伺服器、顯示器等產(chǎn)品的測試電源。 ★ 實驗室及測試單位如：交流電源測試、產(chǎn)品壽命及安全測試、電磁相容測試、 OQC（ FQC）測試、產(chǎn)品測試及研發(fā)、研究單位最佳交流電源。 ★ 航空 /軍事單位如：機場地面設(shè)施、船舶、航天、軍事研究所等的測試電源。 ★ 鐵路、高速公路： 25Hz、靜頻信號電源。 13 MATLAB 簡介 及仿真技術(shù) MATLAB 是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè) 數(shù)學(xué)軟件 ，是當今國際上第 5 頁 共 34 頁 科學(xué)界（尤其是自動控制領(lǐng)域）最具影響力、也是最有活力的軟件 。該軟件是 一個交互式系統(tǒng)，它的基本數(shù)據(jù)元素是矩陣，且不需要指定大小。通過它可以解決很多技術(shù)計算問題，尤其是帶有矩陣和矢量公式推導(dǎo)的問題，有時還能寫入非交互式語言如 c 和 fortran 等。 廣泛 用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。 Matlab 具有起點高，人機界面適合科技人員，強大而簡易的做圖功能，智能化程度高和功能豐富，可擴展性強的優(yōu)點。它提供了強大的科學(xué)運算、靈活的程序設(shè)計流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計、便 捷的與其他程序和語言接口的功能。 MATLAB 語言在各國高校與研究單位起著重大的作用。 MATLAB 以矩陣作為基本編程單元，它提供了各種矩陣的運算與作，并有較強的繪圖功能。 MATLAB集科學(xué)計算、圖像處理、聲音處理于一身，是一個高度的集成系統(tǒng)，有良好的用戶界面，并有良好的幫助功能。 MATLAB 不僅流行于控制界，在機械工程、生物工程、語音處理、圖像處理、信號分析、計算機技術(shù)等各行各業(yè)中都有極廣泛的應(yīng)用。 1. Simulink 自 Mathworks 公司于 1998 年推出了 版以后，在 Simulink 中就開始增加了 PSB 模塊集，它主要由加拿大的 Hydro Quebec 和 TECSIM International公司共同開發(fā)的，其功能非常強大，可以用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電力傳輸?shù)冗^程的仿真，它提供了一種類似電路建模的方式進行模型繪制，在仿真前會自動將其變成狀態(tài)方程描述系統(tǒng)形式，然后在 Simulink 下進行仿真分析。 Simulink 是用于仿真建模及分析動態(tài)系統(tǒng)的一組程序包，它支持線形和非線性系統(tǒng)，能在連續(xù)時間，離散時間或兩者的復(fù)合情況下建模。系統(tǒng)也能采用復(fù)合速率，也就是用不同的部分用不同的 速率來采樣和更新。Simulin 提供一個圖形化用戶界面用于建模，用鼠標拖拉塊狀圖表即可完成建模。在此界面下能像用鉛筆在紙上一樣畫模型。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。 simulink擁有全面的庫，如接收器，信號源，線形及非線形組塊和連接器。同時也能自己定義和建立自己的塊。模塊有等級之分，因此可以由頂層往下的步驟也可以選擇從底層往上建模。可以在高層上統(tǒng)觀系統(tǒng)，然后雙擊模塊來觀看下一層的模型細節(jié)。這種途徑可以深入了解模型的組織和模塊之間的相互作用。 在定義了一個模型 后，就可以進行仿真了，用綜合方法的選擇或用simulink 的菜單或 matlab 命令窗口的命令鍵入。菜單的獨特性便于交互式工作，當然命令行對于運行仿真的分支是很有用的。使用 scopes 或其他顯示模塊就可在模擬運行時看到模擬結(jié)果。進一步，可以改變其中的參數(shù)同時可以立即看到結(jié)果的改變，仿真結(jié)果可以放到 matlab 工作空間來做后處第 6 頁 共 34 頁 理和可視化。上作均為所見即可得方式，用拖曳方式即可完成，同時支持鼠標右鍵快捷方式，對于復(fù)雜的交流電路，電力電子電路，動態(tài)電路和電氣傳動系統(tǒng)的仿真分析，無需編程，更感方便，可以節(jié)省大量的計算 時間和耗材，大大提高了工作效率。模型分析工具包括線性化工具和微調(diào)工具，它們可以從 matlab 命令行直接訪問，同時還有很多 matlab 的 toolboxes 中的工具。因為 matlab 和 simulink 是一體的，所以可以仿真，分析，修改模型在兩者中的任一環(huán)境中進行 ，讓用戶更為方便。 2. 系統(tǒng)仿真技術(shù)概述 系統(tǒng)是由客觀世界中實體與實體間的相互作用和相互依賴關(guān)系構(gòu)成的具有某種特定功能的有機整體。系統(tǒng)的分類方法是多種多樣的，習(xí)慣上依照其應(yīng)用范圍可以將系統(tǒng)分為工程系統(tǒng)和非工程系統(tǒng)。工程系統(tǒng)的含義是指由相互關(guān)聯(lián)部件組成的一 個整體，以實現(xiàn)特定的目的。例如電機驅(qū)動自動控制系統(tǒng)是由執(zhí)行部件、功率轉(zhuǎn)換部件、檢測部件所組成，用它來完成電機的轉(zhuǎn)速、位置和其他參數(shù)控制的某個特定目標。非工程系統(tǒng)的定義范圍很廣，大至宇宙，小至原子，只要存在著相互關(guān)聯(lián)、相互制約的關(guān)系，形成一個整體，實現(xiàn)某種目的的均可以認為是系統(tǒng)。如果想定量地研究系統(tǒng)地行為，可以將其本身的特性及內(nèi)部的相互關(guān)系抽象出來，構(gòu)造出系統(tǒng)的模型。系統(tǒng)的模型分為物理模型和數(shù)學(xué)模型。由于計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用越來越普遍。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達式，用 來表示系統(tǒng)運動過程中的各個量的關(guān)系，是分析、設(shè)計系統(tǒng)的依據(jù)。從它所描述系