【正文】 中頻逆變器主電路的設(shè)計與仿真 36 參考文獻 【 1】賀益康，潘再平 .電力電子技術(shù) [M].北京 .科學(xué)出版社， 2020 【 2】陳伯時 .電力拖動自動控制系統(tǒng) [M].北京 .機械工業(yè)出版社， 2020 【 3】王兆安，劉進軍 .電力電子技術(shù)第五版 [M].北京 .機械工業(yè)出版社， 2020 【 4】徐德鴻 .電力電子系統(tǒng)建模及控制 [M].北京。在本次設(shè)計中讓我學(xué)到了一個設(shè)計及論文的過程以及遇到問題要從整到部分一步一步地分析，不能急于求成。變壓器原邊電壓仿真結(jié)果如圖 412。 （ DCAC）的建模 （ 1）建立一個新的模型窗口，命名為 XAUT1； （ 2）打開電源模塊組，復(fù)制一個直流電源模塊到 XAUT模型中，打開參數(shù)設(shè)置對話框，設(shè)置電壓值為 220V； （ 3）打開電力電子模塊組，復(fù)制一個 IGBT模塊到 XAUT模型窗口中，在復(fù)制出 3個； （ 4）在電力電子模塊中復(fù)制一個變壓器模塊，參數(shù)設(shè)置為 :Units選擇PU,其參數(shù)設(shè)置如圖 41： （ 5）在電力電子模塊中復(fù) 制一個 RLC模塊，再復(fù)制出兩個，分別雙擊選擇 R、 L、 C，并利用前面的公式計算出 RLC參數(shù)值。Simulink與 MATLAB緊密集成，可以直接訪問 MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、 批處理 腳本 的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。為了創(chuàng)建 動態(tài)系統(tǒng) 模型， Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形 用戶接口 (GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到 系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 PSB 的功能非常強大 ,可以用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電力傳輸 等過程的仿真 ,提供了一種類似電路建模的方式進行模型繪制 ,在仿真前自動將其變化成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式 ,然后在Simulink 下進行仿真分析。近年來 ,它已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科、多種工作平臺的功能強大的大型仿真軟件。 （ 313） 當輸出電壓基波頻率為 400Hz時，fc通常選在 800~3200Hz。如圖 36所示。只不過 K型濾波器的元件參數(shù)要乘以系數(shù) m。 LC參數(shù)選擇 LC諧振頻率是由 L和 C的乘積 決定的 ,在確定諧振頻率后 ,L和 C的參數(shù)還需分別確定 .具體數(shù)設(shè)計除要考慮電抗器和電容器的體積與造價外 ,還要考慮它們對裝置性能的影響 ,這主要包括 LC濾波器逆變器輸出電流影響、濾波電容與變壓器等因素 [19]。 圖 34 全橋整流 LC濾波電路 本科生畢業(yè) 設(shè)計（論文） 23 圖 35 等效電路 LC濾波器由濾波電抗 L和濾波電容 C構(gòu)成。因此可用理想電壓源置換整流電路后再做分析 , 得到圖 35所示的用于判斷電感電流連續(xù)性的等效電路。 插入損失實在濾波器通頻帶內(nèi)信號通路所造成的損失。 中頻逆變器主電路的設(shè)計與仿真 22 按濾波器的電抗元件結(jié)構(gòu)區(qū)分，有 T、 L、 π型濾波器。為得 到近乎平坦的高質(zhì)量直流電壓，在整流電路和負載之間往往加入電容濾波或電感電容 (LC)濾波電路 [1][3]。 N N2為原、副邊繞組的匝數(shù) 。同時隨著勵磁涌流制動判據(jù)越來越復(fù)雜 , 差動保護動作的快速特性在用于變壓器保護時己逐步喪失。而且隨著大型變壓器鐵心飽和磁通的下降 , 使得勵磁涌流的二次諧波含量降低。 b. 開通波形 c. 關(guān)斷波形 圖 變壓器 電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要輸變電設(shè)備 ,差動保護一直是電力變壓器的主保護 , 其理論根據(jù)是基爾霍夫電流定律。 t0 時刻柵極驅(qū)動電壓開始下降 , 到 t1時刻達到剛能維持 Ic的水平 , IGBT進入線性工作區(qū) ,Uce 開始上升 , 對 Cgc、 Cge 充電 , 由于對兩個寄生電容的耦合充電作用 , 使得在 t1～ t2 期間 ,Uge 基本不變。 二是柵極 集電極電容 Cgc 的密勒效應(yīng)。 IGBT 開通波形見圖 32b。但 IGBT 的柵極與發(fā)射極之間、柵極與集電極之間存在著結(jié)間電容 , 在它的射極回路中存在著漏電感 , 由于這些分布參數(shù)的影響 , 使得 IGBT 的驅(qū)動波形與理想驅(qū)動波形產(chǎn)生較大的變化 , 并產(chǎn)生不利于 IGBT 開通和關(guān)斷的因素。 橋式電路的另一缺點是容易產(chǎn)生直通現(xiàn)象。正常工作情況下 , 功率開關(guān)器件在工作前半周與后半周導(dǎo)通脈寬相等 , 飽和壓降相等 , 前后半周交替通斷 , 變壓器磁心中沒有剩磁。 硬開關(guān)全橋式電路工作過程分析 全 橋式逆變主電路由功率開關(guān)管 IGBT 和中頻變壓器等主要元器件組成 , 如圖 31所示。在硬開關(guān)橋式電路中 , IGBT 在高壓下導(dǎo)通 , 在大電流下關(guān)斷 , 處于強迫開關(guān)過程 , 功率器件 IGBT 能否正常可靠使用起著至關(guān)重要的作用。隨后，為了滿足高性 能指標的要求，出現(xiàn)了采用輸出電壓瞬時值反饋 PI控制器，這種控制器由于采用了瞬時值反饋，在一定程度上保證了輸出電壓的精度，但是由于輸出電壓對于負載變化的響應(yīng)較慢，其控制效果仍然不令人滿意。且積分的作用動作緩慢，而且在偏差剛出現(xiàn)時，調(diào)節(jié)器作用很弱，不能及時克服擾動的影響，很少被單 獨使用。這兩個環(huán)節(jié)的主要特點如下： （ 1） 比例控制：可以通過加大比例系數(shù)增加系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度，減 中頻逆變器主電路的設(shè)計與仿真 16 小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)偏差。 圖 控制系統(tǒng)原理圖 在模擬控制系統(tǒng)中， PI 控制算法的表達式為： ])(1)([)( 0 ?? detetu tip TK ??? (28) 其中： Kp 是控制器的比例系數(shù)； Ti 是控制器的積分時間； e(t)是控制偏差信號； u(t)是控制器 的輸出信號。 PI控制概念清晰、實現(xiàn)簡單、魯棒性強，是工程實踐中應(yīng)用最廣泛的控制器。乘法器的兩端引入的是輸入電壓的前饋。 電路分析 PFC電路 是一個電壓電流雙閉環(huán)的控制電路，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，控制輸入電流跟隨輸入電壓的波形變化；外環(huán)為電壓環(huán)，控制輸出電壓的穩(wěn)定。平均電流控制和峰值電流控制都是同定頻率的控制方法，而電流滯環(huán)控制則采用的是變頻控制。 ： 它與平均電流控制的區(qū)別是沒有電流誤差放大器。檢測到的電感電流與該電流基準的差由電流誤差放大器放大，放大后的平均電流誤差與鋸齒波斜波比較后，作為開關(guān)管驅(qū)動信號。從 上可知， APEC控制采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙環(huán)反饋控制方法，電流內(nèi)環(huán)負責將電流參考信號與實際檢測電流信號相比較后進行 PI調(diào)節(jié)，并產(chǎn)生最終控制信號，與三角載波比較后得到實際 PWM信號，驅(qū)動功率開關(guān)管；電壓外環(huán)負責將給定電壓與實際電壓進行誤差放大，目標是維持輸出電壓穩(wěn)定 [12][13]。加入該電路后，交流電源處于任何相位，只要開關(guān)管 Tr接通，交流電源通過整流橋和電感 L短路，就會有電流流過，并且在 電感 L。因此， APFC 技術(shù)以無可比擬的優(yōu)勢得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用 [ 9][12] [13]。大部分以 50 Hz、220 V 交流輸入的直流開關(guān)電源，都采用二極管不可控整流加大電容濾波的結(jié)構(gòu)，由于輸入阻抗呈容性。所以，處于截止狀態(tài)的二極管所承受的最大反向電壓就是變壓器二次側(cè)電壓的最大值 U2 ，即 UURM 2? （ 25） 流過負載的脈動電壓中含有直流分量和交流分量，可將脈動電壓作傅立葉分析，分析結(jié)果 )4c os15 42c os3 42(2 ????? wtwtuu o ??? （ 26） 根據(jù)上式可得，此諧波分量中二次諧波幅度最大，是決定整流效果的主要因素。單相橋式全波整流電壓的平均值 UUwtwtdU O )(sin21 0 ???? ?? ? （ 22） 式中 U 為變壓器二次 側(cè)電壓 u 的有效值。 本科生畢業(yè) 設(shè)計（論文） 7 圖 圖 圖 流變壓器二次側(cè)電壓 u的波形 中頻逆變器主電路的設(shè)計與仿真 8 圖 綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦?，將四個二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負載電阻的上端相連，負極性端與負載電阻的下端相連，使負載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓（脈動電壓即極性一定但大小變化的單向電壓）。其電流通路可用圖 21中實線箭頭表示。同時假設(shè)整流變壓器二次側(cè)的電壓為 [1][ 3]： wtUu sin2? (21) 其波形如圖 24所示。 本課題的主要研究任務(wù)是：深入學(xué)習和掌握中頻逆變器的構(gòu)成和工作原理，根據(jù)設(shè)計的技術(shù)指標計算相應(yīng)器件的參數(shù)，并設(shè)計主電路，學(xué)會使用 Simulink 軟件進行的仿真，在設(shè)計好的中頻逆變器主電路中加入功率因數(shù)校正電路，觀察電路穩(wěn)定性和對輸出的影響。逆變電源中的能量轉(zhuǎn)換過程是 :輸入的工頻交流電經(jīng)過整流電路成為直流電，直流電通過逆變電路變?yōu)榻涣餍盘?SPWM 波，其基波頻率是逆變電源的輸出頻率，該信號經(jīng)輸出變壓器隔離，再由 LC 濾波器濾成正弦波。大的延遲對于系統(tǒng) 控制的穩(wěn)定性是很不利的； （ 3） 輸出包含的三次諧波頻率為 ，五次諧波頻率為 2kHz。比如當開關(guān)頻率為8kHz 時，一個基波周期內(nèi)的輸出波頭數(shù)只有 20 個。本課題所研究的逆變電源屬于小容量中頻逆變電源。在逆變電源中，逆變器及其控制是逆變電源的核心。 圖 圖 12 所示為典型的交流輸入、輸出隔離型逆變電源主電路的基本構(gòu)成。 逆變電源的基本概念 本科生畢業(yè) 設(shè)計（論文） 3 隨著各行各業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展和對操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接使用通用交流電網(wǎng)提供的交流電 作為電能源，而是通過各種形式對其進行變換，從而得到各自所需的電能形式。由于自關(guān)斷器件的使用，使得開關(guān)頻率得以提高，使得逆變橋輸出電壓中低次諧波的頻率比較高，因而使輸出濾波器的尺寸得以減小，使得逆變電源的動態(tài)特性及對非線性負載的適應(yīng)性得以提高。自 20 世紀 70 年代后期，各種自關(guān)斷器件模塊相繼實用化，它們包括可關(guān)斷晶閘管（ GTO）、電力晶體管（ GTR） 、功率場效應(yīng)晶體管（ MOSFET）、絕緣柵雙極性晶體管（ IGBT）等。 由于 SCR 在強迫關(guān)斷的損耗比