【導(dǎo)讀】安裝使用以及維修維護(hù)等方面，也給使用者帶來(lái)了極大的益處。課題研究的單相交-直-交變頻電路設(shè)計(jì)主要分為主電路和控制電路兩部分，則需要用到控制電路，控制電路分為控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路。的交流正弦波輸出；逆變部分選用四個(gè)IGBT管組成的單相橋式逆變電路。M57962L；保護(hù)電路選用雙D觸發(fā)器CD4013。用MATLAB軟件仿真出設(shè)計(jì)的。相關(guān)措施使最后輸出的波形接近正弦波。

　　

【正文】 真 運(yùn)用 MATLAB 對(duì)交流電源與經(jīng)過(guò)橋式整流之后的電壓信號(hào)進(jìn)行仿真之前，對(duì)量電壓的波形進(jìn)行理論分析： 第 4 章 MATLAB 的仿真與分析 23 單相橋式全控整流電路中， 晶匣管 VT1和 VT4組成 一對(duì)橋臂， VT2和 VT 3組成另一對(duì)橋臂，在 u2正半周，若 4 個(gè)晶匣管均不導(dǎo)通，負(fù)載電流為零，輸出電壓 U 也為零， VT VT4串聯(lián)承受電壓 u2，設(shè) VT1和 VT4漏電阻相等，則各承受 u2的一半。若在觸發(fā)角 ? 處給 VT1和 VT4加觸發(fā)脈沖， VT1和 VT4即導(dǎo)通，電流從電源 ? 端經(jīng) VT R、 VT4 流回電源另一端。當(dāng) u2 過(guò)零時(shí)，流經(jīng)晶匣管的電流也降到零， VT1 和 VT4 關(guān)斷。晶匣管承受的最大正向電壓和最大反向電壓的值分別為 * 2 u2和 2 u2。在 u2負(fù)半周，仍在觸發(fā)延遲角 ? 處出發(fā) VT2和 VT 3， VT2 和 VT3 導(dǎo)通，其電流電壓情況與正半周情況相同。并且按照 此種規(guī)律循環(huán)往復(fù)的工作下去，在此種原理規(guī)律下可以計(jì)算出以下公式（ 41） 。 橋式整流輸出電壓： 2c o 2d ??? UU (41) 經(jīng)過(guò)濾波之后，電壓會(huì)上升，其實(shí)際值接近 200V。整流與濾波兩信 號(hào)的MATLAB 仿真波形記錄如下圖 48 所示。 圖 48 整流與濾波仿真圖 由上圖可以看出整流輸出的是脈動(dòng)的直流電壓波形，通過(guò)濾波電路，將其變成紋波較小的直流電壓。 第 4 章 MATLAB 的仿真與分析 24 逆變輸出電壓與仿真 電壓型全橋逆變電路的原理圖在上章的基礎(chǔ)電路中已經(jīng)給出，它共有四個(gè)橋臂，可以看成是由兩個(gè)半橋電路組合而成。把橋臂 1 和 4 作為一對(duì)，橋臂 2和 3 作為一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替導(dǎo)通 180 度，其輸出電壓如公式 42 所示。 t . . . )s in51ts in31ts in(4 d0 ???? ??? UU (42) 其中，基波的 幅值 U01m和基波有效值 U01分別為公式 4 44 所示。 ddm UUU ?? ? (43) dd UUU ?? ? (44) 由于輸出的電壓由開(kāi)關(guān) 管的開(kāi)通與關(guān)斷頻率決定的，所以輸出電壓為無(wú)數(shù)的寬度極小的矩形波組成，在 MATLAB 中，逆變電路輸出電壓頻率有 PWM 脈沖觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置。其參數(shù)設(shè)置如下圖 49 所示。 圖 49 PWM 脈沖觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置 第 4 章 MATLAB 的仿真與分析 25 在 PWM 控制電 路中，載波頻率 fc 與調(diào)制 頻率 fr之比rcff?N 稱為載波比。通過(guò)載波與信號(hào)波能否同步以及載波比 變化 的 情況， PWM 的調(diào)制方法能夠分成異步調(diào)制與 同步調(diào)制兩種 方法。 本設(shè)計(jì) 采用異步調(diào)制的方法。載波的信號(hào)與調(diào)制 的信號(hào)沒(méi)有維持 同步的調(diào)制方法 叫做異步調(diào)制。異步調(diào)制方法里，大多將載波頻率 fc 固定不 發(fā)生 變 化，因此若 信號(hào)波 的 頻率 fr變化 的 時(shí) 候 ，載波比 N 就會(huì)變化。于此同時(shí)，于 信號(hào)波的半 個(gè)周期 以 內(nèi)， PWM 波 脈沖 的 個(gè)數(shù)不 是 固定不變的，相位也不是 固定 不變的，正負(fù)半周的脈沖就不會(huì) 對(duì)稱 ，半周期 以 內(nèi) 四分之一 的 周期脈沖也不是 對(duì)稱 的 。載波比 N 的大小會(huì)影響輸出波形，若 信號(hào)波 頻率較低 ，載波比 N 較大，一周期內(nèi)的脈沖數(shù) 量較多，正負(fù)半周期不對(duì)稱以及半周期內(nèi) 四分之一 周期的脈沖不對(duì)稱 所 產(chǎn)生的不利影響都 比 較小， PWM 波形近似正弦波。若信號(hào)波的頻率增大 ，載波比 N 減小，一周期內(nèi)脈沖數(shù)減小， PWM脈沖不對(duì) 稱的影響就 會(huì) 變大，有 的 時(shí) 候信號(hào)波的微小改變 還會(huì)產(chǎn)生 PWM 脈沖的跳動(dòng)。這就 會(huì) 使輸出 的 PWM 波形和正弦波的差距 較大。因此，在采用異步調(diào)制方式的時(shí)候，采用較高的載波頻率，以使得信號(hào)頻率較高時(shí)仍能保持較大的載波比，輸出波形更可能接近正弦波 。 參數(shù)中，占空比的大小能夠 影響輸出的 電壓的大小， 占空比即 一個(gè)脈沖周期內(nèi)高電平的所整個(gè)周期占的比例 。 占空比的大小在 01 之間，一般設(shè)置為 逆變輸出電壓波形如圖 410 所示。 圖 410 逆變電壓輸出波形 第 4 章 MATLAB 的仿真與分析 26 除此之外 ， 采樣理論里 有一個(gè) 非常重要的結(jié)論：沖量相等但是形狀不相同的窄脈沖加在擁有慣性 環(huán)節(jié)上 的 時(shí) 候，它們的效果大致相同，沖量就是指窄脈沖的面積。這里邊所說(shuō)的效果大致 相同， 也就是 指 在 環(huán)節(jié) 上 輸出 的 相應(yīng) 的波形大致 相同。如果把脈沖序列運(yùn)用相等量的等幅但是 寬 度不等的矩形脈沖替代，把 矩形脈沖的中點(diǎn)以及 相 對(duì) 應(yīng) 的 正弦波部分的中點(diǎn) 相互 重合， 并讓 矩形波 的脈沖以及 相 對(duì) 應(yīng)的正弦波部分 的面積相同就可以獲 到相 對(duì)應(yīng)的脈沖序列，也 就是PWM 波 ?？梢钥闯?，各 個(gè)脈沖的幅值相同，但是寬度卻是根據(jù) 正弦 波的規(guī)律變化的。利用 面積 的等效定理 ， PWM 的波形與 正弦波 就是 效 果相同的。 正弦波的負(fù)半周，也 同樣能夠用此 方法 獲得 PWM 波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱 SPWM 波形。 圖 49 中設(shè)置的輸出的信號(hào)波的頻率為 50Hz，由圖 410 可知輸出電壓的正弦周期為 ，頻率即為 50Hz，與分析的 理論值一致，可得，此交流變頻仿真得到了正確的結(jié)果，仿真系統(tǒng)可行。 經(jīng)過(guò)濾波電路，可以得到正弦波輸出， 以負(fù)載為純電阻負(fù)載為例 如圖 411所示。 圖 411 逆變?yōu)V波輸出波形 負(fù)載對(duì)波形的影響 研究不同種類的負(fù)載對(duì)輸出波形的影響，主要比較純電阻負(fù)載和電阻電感負(fù)載（阻感）的波形。 逆變部分的仿真電路圖如圖 412 所示。 第 4 章 MATLAB 的仿真與分析 27 圖 412 PWM 逆變仿真電路 純電阻負(fù)載： 負(fù)載參數(shù)設(shè)置如圖 413 所示，設(shè)置 R=100? 。 圖 413 純電阻負(fù)載參數(shù)設(shè)置 此時(shí) 輸出 電流電壓波形如圖 414 所示。 第 4 章 MATLAB 的仿真與分析 28 圖 414 純電阻負(fù)載電流電壓輸出波形 電阻電感負(fù)載 負(fù)載參數(shù)設(shè)置如圖 415 所示。設(shè)置 R=100? ,L=100H。 圖 415 阻感負(fù)載參數(shù)設(shè)置 此時(shí)輸出電流電壓波形如圖 416 所示。 第 4 章 MATLAB 的仿真與分析 29 圖 416 阻感負(fù)載電流電壓輸出波形 由此，可以直觀的看出，當(dāng)負(fù)載是純電阻負(fù)載時(shí)，電流與電壓的相位相同，當(dāng)負(fù)載為電阻電感 （阻感）負(fù)載時(shí)，電流與電壓的相位發(fā)生了改變。因此可以得出負(fù)載類型的不同可以影響電流與電壓的相位。 致謝 30 第 5 章 總結(jié)與展望 課題 單相交直交變頻電路由兩部分組成，交流 電源轉(zhuǎn)化為 直流 是整流環(huán)節(jié)，選 用 了不可控的整流二極管 電路，直流 電源 側(cè) 則選用電容和電感來(lái)濾波，能夠獲得比較平直的直流電壓。這個(gè)環(huán)節(jié) 結(jié)構(gòu) 相對(duì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠， 性能 也符合設(shè)計(jì)的需求。直流轉(zhuǎn)化為 交流 即是逆變部分，選 用 了 單相橋式逆變電路， PWM 控制，輸出電壓的大小及頻率均可通過(guò) PWM 控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于中間直流環(huán)節(jié)為電容濾波，因此選用電壓型逆變電路。 PWM 控制技術(shù) ，也就是 脈沖 的寬度調(diào)制方式，就是利用對(duì)脈沖的寬度來(lái)調(diào)制，獲得等效的所需 波形。 PWM 控制 方式在逆變電路里應(yīng)用最為寬泛，現(xiàn)在技術(shù) 中小功 率的逆變 都 大多都選 用 PWM 控制的方式 。逆變電路 中 PWM 控制技術(shù)的影響非常深遠(yuǎn) 。 PWM 的控制的方式能夠分成三種，也就是計(jì)算法、調(diào)制法以及跟蹤控制法。這 中 間，最為常用和基本的一種方法是調(diào)制法，調(diào)制法里 最 為基礎(chǔ)的就是通過(guò)三角載波和正弦信號(hào)波來(lái)比較進(jìn)行調(diào)制 ， 其中可以分成單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制。本設(shè)計(jì)為 單相橋式 逆變電路既能夠選用單極性調(diào)制，又能夠選用雙極性調(diào)制。在本設(shè)計(jì)里，選用 雙極性 的 PWM 調(diào)制方式。選用雙極性 PWM 調(diào)制技方式的 時(shí) 候，是把希望得到的正弦輸出波形當(dāng)作 信號(hào)波，而用三角波當(dāng)作載波，把信號(hào)波和載波來(lái) 比較，在兩波相交的 時(shí)刻控制各 個(gè) 開(kāi)關(guān)的通斷。 PWM 控制方式因?yàn)樗目刂品奖沆`活以及 動(dòng)態(tài)響應(yīng) 較優(yōu)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng) 成為電力電子技術(shù) 里最寬泛利用的控制方法 ， 也成為了 人們 的研究 熱點(diǎn) 。 因?yàn)槿缃竦目茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展已然沒(méi)有學(xué)科間的締結(jié) ， 集合 現(xiàn)代 的控制 思想 理論或者實(shí)現(xiàn)沒(méi)有 諧振 的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)即將 會(huì) 變成 PWM 控制方式發(fā)展的重要 方向之一。 致謝 31 致謝 大學(xué)四年學(xué)習(xí)時(shí)光 有如白駒過(guò)隙般地 接近 了尾聲，我的母校，我的 父母，以及我的同學(xué)們， 我 想由衷地表示我的謝意。首先謝 謝我的家人 們，你們 對(duì)我大學(xué) 這 四年 來(lái)學(xué)習(xí)的背后 支持； 其次謝 謝我的母校 ，你 給了我在大學(xué)四年良好學(xué)習(xí) 的平臺(tái) ，讓我能 夠不斷地 提高 自己 ； 最后 感謝班主任老師和 我的 同學(xué)們 這四年來(lái)對(duì)我的關(guān)心 鼓勵(lì)。老師們 在上課時(shí)的激情洋溢，課后對(duì)我們的諄諄教誨以及同學(xué)們學(xué)習(xí)中的認(rèn)真熱枕，生活里的 互相 關(guān)心熱愛(ài)，這些點(diǎn)點(diǎn)滴滴都使 我的四年充滿了感激 。這 一 次 的畢業(yè) 設(shè)計(jì)我 也得到了很多老師與 同學(xué) 們的幫助，這里 我的論文指導(dǎo)老師 張 老師對(duì)我的關(guān)心與支持尤其的 重要。 感謝張老師對(duì)我的疑問(wèn)熱心地解答與糾正 ，從 畢業(yè) 設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從 查閱資料，到開(kāi)題報(bào)告的確定，后 期說(shuō)明書(shū) 的 格式的修改等各個(gè)方面中都給予了我?guī)椭?。同時(shí)，本片畢業(yè)設(shè)計(jì)也得到了同學(xué)們的熱情幫助，感謝畢業(yè)設(shè)計(jì)期間給予我?guī)椭耐瑢W(xué)們，以及這四年來(lái) 各個(gè)方面給予過(guò)我?guī)椭?小伙伴們，在此，我再一次真誠(chéng)地向你們 表示感謝！ 參考文獻(xiàn) 32 參考文獻(xiàn) [1]范 宇 ,楊 君 .采用 IGBT 的單相 PWM 型逆變器實(shí)驗(yàn)裝置 .實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 1998:1025 [2]李序葆 ,趙永健 .電力電子器件及其應(yīng)用 .北京 :機(jī)械工業(yè)出版社， 1996:3247 [3]王兆安 ,黃 俊 .電力電子變流技術(shù)，第四版 .北 京 :機(jī)械工業(yè)出版社， 2020:43165 [4]陳治明 .電力電子器件基礎(chǔ) .北京 :機(jī)械工業(yè)出版社， 1992:1550 [5]趙可斌 ,陳國(guó)雄 .電力電子變流技術(shù) .上海 :上海交通大學(xué)出版社， 1993:56124 [6]林渭勛主編 .電力電子電路 .杭州 :浙江大學(xué)出版社， 1986:2372 [7]吳安順等 .最新實(shí)用交流調(diào)速系統(tǒng) .北京 :機(jī)械上業(yè)出版社， :1041 [8]吳忠智，昊家林 .變頻器應(yīng)用手冊(cè) .北京 :機(jī)械工業(yè)出版社， 1995:5662 [9]吳安順等 .最新實(shí)用交流調(diào)速系統(tǒng) .北京 :機(jī)械上業(yè)出版 社， :104152 [10]吳竟昌，孫樹(shù)勤，宋文南等 .電力系統(tǒng)諧波 .北京 :水力電力出版社， 1998:121130 [11]王鳳翔 .交流電機(jī)的非正弦供電 .機(jī)械工業(yè)出版社 .1997:112113 [12]李華德 .現(xiàn)代交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) .北京 :石油工業(yè)出版社 . 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