電壓型逆變電路課程設(shè)計

1、1 主電路設(shè)計逆變電路的作用是將直流電壓轉(zhuǎn)換成梯形脈沖波，經(jīng)低通濾波器濾波后，從而使負(fù)載上得到的實際電壓為正弦波。主電路圖1 卜圖i三相電壓型橋式逆變電路主電路原理分析圖1是采用IGBT作為開光器件的電壓型三相橋式逆變電路，可以看成由三個半 橋逆變電路組成。圖1的直流側(cè)通常只有一個電容就可以了，但為了分析方便， 畫作串聯(lián)的兩個電容器并標(biāo)出假象中點 N。和單相半橋、全橋逆變電路相同， 三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是 180導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo) 電角度為180 ，同一相（即同一半橋）上下兩個臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的 角度依次相差120。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導(dǎo)通?？赡苁?/p>

2、上面 一個臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導(dǎo)通。 因為每次換流都 是在同一相上下兩個橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱為縱向換流工作波形分析和繪制對于U相輸出來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時，Uun Ud 2，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時,UunUd 2。因此，Uun，的波形是幅值為Ud 2的矩形波。V W兩相的情況和U相相似，UvN、UwN的波形形狀和UuN相同，只是相位依次相差120。UUN、Uvn、Uwn的波形如圖2a、b、c所示。UuvUNVNUVWUwu相電壓 變電路 形 負(fù)載線UUV 、17Uwu可圖2三型橋式逆 的工作波電壓uvw 、由下式 求出UuvUUNUVN1uvwUVNuwn圖2d是依照上式畫

3、UwuuwnUUN出的Uuv波形。設(shè)負(fù)載中點N與直流電源假象點N之間的電壓為uNN，,則負(fù)載各相的相電壓分別為UUNUUNUNNUVNUVNUNN把上式各式相加并整uwnUWNUNN理可求得(UUN1UVN1UWN1 )(UUNUVN33UNN 1設(shè)負(fù)載為三相對稱負(fù)載,UWN )則有UUNUVNUWN0，于是13(UUN 1UVN1UWN 1 )UUN1U NN所以uNN1也是矩形波，如圖2e所示，其頻率為4的3倍，幅值為其1/3，即Ud /6。圖2f給出了利用式（2）和式（4）繪出的Uun的波形，Uvn、Uwn的波形形狀和Uun 相同，僅相位依次相差120 。三相逆變輸出的電壓與電流分析類似

4、，負(fù)載參數(shù)已知，以U相為例，負(fù)載的阻抗角 不一樣，iu的波形形狀和相位都有所不同，圖 2g給出的事阻感負(fù)載下 時iu的波形。橋臂1中的V1從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時，因負(fù)載電感中電流不能突變，小橋4中的VD4先導(dǎo)通續(xù)流，待負(fù)載電流降為零，橋臂 4中電流反相 時，V4才開始導(dǎo)通。負(fù)載阻抗角 越大，VD4導(dǎo)通時間越長。在uNN1 0時，iu 0 時為VD1導(dǎo)通，iu 0時為V導(dǎo)通；在uNN1 0時，iu 0時VD4導(dǎo)通，iu 0時 為V4導(dǎo)通。iv、iw的波形與iu形狀相同，相位一次相差1200。將三個橋臂電流相加可得到直流側(cè)電流id。把橋臂1、3、5的電流加起來，就可得到直流側(cè)電流id的波形，如 圖2h

5、所示。可以看出，每隔60脈動一次，而直流側(cè)電壓是基本無脈動的，因 此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的，且脈動的情況和id脈動情況大 體相同。這也是電壓型逆變電路的一個特點。參數(shù)計算下面對三相橋式逆變電路的輸出電壓進(jìn)行定量分析。把輸出線電壓展開成傅里葉級數(shù)得：uuv 亠sin2JUdsin t-(1)ksinn t n n式中，n 6k 1 ,k為自然數(shù)。輸出線電壓有效值Uuv為Uuv22uUV d t 0.816U d0基波幅值UuV1m和基波有效值Uuv1分別為UUV1m1.1Ud ；UUV10.78Ud接下來，我們再對負(fù)載相電壓UUN進(jìn)行分析。把UUN展開成傅里葉級數(shù)得2U111u

6、UN d(sin t sin5 t sin7 t sin 11 t )5711叫 +1 . a=(si nt sinn t)n n式中，n 6k 1，k為自然數(shù)。負(fù)載相電壓有效值Uun為U UN0.471Ud10111t sin5 t sin 7 t sinll t5711基波幅值UuN1m和基波有效值UuN1分別為UN1mU UN12Ud0.637Ud ；11U UN1m0.45U d12在上述1800導(dǎo)電方式逆變器中，我們采用“先斷后通”的方法來防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時導(dǎo)通而引起直流側(cè)電壓短路，使得在通斷信號之間留有一 個短暫的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短要視器件的開關(guān)速度而定， 器

7、件的開關(guān)速度 越快，所留的死區(qū)時間就越短。元件清單管極名二 器器片件BT力容阻波制熱元TG電電電示調(diào)散1 2 3 4 5 & 7審個個個個個個片 a6623111絕緣柵雙極晶體管（IGBT本質(zhì)上是一個場效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間 多了一個P型層。根據(jù)國際電工委員會的文件建議，其各部分名稱基本沿用場 效應(yīng)晶體管的相應(yīng)命名。IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖3所示。它在結(jié)構(gòu)上類似于MOSFET，其不同點在于IGBT 是在N溝道功率MOSFET的N+基板（漏極）上增加了一個P+基板（IGBT的集 電極），形成PN結(jié)j1，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與 MOSFET相似。由圖可以看出，IGBT相當(dāng)于一

8、個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)GTR，其簡化等效電 路如圖3所示。圖中Rdr是厚基區(qū)GTR的擴展電阻。IGBT是以GTR為主導(dǎo)件、 MOSFET為驅(qū)動件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)為：1）IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小；2）在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐 脈沖電流沖擊的能力；3）IGBT的通態(tài)壓降比VDMOSFET氐，特別是在電流較大的區(qū)域；4）與電力MOSFETffi GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同 時可以保持開關(guān)頻率高。2 PWM控制電路設(shè)計PWM控制技術(shù)實際上就是斬波控制技術(shù)，就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，

9、即 是通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效獲得所需要的波形(如正弦波、頻率和幅值)。PWM控制技術(shù)涉及調(diào)制法和控制法兩方面內(nèi)容：就調(diào)制法而言，有 單脈沖調(diào)制和多脈沖調(diào)制；有同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段同步調(diào)制；還有單極性 調(diào)制和雙極性調(diào)制三大類。而就控制法而言，則有等脈寬PWM法、正弦波PWM 法、磁鏈跟蹤PWM法和電流跟蹤PWM法四大類。它在逆變電路中的應(yīng)用最為 廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻?，F(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路，幾乎都是PWM 型逆變電路。所以在設(shè)計逆變電路時，就必須了解并掌握PWM控制技術(shù)及SPWM 波的產(chǎn)生方法。橋式PWM三相電圖4三相 逆變電路 壓 型PWM逆變電路只要實現(xiàn)功能就

10、是將直流電壓變換成交流電壓。圖4中U、V、M三相的PWM控制通常公用一個三角波載波Uc，三相調(diào)制信號4u、Urv、Uw次相差1200。U、V、W各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例。當(dāng)Uru Uc時，給上橋臂V以導(dǎo)通信號，給下橋臂V4以關(guān)斷信號，則U相相對于直流電源假想中點輸出電壓UUN1 Ud/2。當(dāng)Uru Uc時，給 V以導(dǎo)通信號，給Vi以關(guān)斷信號，貝U UUN1 Ud/2。但Vi與V的驅(qū)動信 號始終是互補的，當(dāng)給V( V4)加以導(dǎo)通信號時，可能Vi ( V4)導(dǎo)通，也可能是二極管 VDi(VD4) 續(xù)流導(dǎo)通，這是有阻感負(fù)載中電流方向決定， 這就是三相橋式電路的雙極型調(diào)制特性。由上

11、分析，UUN1的波形是幅值為 U d /2的矩形波，V、M兩相情況跟U相類似。電路的波形如圖 4所示。圖5三相橋式 形PWM逆變電路波仿真Matlab軟件Matlab軟件提供的仿真工具箱 Simulink是一個功能十分強大的仿真軟件，它可 以根據(jù)用戶的需要方便的為系統(tǒng)建立模型，并且十分直觀，仿真精度高，結(jié)果準(zhǔn)確。特別是其電力系統(tǒng)模塊庫PSB中包含了大量的電力電子功能模塊，為我們仿 真提供了極大的便利。Matlab提供了系統(tǒng)模型圖形輸入工具 Simulink工具箱。在Matlab中的電力 系統(tǒng)模塊庫PSB以Simulink為運算環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電 力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基

12、本原件和系統(tǒng)仿真模型。它由以下6個子模塊組成：電源模塊庫、連接模塊庫、測量模塊庫、電力電子模塊庫、電機模塊庫、基 本件模塊庫。在這6個基本模塊庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要還可以組合出常用的、 復(fù) 雜的其他模塊添加到所需的模塊庫中，為電力系統(tǒng)的研究和仿真帶來更多的方 便。建模仿真PWM控制方式下的三相逆變電路主電路如圖 6所示:圖6 三相逆變電路主電路運行仿真圖形，并點擊示波器可得輸出交流電壓，交流電流波形如圖7、圖8所示：圖7 PWM方式下三相交流電壓輸岀波形00.005 O.D1 0.0150.0200250.030.0350 04 0LM5 0.06Time offset 1.4圖8 PWM方式下

13、三相電流輸岀波形從仿真結(jié)果可以得出，本次課程設(shè)計基本達(dá)到任務(wù)要求，三相輸出電壓約為 180V, 40HZ,交流電為正弦波滿足條件。4關(guān)于逆變電路各項注意提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)直流電壓利用率 一一逆變電路輸岀交流電壓基波最大幅值Ulm和直流電壓Ud之比。提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸岀能力；減少器件的開關(guān)次數(shù)可以降低開關(guān)損耗； 正弦波調(diào)制的三相PWM逆變電路，調(diào)制度 a為1時，輸岀相電壓的基波幅值為 Ud2，輸岀線電壓的其原因是正弦調(diào)制信號的基波幅值為（.3 2）Ud，即直流電壓利用率僅為。這個值是比較低的,幅值不能超過三角波幅值，實際電路工作時，考慮到功率器件的開通和關(guān)斷都需要時

14、間，如不采取其他措施，調(diào)制度不可能達(dá)到1。采用這種調(diào)制方法實際能得到的直流電壓利用率比還要低。線電壓控制方式（疊加 3次諧波）并盡量減少器件開關(guān)次對兩個線電壓進(jìn)行控制，適當(dāng)?shù)乩枚嘤嗟囊粋€自由度來改善控制性能。 目標(biāo)一一使輸岀線電壓不含低次諧波的同時盡可能提高直流電壓利用率, 數(shù)。在相電壓調(diào)制信號中疊加 3 次諧波，使之成為鞍形波，輸出相電壓中也含 3 次諧波，且三相的 三次諧波相位相同。合成線電壓時， 3 次諧波相互抵消，線電壓為正弦波。鞍形波的基波分量幅 值大。除疊加 3 次諧波外，還可疊加其他 3 倍頻的信號，也可疊加直流分量，都不會影響線電壓。電路的保護(hù)與散熱對于單相橋式電壓型逆變電路

15、需要對電路提供保護(hù)與散熱，因為電路存在很多不確定的外界因 素，所以要裝過載保護(hù)和短路保護(hù)還有就是過電流保護(hù)。 對于驅(qū)動晶體管需要提供散熱器來讓它 散熱，且晶體管必須隔離。5 結(jié)論PWM 控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都 采用了 PWM 技術(shù)。逆變電路是 PWM 控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場合，隨著全控 型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展， PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。 逆變電路的應(yīng)用相當(dāng)普及， 在已有的各種電源中， 蓄電池、 干電池， 太陽能電池等都是直流電源， 當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時， 就需要逆變電路。 另外交流電機調(diào)速用變頻器、 不間斷電源、 感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置使用非常廣泛，其電路的核心部分都是逆變電路，本文結(jié)合 PWM 控制技術(shù)的原理和一系列的技術(shù)要求， 并通過具體的例子說明了 PWM 逆變電路的工作過程，較 詳細(xì)地總結(jié)了各種 PWM 控制方法的原理，并簡單說明了各種方法的優(yōu)缺點。 PWM 控制技術(shù)以 其控制簡單、 靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛