單極性SPWM逆變電路電力電子課設(shè)

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 單極性 SPWM 單相橋式逆變電路的設(shè)計(jì)與仿真 院、 部： 電氣信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 李旺 指導(dǎo)教師： 楊萬(wàn)里職稱助教 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 1401 班 學(xué) 號(hào)： 1430740107 完成時(shí)間： 2017.6 湖南工學(xué)院電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課題任務(wù)書(shū) 指導(dǎo)教師 楊萬(wàn)里 學(xué)生姓名 李旺 課題名稱 單極性 SPWM 單相橋式逆變電路的設(shè)計(jì)和仿真 內(nèi) 容 及 任 務(wù) 一、 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)單極性 SPWM 單相橋式逆變電路，已知直流輸入電壓 100V，負(fù)載 自擬，要求交流輸出電壓頻率為 50Hz，并仿真載波比 N = 15 和 33，調(diào)制度a 為 0.5 和1

2、時(shí)相關(guān)波形。 二、 設(shè)計(jì)內(nèi)容 1、 關(guān)于本課程學(xué)習(xí)情況簡(jiǎn)述； 2、 主電路的設(shè)計(jì)、原理分析和器件的選擇； 3、 控制電路的設(shè)計(jì)； 4、 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)； 主要參考資料 1 王兆安電力電子技術(shù)M.第四版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.1. 2 賈立柱，劉曉龍.基于 MATLAB 的升降壓斬波電路的仿真.北京：華北 電力大學(xué)，2001. 3 曲永印.電力電子技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013. 4 陳治明.電力電子器件基礎(chǔ)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992. 教 研 室 意 見(jiàn) 教研室主任：（簽字） 年 月曰 學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)：自動(dòng)化 20世紀(jì)80年代以來(lái)，信息電子技術(shù)和電力電

3、子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上 相結(jié)合而產(chǎn)生了一代高頻化、全控型的電力電子器件，典型代表有門極可關(guān)斷晶 閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極型晶體管。 逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合。這里在研究單相橋式 PWM逆變電路的理論基礎(chǔ)上，采用 Matlab的可視化仿真工具Simulink建立單 相橋式單極性控制方式下PWM逆變電路的仿真模型，通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真，研究了調(diào) 制深度、載波度對(duì)輸出波形的影響。仿真結(jié)果表明建模的正確性，并證明了該模 型具有快捷、靈活、方便、直觀等一系列特點(diǎn)，從而為電力電子技術(shù)教學(xué)和研究 中提供了一種較好的輔助工具。 關(guān)鍵詞：PWM控制技術(shù)；逆變電路；單極性 SPW

4、M ； SimulinkAbstract Since 1980s, the electr onic in formati on tech no logy and power electr onics tech no logy comb ined to produce a gen erati on of high freque ncy phase in their developme nt, full con trolled power electro nic devices, a typical gate turn off thyristor, power tran sistor, power

5、 MOSFET and in sulated gate bipolar tran sistor. The inverter circuit is one of the most important applications of PWM control tech no logy. Here in the theoretical basis of the sin gle-phase bridge inv erter circuit of the PWM, the simulation model of PWM inverter using Matlab visual simulation too

6、l Simuli nk to establish the sin gle-phase bridge un ipolar con trol mode, through dyn amic simulation, studied the modulation depth, the carrier frequency of the output voltage. In flue nee of load curre nt; and an alyzes the harm onic characteristics of output voltage, load current. The simulation

7、 results show that the model is correct, and it is proved that the model is fast, flexible, convenient, intuitive and a series of characteristics, so as to power electr onic tech no logy teach ing Study and research provides an effective tool. Key words: PWM con trol tech no logy; inv erter circuit;

8、 SPWM waveform; Simuli nk1 緒言 . 1 1.1電力電子技術(shù)的概況. 1 1.2課程學(xué)習(xí)情況簡(jiǎn)介 . 1 1. 3設(shè)計(jì)要求及總體方案設(shè)計(jì) . 2 2 主電路設(shè)計(jì) . 3 2. 1主電路原理圖及原理分析 . 3 2. 2器件選擇及參數(shù)計(jì)算 . 4 3控制與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) . 5 3. 1控制電路設(shè)計(jì). 5 3. 2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) . 6 4保護(hù)電路設(shè)計(jì) . 7 4. 1過(guò)電流保護(hù) . 7 4. 2過(guò)電壓保護(hù) . 7 5 仿真分析 . 8 5. 1仿真軟件介紹. 8 5. 2仿真模型的建立 . 8 5. 3仿真結(jié)果分析 . 10 6 設(shè)計(jì)總結(jié) . 13 參考文獻(xiàn) . 14 致

9、謝 . 15 附錄 . 161 緒言 1.1 電力電子技術(shù)的概括 隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展， 逆變電路的應(yīng)用非常廣泛， 蓄電池、 干電 池、太陽(yáng)能電池等都是直流電源， 當(dāng)我們使用這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)， 就需 要用到逆變電路了。另外，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速用變頻器，不間斷電源，感應(yīng)加熱電 源等電力電子設(shè)備使用非常廣泛， 其電路的核心部分都是逆變電路。 有人甚至說(shuō)， 電力電子技術(shù)早起曾處于整流器時(shí)代，后來(lái)則進(jìn)入逆變器時(shí)代。 隨著各行各業(yè)對(duì)電氣設(shè)備控制性能要求的提高， 逆變電路在許多領(lǐng)域獲得了 越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。下面例舉的是其幾個(gè)方面的主要應(yīng)用。 （1）光伏發(fā)電 能源危機(jī)和環(huán)境污染是目前全世界面臨的重

10、大問(wèn)題， 開(kāi)發(fā)利用新能源和可再 生能源是 21 世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具有決定性影響的技術(shù)之一，充分開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng) 能世界各國(guó)可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策， 其中光伏發(fā)電最受矚目。 太陽(yáng)能光伏發(fā) 電就是將由太陽(yáng)電池陣列產(chǎn)生的直流電， 通過(guò)逆變電路變換為交流電供給負(fù)載或 并入電網(wǎng)，供用戶使用。 （2）不間斷電源系統(tǒng) 在通信設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等對(duì)電源持續(xù)供電要求高的設(shè)備中都需要采用不間斷 電源UPS UPS的主要構(gòu)件有充電器和逆變器。在電網(wǎng)有電時(shí)，充電器為蓄電池 充電，負(fù)載由電網(wǎng)供電； 在電網(wǎng)停電時(shí)， 逆變器將蓄電池提供的直流電逆變成交 流電供給用電設(shè)備。 （3） 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速 采用逆變技術(shù)將普通交流電網(wǎng)電

11、壓變化成電壓、 頻率都可調(diào)的交流電， 供給 交流電動(dòng)機(jī)，以便調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 （4） 直流輸電 由于交流輸電架線復(fù)雜、 損耗大、電磁波污染環(huán)境， 所以直流輸電是一個(gè)發(fā) 展方向，首先把交流電整流成高壓直流電， 再進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送， 然后再逆變成交 流電供給用電設(shè)備。 （5） 風(fēng)力發(fā)電 風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)因受風(fēng)力變化的影響， 發(fā)出的交流電很不穩(wěn)定， 并網(wǎng)或供給用電 設(shè)備都不安全， 可以將其整成直流， 然后再逆變成比較穩(wěn)定的交流， 就能安全的 并到交流電網(wǎng)上或直接供給用電設(shè)備。 1. 2 課程學(xué)習(xí)情況簡(jiǎn)介 通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，對(duì)電力電子技術(shù)有了初步的了解和認(rèn)識(shí)， 主要體現(xiàn)在以 下四大方面： 第一，電力電子器件

12、的學(xué)習(xí)。包括電力二極管，普通晶閘管，以門極關(guān)斷晶 閘管、雙極晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管為代表的全控型器件。 第二，基本電力電子電路的學(xué)習(xí)。整流電路，逆變電路，直流 -直流變流電 路，交流-交流變流電路。 第三，PWM技術(shù)和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。其中PWM技術(shù)是本課程設(shè)計(jì)的重要理論 基礎(chǔ)。 第四，電力電子裝置的應(yīng)用。 1. 3 設(shè)計(jì)要求及總體方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)一個(gè)單極型SPWM單相橋式逆變電路，已知直流輸入電壓 100V，負(fù)載 自擬，要求交流輸出電壓頻率為50Hz,并仿真載波比N= 15和33,調(diào)制度a為 0.5和1時(shí)相關(guān)波形。 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和以 電力電子器件為核心

13、的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。 由信息電子電路組成的控制電路按 照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的 導(dǎo)通或者關(guān)斷來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能，當(dāng)控制電路所產(chǎn)生的控制信號(hào)能夠足以驅(qū) 動(dòng)電力電子開(kāi)關(guān)時(shí)就無(wú)需驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)功能要求，該系統(tǒng)應(yīng)包括逆變主電路、 SPWM信號(hào)產(chǎn)生電路、過(guò)電流保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電路、直流穩(wěn)壓電源和濾波輸出電路 等模塊，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。 圖 1 總體設(shè)計(jì)方案框圖 2主電路的設(shè)計(jì) 2. 1 主電路原理圖及原理分析 圖2所示是采用IGBT為開(kāi)關(guān)器件的單極型SPWM單相橋式逆變電路的原 理圖： 圖 2 單極型 SPWM 單相橋式逆變電路原理圖 該電路的基本工作原

14、理： V1和V 2通斷狀態(tài)互補(bǔ)，V 4和V 3通斷狀態(tài)也互 在Ur和Uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。Ur正半周，Vi保持通，V 保持 斷。當(dāng)Ur Uc時(shí)使V4通，V3斷，Uo Ud。當(dāng)Ur Uc時(shí)使V4斷，V3通，U。0。 Ur負(fù)半周，V2保持通，V 1保持?jǐn)?。?dāng)Ur Uc時(shí)使V3通，7 4斷，U。 Ud ；當(dāng) Ur Uc時(shí)使V3斷，V4通，Uo 0。這樣就得到了單極性的SPWM波形。 2. 2 器件選擇與參數(shù)分析 2.2. 1器件選擇 （1） 電力電子器件的選擇 考慮安全裕度則IGBT的額定電壓為2-3倍峰值電壓，所以額定電壓可為 200V-300V,額定電流22A-33A。選擇IGBT的

15、型號(hào)為IRH4PC40U， 其額定電壓 為600V，額定電流為40A。 選擇續(xù)流二極管的型號(hào)為 HFA25TB60，其額定電壓為600V，額定電流25Aask) (lirik) Ideal DC vultafe source. ParaneterE Amplitude (V：: IOO| Heasurevents None 控制電路仿真圖如圖8所示: 具體參數(shù)設(shè)置如下: 圖 9 電壓參數(shù)設(shè)置 (2)電阻R值設(shè)為7Q,電感L值設(shè)為14*e-3H，如圖10所示。 Block Parameters： Rl X Series KLC Branch (link) Inqileneiits a serie

16、s branch of RLC elements. Use the 3 Bumch type* parameter to wdd or remove el events from the bunchH Paramsters Branch tyri 肛匚 T esit-aiLce (Okn?); * ” Induct, ance (H): 14*le-3 I I Set. ths initial inductor current Cpacit-ance F)； 圖 10 電阻，電感參數(shù)設(shè)置5. 3 仿真結(jié)果分析 (1)當(dāng)調(diào)制度m=0.5,載波比N=15時(shí)，觸發(fā)脈沖波形如圖11所示，單極性SPWM

17、 方式下的逆變電路輸出波形如圖12所示： File Took Vieu Sinnjlahtn Hep t T TraGE Se leulion 7 X Sine Wave 1 T Cui soi IM htisui ements 巾 x settings T M?33Uf&nwnts Time Valus 11 4(B 1 4 974-01 2； 4.0S5 W3e-0l AT 20.243 ms AY 2 上 34e-曲 T/S 1/iT 49 400 Hz AY MT 12：.當(dāng)曲豈 圖 11 m=0. 5，N=15 時(shí)觸發(fā)脈沖波形 Scopel 口 X File TDOI IS

18、Sin uldLion Help 圖 12 m=0.5，N=15 時(shí)輸出波形 (2)當(dāng)調(diào)制度m=0.5,載波比N=33時(shí)，觸發(fā)脈沖波形如圖13所示，單極性SPWM 方式下的逆變電路輸出波形如圖14所示： X Pre duel T Trace Selection Time Value 4.&5fifO1 11 272S 2745 AT 19.550 ma AY 工&吃胡 1 1 /AT $11S1 Hz 13.3E9(/a) * * Cui&ruf Sellmgib * f/sasuremeits 圖 13 m=0.5，N=33 時(shí)觸發(fā)脈沖波形 圖 14 m=0. 5，N

19、=33 時(shí)輸出波形 (3)當(dāng)調(diào)制度m=1，載波比N=15時(shí)，觸發(fā)脈沖波形如圖15所示，單極性SPWM 方式下的逆變電路輸出波形如圖16所示： 圖 16 m=1，N=15 時(shí)輸出波形 圖 15 m=1，N=15 時(shí)觸發(fā)脈沖波形 * Seeped Rik Toole Uiwf Sirnulition Help 補(bǔ)嚼苫一丸匚5 * Cunor M caMirGmentfi Sen nys vMMSUOirKjrts Time Vgkig 11 2-752 b.Ollel 2 im T,75Qe-01 AT 2O.TG5ms iV 2 739(01 MAT 49.fS2H; AY MT 口 582 閥

20、Hl. ooli 常fw siini.laror Hflp nis Sellin ys T kkasuTieds _ne 2.725 也T 15.550 ms iY (4)當(dāng)調(diào)制度m=1，載波比N=33時(shí)，觸發(fā)脈沖波形如圖17所示，單極性SPWM 方式下的逆變電路輸出波形如圖18所示： 圖 18 m=1，N=33 時(shí)輸出波形 圖 17 m=1，N=33 時(shí)觸發(fā)脈沖波形 Scopel 二 X File Tools V?cw Sirmilflsn Help 9 -港 14豈”百 t T Troc Seteclicn 丁 x Cursor MeoAUTements 朿址 SeHioQs * Mu(

21、(em ris Time Value 11 2.725 4 556e-0l 2； ?745 7JG8e-ai HT 13.550 m AY 26121 T/S 1 / AT 51 151 Hz AY MT 13 359 (嗎 喘*|浄.語(yǔ)* r * Cursor MeMiir&menrs 雖 x Seiring G： Tiime Wils 11| 2 rs? Te-01 2! 2772 4(K1e-01 fiT 20.165 AY 4.0a3s-0l VAT +9 5 唸 Ft AY/ AT 20-2S3(JS PrariucJ 仿真結(jié)果分析：輸出電壓為單極性的 SPWM波，脈沖寬度變

22、化符合正弦波 變化規(guī)律，輸出電流變化規(guī)律接近正弦波。由以上仿真波形圖對(duì)比可知，當(dāng)調(diào)制 度m不變時(shí)，載波比N越大時(shí)，負(fù)載電流的正弦度越好；由仿真波形圖可知， 當(dāng)載波比N不變時(shí)，調(diào)制度m越大時(shí)，負(fù)載電流的正弦度越好。由此可見(jiàn)，適 當(dāng)增大載波比和調(diào)制度，可有效減小輸出電流和輸出電壓的諧波分量。 6. 設(shè)計(jì)總結(jié) 回顧起此次電力電子課程設(shè)計(jì)， 至今我仍感慨頗多，從選題到定稿，從理論 到實(shí)踐，在整整兩星期的日子里，遇到了許許多多的困難，在克服困難的過(guò)程中， 不僅鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的， 只有理論知識(shí)是遠(yuǎn) 遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)， 從理論中得出