单相逆变电路的PWM控制设计与研究

扬州大学水利与能源动力工程学院本科生课程设计题 目 单相逆变电路的PWM控制设计与研究课 程 电力电子技术 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 姓 名 指导老师 刘大年 完成日期 2016 年 1 月 1目录1 绪论 .21.1 课程题目 .21.2 设计目的及要求 .21.5 日程安排 .21.6 主要参考书 .22 单相桥式逆变电路 .42.1 电压型逆变电路 .42.2 电流型逆变电路 .63 单相桥式 PWM 逆变主电路设计 .103.1 逆变控制电路的设计 .103.2 正弦波输出变压变频电源调制方式 .124 驱动和保护电路的设计 .144.1 过电流保护 .144.2 驱动电路的设计 .155 仿真实验 .165.1 单相桥式 PWM 逆变主电路原理图 .165.2 单极性控制电路原理图 .165.3 仿真所得波形 .177 小结 .238 参考文献 .2421 绪论1.1 课程题目单相逆变电路的PWM控制设计与研究1.2 设计目的及要求1、通过对单相桥式 PWM 逆变电路的设计，掌握单相桥式 PWM 逆变电路的工作原理，综合运用所学知识，进行单相桥式全控整流电路和系统设计的能力。2、了解与熟悉单相桥式 PWM 逆变电路拓扑，控制方法。3、理解和掌握单相桥式 PWM 逆变电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。4、具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。1.5 日程安排本次课程设计时间共一周，进度安排如下：1、设计准备，熟悉课题设计要求及内容。 （1 天）2、分析控制要求、电路方案设计。 （1 天）3、绘制电路接线图。 （2 天）4、电路分析、计算。 （2 天）5、整理计算书及图纸、写课程设计报告。 （1 天）1.6 主要参考书1、 孙树朴等、电力电子技术（第一版） 、中国矿业大学出版社、19992、邵丙衡、电力电子技术（第一版） 、铁道出版社、19973、王兆安，黄俊、电力电子技术（第四版） 、机械工业出版社、20084、 叶斌、电力电子技术习题集（第一版） 、铁道出版社、199535、赵良炳、现代电力电子技术基础（第一版） 、清华大学出版社、199542 单相桥式逆变电路单相全桥逆变电路主要由逆变电路和控制电路组成。逆变电路包括逆变全桥和滤波电路，其中逆变全桥完成直流到交流的变换滤波电路滤除谐波成分以获得需要的交流电；控制电路完成对逆变桥中开关管的控制并实现部分保护功能。单相桥式逆变电路 S1S4 是桥式电路的 4 个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4 闭合，S2、S3 断开时，负载电压 uo 为正 S1；S1、S4 断开，S2、S3 闭合时，uo 为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。图 2 逆变电路及其波形电阻负载时，负载电流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io 滞后于uo，波形也不同。t1 前：S1、S4 通，uo 和 io 均为正。 t1 时刻断开 S1、S4，合上S2、S3，uo 变负，但 io 不能立刻反向。 io 从电源负极流出，经 S2、负载和 S3 流回正极，负载电感能量向电源反馈，io 逐渐减小，t2 时刻降为零，之后 io 才反向并增大 2.1 电压型逆变电路2.1.1 电压型逆变电路的特点：1、直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。2、交流侧输出电压为矩形波，输出电流和相位因负载阻抗不同而不同。3、阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，5逆变桥各臂并联反馈二极管。2.1.2 单相全桥逆变电路的移相调压方式：共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通 180。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压 Ud 来实现。阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压 移相调压。V3 的基极信号比 V1 落后 （0180 ） 。V 3、V 4 的栅极信号分别比 V2、V 1 前移 180 。 输出电压是正负各为 的脉冲。改变 就可调节输出电压。故移相调压就是调节输出电压的脉宽。tOtOtOtOtOb)G1uG2uG3uG4uoiot1 t2t3iouo62.1.3 带中心抽头变压器的逆变电路交替驱动两个 IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。 Ud 和负载参数相同，变压器匝比为 1：1：1 时， uo 和 io 波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。此电路与全桥电路的比较：1）比全桥电路少用一半开关器件。2）器件承受的电压为 2Ud，比全桥电路高一倍。3）必须有一个变压器 。图 2.1 带中心抽头变压器的逆变电路2.2 电流型逆变电路2.2.1 电流型逆变电路主要特点：1、直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。2、交流侧输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位因负载不同而不同。3、直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。换流方式有负载换流、强迫换流。2.2.2 单相电流型逆变电路7图 2.2 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路此电路的工作原理如下：1、由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。2、工作方式为负载换相。3、电容 C 和 L、R 构成并联谐振电路。4、输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。5、负载电路对基波呈现高阻抗而对谐波呈现低阻抗，故负载电压波形接近正弦波。工作分析一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段1、t 1t2：VT 1 和 VT4 稳定导通阶段，i =Id，t 2 时刻前在 C 上建立了左正右负的电压。t2t4： t2 时触发 VT2 和 VT3 开通，进入换流阶段。2、L T 使 VT1、VT 4 不能立刻关断，电流有一个减小过程。VT 2、VT 3 电流有一个增大过程。3、 4 个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。4、 LT1、VT 1、VT 3、L T3 到 C；另一个经 LT2、VT 2、VT 4、L T4 到 C。5、i 在 t3 时刻，即 iVT1=iVT2时刻过零，t 3 时刻大体位于 t2 和 t4的中点。6、t= t 4时，VT 1、VT 4 电流减至零而关断，换流阶段结束。t 4-t2= t 称为换流时间。8tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3 iTioIdt1t2t3t4 t5t6 t7tu otuABttIdiVT 1,4iVT 2,3uVT 2,3uVT 1,4图 5 并联谐振式逆变电路工作波形2.2.3 保证晶闸管的可靠关断及有关参数计算。晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使 VT1、VT 4 承受一段反压时间 t， t = t5- t4 应大于晶闸管的关断时间 tq。为保证可靠换流，应在 uo 过零前 t = t5- t2 时刻触发 VT2、VT 3 。 . t 为触发引前时间 ： io 超前于 uo 的时间 ： 表示为电角度 ： 为电路工作角频率；、 分别是对应的电角度。t2t 2t9忽略换流过程， io 可近似成矩形波，展开成傅里叶级数：基波电流有效值 ： 负载电压有效值 Uo 和直流电压 Ud 的关系（忽略 Ld 的损耗，忽略晶闸管压降）： 实际上如中频加热过程中，感应