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三相pwm逆变器的研究与设计,三相,pwm,逆变器,研究,设计
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本科生毕业论文(设计)调研报告题 目：三相pwm逆变器的研究与设计 学生姓名： 朱 翔 学 号： 200716010221 专业班级： 自动化 07102班 指导教师： 敖 章 洪 完成时间： 2010年12月31日 三相pwm逆变器的研究与设计一、 主要目标任务：综合运用所学知识，如模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理、微机原理、单片机原理与应用，设计一个三相软开关pwm逆变器。1）对以前所学知识进行系统的复习，全面的综合并将其联贯。2）学会了独立的分析和解决问题和进行相关社会调查的能力3）学会了查阅文献的方法和培养查阅文献的良好习惯。4）提高专业相关外文的阅读、翻译能力。提高专业英语水平。5）提高编写程序的水平，优化软件结构。提高电脑绘图水平。二、 技术性能指标：1）温度控制在0100度（水温），误差为0.5。C。2）输出电流最大为20A，超过20A关闭触发器；3）要有触发电路的仿真波形；三、 简要工作原理本系统由主回路和控制回路构成，主回路为三相电流型桥式逆变器，控制回路以87C196MC单片机为波形发生器，结合IGBT驱动电路、IGBT保护电路、人机接口单元、电源电路等，组成一个三相PWM逆变器系统。在此系统中，波形发生器获得PWM波形，再由IGBT驱动电路将输入信号转变为6路输出脉冲驱动IGBT控制同一个周期中电子开关的闭合时间，以达到控制的目的。IGBT保护电路保护主电路中的IGBT功率器件免受出现故障时的损失。人机接口单元使与系统进行通讯更简便、更快捷。四、 课题文献综述1、一种三相软开关逆变器的特性分析与仿真研究1） 作者：孟岩峰、许春雨、宋建成2） 摘要阐述了一种基于交流谐振环节的三相PWM逆变器零电压转换(ZVT)拓扑电路的工作特性及其控制方法，在该ZVT软开关拓扑电路的基础上，深入研究了逆变器的换向过程，重点讨论了辅助谐振电路的工作特性及谐振电感换流过程，并针对辅助谐振电感反向恢复问题，提出了采用基于谐振电感电流反馈的谐振周期控制算法，仿真结果验证了理论研究的正确性。3） 引言如今电力电子装置正朝着高频化、大容量方向发展，但是开关损耗是功率器件频率提高的瓶颈。软开关电力变换技术能有效地减小电力电子器件中的开关损耗、电应力和电力变换装置引起的电磁干扰 (EMI)，近年来该项技术在电力电子学领域已日益受到人们重视。软开关技术的应用大大降低了开关损耗，使开关频率提高到几十千赫兹。高频逆变器不仅具有更好的输出波形、更小的设备尺寸，而且当开关频率达到18 kHz以上时，可实现无噪声传动 。特别是PWM技术与软开关技术的结合，极大地改善了电路的控制性能。但是，可实现PWM功能的软开关逆变器的电路结构和控制系统都很复杂。本文研究的ZVTPWM三相软开关逆变器中，辅助功率开关能够以恒定频率、恒定占空比的方式工作，作用的时间不受负载状况和谐振元件参数的影响 ，控制简便。本文重点研究谐振电路的工作特性及软开关动作过程中谐振电感电流的变化，针对谐振电路二极管反向恢复的问题，提出采用基于谐振电感电流反馈的谐振周期控制算法，并进行了仿真验证，有效地解决了该问题，实现了所有功率开关器件的软开关动作。4） 结束语 本文深人研究了ZVT软开关拓扑结构基础上逆变器的换向过程，重点讨论了辅助谐振电路特性及谐振电感换流过程，采用SAPWM控制方法，实现了逆变器系统软开关功能。仿真研究表明，采用基于谐振电感电流反馈的谐振周期控制算法可有效解决该拓扑存在的不足，并实现了所有功率开关器件的软开关动作。另外，该软开关拓扑的辅助谐振环节仅采用了一个换流开关，且辅助开关可以恒定频率、恒定占空比的方式工作，简化了系统结构及其控制，降低了系统成本，有利于技术产品化。2、三相电压型PWM逆变器双闭环控制策略研究1） 作者：邓醉杰、王辉、徐锋、韦泽垠2） 摘要提出了一种基于三相电压型PWM逆变器的电压电流双闭环控制方法。通过建立三相电压型PWM逆变器在两相同步旋转坐标系下的数学模型，引入电压电流双闭环控制方法，利用电压外环实现对输出电压的稳定控制，电流内环实现对输出电流的控制，并用SIMIslMNK建模。仿真结果证明电压电流双闭环控制方法可有效地改善逆变器的动态响应及抗扰能力。3） 引言随着科学技术的发展，很多领域对于以逆变器为核心的变频器和UPS的需求越来越大，逆变器其输出电压波形质量是衡量逆变器质量的一项重要指标，其中对于逆变器的控制是逆变器设计的核心所在。传统的控制方法是采用瞬时电压反馈的电压单闭环控制，动态响应效果差，因此本文提出了三相电压型PWM逆变器的一种电压电流双闭环控制方法，该方法的控制回路拥有两个闭环，利用电压外环实现对输出电压的稳定控制，电流内环实现对输出电流的控制，以此获得良好的动态响应能力和稳定的输出电压。4） 结束语 通过建立三相电压型PWM逆变器在两相同步旋转坐标系下的数学模型，电压电流双闭环控制三相电压型PWM逆变器，即利用电压外环实现对输出电压的稳定控制，电流内环实现对输出电流的控制。仿真结果表明采用电压电流双环控制的三相电压型PWM逆变器具有良好的负载适应能力，证明该方法有效地改善了系统的动态响应及抗扰能力。3、ZVT软开关三相PWM 逆变器控制策略研究1） 作者：许春雨、陈国呈、孙承波、屈克庆2） 摘要探讨了一种交流谐振环节软开关逆变器的电路拓扑及其控制方法，在该拓扑下采用SAPWM 调制的软开关实现策略，正负斜率交替的锯齿载波将所有功率开关器件的开通动作集在锯齿载波的垂直沿处，有利于软开关动作的实现。详细分析了该ZVT软开关拓扑的动作模式，建立了实现软开关动作的控制方法，并对系统进行了数字仿真。仿真结果表明采用该控制方法能实现逆变器功率开关器件的零电压软开关动作。3） 引言近年来软开关变频和逆变技术已成为国内外专家和学者关注的热点， 文献13提出了几种软开关三相逆变器电路拓扑， 实现了主电路功率开关器件的软开关动作， 但在这些电路拓扑中， 辅助谐振电路的功率开关器件较多， 系统控制相对复杂， 同时增加了逆变器系统的硬件成本。本文研究了一种新型的交流谐振环节ZVT软开关三相PWM 逆变器的主电路拓扑及其控制策略， 它具有结构简单、控制方便、系统成本低、效率高等特点。分析了该软开关逆变器的动作模式， 建立了系统的SAPW控制策略，并对系统进行了仿真研究。结果表明该软开关电路拓扑能实现所有功率开关器件的软开关动作。4） 结束语 本文详细介绍了一种ZVT软开关三相SPWM逆变器主电路拓扑及其控制策略，该软开关拓扑的辅助谐振环节仅采用了一个换流开关，具有结构简单， 系统成本低，控制方便等优点。并深入探讨了这种软开关拓扑下的SPWM 控制方法，采用优化的SAPWM 调制波， 能提高直流电压的利用率，提高逆变器的输出电压；采用斜率随输出电流极性交替改变的正负锯齿载波有利于系统软开关功能的实现。详细分析了该拓扑的软开关动作模式，对实现软开关的动作时序进行了数学分析，建立了系统的SPWM 控制策略。并对系统进行了数字仿真，仿真结果验证控制策略的正确性。 4、三相SPWM逆变器的谐波分析及其抑制策略1）作者：李新君、张敏2）摘要对三相电压型SPWM逆变器输出电压和电流谐波及其产生规律进行了讨论。并提出了一种新的易于工程实现的谐波抑制策略，该方法通过正确选扦载波坝率和在正弦调制波上叠加一个三次波波使之成为鞍形波，产生相应的SP WM 波形来控制逆变器开关器件的通断从而改善输出波形。数学分析表明有利于降低输出电压波形畸变系数(THI)、改善谐波电流 损耗和转矩特性，仿真结果证明了这些措施的有效性和可实性。3） 引言 正弦脉宽调制(SPWM)逆变器的性能在很大程度上取决于其输出电压和输出电流中谐波含量的大小。输出的高次谐波会给电动机带来发热加剧，损耗增大，效率和功率因数降低，并产生电磁噪音， 而最大的影响则是谐波导致转矩的脉动， 最终造成转速的脉动，谐波还会对电子设备产生严重干扰，影响周边设备的正常运行。因此，要提高SPWM 逆变器的性能，必须对其输出谐波进行准确分析并有效地抑制。目前， 已经出现了多种能有效抑制谐波的PWM 调制方法，如多电平消谐波 (Sub harmonic)PWM 方法，低次谐波消去法等。随着变频器的日益广泛使用，变频器所产生的谐波而带来的问题也日渐突出。为了提高SPWM 逆变器的性能，本文从工程的角度出发，在借鉴国内外相关研究的基础上，对逆变器输出电压、电流中的谐波及其产生规律进行了较为详尽的分析和仿真， 并提出了一种新的谐波抑制策略。4） 结束语 本文主要分析研究了电压型SPWM 逆变器输出电压谐波及其产生规律，并通过仿真进行了验证。分析研究表明， 选择合适的载波频率和注入适当的三次谐波分量都应是工程应用上较为有效的谐波抑制策略， 而且这两种谐波抑制策略比较简单， 在工程上容易实现。因此，本文对如何改善电压型SPWM 逆变器输出波形的问题具有十分重要的实际意义。5、三相逆变器统一PWM实现方法研究1） 作者：文小玲、尹项根2） 摘要 在3相逆变器中获得普遍应用的脉宽调制方式是正弦波脉宽调制( SPWM) 和空间矢量脉宽调制( SVPWM)。根据SVPWM和载波PWM的内在关系, 将SPWM、各种连续和不连续SVPWM方法统一于一个显性调制函数表达式中, 从而提出了基于载波的统一PWM方法。所建立的统一PWM调制函数既简单又直观, 是进行PWM逆变器仿真分析的有效工具, 特别是在此基础上提出了一种统一PWM快速算法。该算法直接利用三相参考电压瞬时值计算PWM信号的开关状态切换时间, 不需进行坐标变换、三角函数运算、扇区判断和有效矢量作用时间的计算,更易于SPWM和各种SVPWM方法的数字化实现。最后, 对各种PWM方法的电压谐波特性进行了对比分析。仿真和实验结果证明了统一PWM实现方法的正确有效性。3） 结论 根据载波PWM和SVPWM之间的内在关系,提出了一种3相逆变器统一WM实现方法。该方法不仅能直接利用3 相参考电压求出各种典型SVPWM方式的显性调制函数表达式, 以实现基于载波的SVPWM 方法, 既简单又直观, 是进行PWM方法仿真分析的有效工具; 而且能直接利用3相参考电压求出SPWM和各种典型SVPWM方式的开关状态切换时间, 便于用DSP或微处理器实现统一PWM快速算法。仿真和实验结果证明了所提方法的正确性和有效性。同时, 对各种PWM方法的电压谐波特性进行分析的结果表明, 当调制比M较小时SPWM和CSVPWM的电压谐波畸变率比DPWM的小, 随着M 的增加, DPWM的电压谐波畸变率大大减少, 当M较大时, 从谐波特性和开关损耗两方面综合考虑DPWM的性能最佳。6、三相电流型逆变器的P WM控制方法研究1） 作者：袁兆凯、张加胜、刘希臣2） 摘要电流型逆变器通常采用正弦调制波和高频锯齿波载波比较的方式产生PWM脉冲。对于这种方法来说，如果逆变器直流输入电流中含有脉动成分，则交流输出电流中的谐波分量就会增加。为了抑制这些谐波分量，人们采用了有源滤波和无源滤波：但都还存在着这样那样的问题，要么电路复杂化，要么成本提高了，要么抑制效果不太理想。本文提出了一种有效的三相电流型逆变器的PWM控制方法，给出了利用80C1 96MC单片机实现的思路，通过实验证明了这种方法的正确性。 3）结束语基于梯形波和三角波比较产生PWM的方式，经过有效的波形翻折变形，得到易于单片机实现的“梯形半折分段调制法”。利用80C196MC单片机的片内波形发生器WFG产生控制三相电流型逆变器的PW M控制信号，再通过其他的外围电路，最后产生6个PWM控制信号来分别控制逆变器的6个功率开关。这样得到的电机两相输出电流的波形如图8所示。当逆变器的输出频率较低时，电机的转矩脉动较大，此时适当增IPW M脉；中数可以达到减小电机转距脉动的目的。实验结果表明本文提出的梯形半折分段调制法切实可行。 7、三相 逆变器统一空间矢量PWM 实现方法1） 作者：文小玲、尹项根、张哲2） 摘要通过分析空间矢量脉宽调制(SVPWM )和载波PWM 方法之间的内在关系，建立了包含各种连续和不连续SVPWM及SPWM 方法的显性调制函数表达式，从而提出了基于载波的统一SVPWM 实现方法。并且，在此基础上提出了一种三相逆变器统一SVPWM 快速算法。该算法直接利用三相参考电压瞬时值计算PWM信号的开关状态切换时间，不需进行坐标变换、三角函数运算、扇区判断和有效矢量作用时间的计算等， 因此更易于各种SVPWM方法的数字化实现。最后，对三相逆变器在SPWM和各种SVPWM控制方式下的输出电压谐波特性进行了对比分析。仿真和实验结果表明本文提出的三相逆变器统一空间矢量PWM实现方法是可行的和有效的。3） 引言本文通过综合分析SVPWM与载波PWM之间、不同零矢量分配方式与连续和不连续SVPWM方法之间的相互关系， 建立了包含SPWM 和各种SVPWM 方法的统一显性调制函数表达式，并提出了基于载波的统一SVPWM 实现方法。同时，在此基础上推导出全部连续和不连续SVPWM 波形的开关状态切换时间计算公式，进而提出三相逆变器统一SVPWM快速算法。该算法直接利用三相参考电压瞬时值计算各种连续和不连续SVPWM波形的开关状态切换时间，不需进行坐标变换、三角函数运算、有效矢量作用时间计算、扇区判断和区域转换，因而更易于数字化实现。最后， 对三相逆变器在SPWM和各种SVPWM控制方式下的输出电压谐波特性进行了比较分析。4）结论 本文提出的三相逆变器统一SVPWM 实现方法包含两个方面的内容：其一，将零矢量分配因子与各种连续和不连续SVPWM 方法之间的关系统一于一个显性的调制函数表达式中，可以实现基于载波的统一SVPWM 方法；其二，通过直接利用三相参考电压瞬时值计算各种SVPWM方式的开关状态切换时间的统一SVPWM 快速算法， 比常规SVPWM 算法更易于数字化实现。仿真和实验结果验证了该方法的正确性和有效性。同时，利用所提出的统一SVPWM 实现方法对三相逆变器在不同SVPWM 控制方式下的输出电压谐波畸变率进行比较分析的结果表明当调制比M较小时连续SVPWM的电压谐波畸变率比不连续SVPWM 的小，但随着M的增加，不连续SVPWM 的电压谐波畸变率大大减小。8、三相软开关PWM 逆变器载波方式的选择1） 作者：陈国呈、周勤利2） 摘要详细阐述不同载波方式对PWM 逆变器输出特性的影响。指出三角载波用于硬开关PWM 逆变器时。由于死区时间的影响，其输出电压电流在基波频域中含有谐波成分；软开关PWM 逆变器如果也采用三角载波，则不但难以控制谐振电路的起振时间，而且谐振电路损耗大。直流电压的利用率低；硬开关PWM 逆变器采用锯齿载波调制， 必将导致严重的电流波形失真；软开关PWM 逆变器交替使用正负斜率锯齿载波，不但谐振电路的起振时间容易控制， 而且不会导致由死区时间引起的输出电压电流波形的失真。3）结束语 本文详细阐述了不同载波方式对PWM 逆变器输出电流波形的影响。指出，三角载波适用于硬开关PWM 调制， 由于死区时间的影响，在逆变器的电流中含有(6i1)次谐波成分。当载波频率比和死区时间不是很大时，这种影响在可容忍范围；软开关PWM 逆变器如果也采用三角载波，则不但难以控制谐振电路的起振时刻，而且谐振次数大大增加，谐振电路的损耗越大，直流母线电压的利用率也越低；硬开关PWM 逆变器如果采用锯齿载波调制。必将导致严重的电流波形失真；软开关PWM 逆变器交替使用正负斜率锯齿载波，不但谐振电路的起振时刻容易控制，而且因为不存在开关器件由000状态到111状态的跳变，且逆变桥上功率开关器件的导通都落在谐振槽内，因此输出电流波形具有很好的正弦度，这也是本软开关PWM 逆变器所特有的优点。9、一种三相SPWM 逆变器的建模和控制方法1） 作者：董锋斌、皇金锋、钟彦儒2） 摘要针对三相SPWM逆变器这个离散的、非线性的动态系统，引入开关周期平均算子将离散的系统变换为连续的系统，应用小信号扰动法将非线性的系统变换为线性的系统，建立了系统的小信号动态数学模型，推导出从调制器输入到逆变器输出的传递函数。由于此系统属于多输入多输出的程序控制系统，且系统模型中含有二阶振荡环节，提出应用滞后一超前补偿对系统校正较为合理。并以TMS320F2812为控制器构建了闭环自动控制系统，验证了数学模型和控制策略的合理性，解决了这类本质非线性系统的线性控制问题。3）结论 引人开关周期平均算子，应用小信号扰动法将三相电压型PWM逆变器这个离散的、非线性的动态系统变换为连续的、线性的系统；分析了系统的小信号动态数学模型，推导了工程设计中需要的从调制器输入到逆变器输出之间的传递函数。指出应用滞后一超前补偿校正这个多输入多输出的程序控制系统较为合理。实验结果验证了数学模型和控制策略的合理性，为工程技术人员提供理论依据。此种建模与控制方法也可推广到其它类型的PWM变流器。10、LOAD PERFORMANCE OF PMLSM IN LOWER SPEEDREGION FED BY SINUOIDAL PWM INVERTER1） Author: Si Jikai Chen Hao Wang Xudong Yuan Shiying Shangguan Xuanfeng2） Abstact:For the permanent magnet linear synchronous motor (PMLSM) fed by sinusoidal PWMvoltage source inverter in the lower speed condition without feedback control, load performance isdifferent from the PMLSM working in high speed region. The paper adopts time-step finite elementmethod and field circuit coupling method to investigate load performance of the PMLSM to drivehorizontal transportation system with light load and heavy load condition respectively. It is shown thatload performance of the PMLSM in the heavy load condition is highly better than those in light loadoperation conditions, and operation current becomes lower with load increasing. The validity is verifiedby comparisons of simulation and experimental results.3) ConclusionIn the paper, field-circuit coupling method of the time-step finite element method and outer electric power circuit is utilized to analyze special load performances of lower speed of PMLSM with large ratio of the resistance to the inductance, large air gap and three-phase unbalance. Analysis results show that load performances of the PMLSM in the heavy load condition are highly better than light load operation conditions, and operation current becomes lower with load increasing because of the large ratio of the resistance to the inductance and large air gap. Due to existence of detent force, the PMLSM mover speed fluctuates in the range of the synchronous speed. If the detent force of PMLSM with open loop control is reduced, the mover speed is quite close to synchronous speed.5） 方案选择论证方案一 基于单片机的三相PWM逆变器设计本控制器采用基于87C196MC单片机技术的三相PWM逆变器。87C196MC单片机是专门为电动机与电源控制所设计的一种16位微控制器，内含三相波形发生器(WFG)和若干其他资源配置。其中波形发生器有专门的死区时间控制器，且有多种工作方式可灵活编程以适应不同变换器的控制要求。WFG的各种工作方式可用于产生中心对准和边沿对准的PWM波形，特别适用于控制电机和其他需要PWM输出的装置。基于单片机的三相PWM逆变器如图1所示，主要由单片机基本应用单元、IGBT保护电路、IGBT驱动电路、人机接口，以及主电路构成，单片机工作后，通过键盘得到工作参数，并在液晶屏上显示工作状态，通过驱动电路将控制信息发送给主电路。图1 基于单片机的三相PWM逆变器设计结构图87C196MC 单片机电源电路三相PWM逆变器主回路IGBT保护电路晶振电路复位电路矩阵键盘液晶显示IGBT驱动电路方案二 基于嵌入式的三相PWM逆变器设计本设计利用STM32系列基于Cortex-M3内核的32位嵌入
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