基于PWM的逆变电路分析doc吉遇.doc

1 电力电子课程设计电力电子课程设计 题目 题目 基于基于 PWMPWM 的逆变电路分析的逆变电路分析 Title Title AnalysisAnalysis ofof InverterInverter CircuitCircuit BasedBased onon PWMPWM 学号 学号 B12043819B12043819 姓名 吉姓名 吉 遇遇 2 摘摘 要要 PWM 控制技术是你变电路中应用最为广泛的技术 为了对 PWM 型逆变电路 进行研究 首先建立了逆变器控制所需的电路模型 采用 IGBT 作为开关器件 并对单相桥式电压型逆变电路和 PWM 控制电路的工作原理进行了分析 使用双 踪示波器对电路的输出波形进行分析 给出了仿真波形 实践表明 运用 PWM 控 制技术能够很好地实现逆变电路的运行要求 关键词 关键词 PWM 逆变电路 IGBT 脉冲 3 1 1 引言引言 PWM 控制的基本原理很早就已经提出 但是受电力电子器件发展水平的制 约 在上世纪 80 年代以前一直未能实现 直到进入上世纪 80 年代 随着全控 型电力电子器件的出现和迅速发展 PWM 控制技术才真正得到应用 随着电力 电子技术 微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法 如现代 控制理论 非线性系统控制思想的应用 PWM 控制技术获得了空前的发展 PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛 对逆变电路的影响也最为深刻 现在大 量应用的逆变电路中 绝大部分都是PWM型逆变电路 可以说PWM控制技术正是有赖于在 逆变电路中的应用 才发展得比较成熟 并确定了他在电力电子技术中的重要地位 2 2 PWMPWM 控制的基本原理控制的基本原理 PWM Pulse Width Modulation 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制 来等效地获得所需要波形 含形状和幅值 在采样控制理论中有一个重要的结论 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有 惯性的环节上时 其效果基本相同 冲量即指窄脉冲的面积 这里所说的效果基 本相同 是指环节的输出响应波形基本相同 如果把各输出波形用傅里叶变换分 析 则其低频段非常接近 仅在高频段略有差异 例如图 1 a 图 1 b 图 1 c 所示的 3 个窄脉冲形状不同 其中图 1 a 为矩形脉冲 图 1 b 为三 角形脉冲 图 1 c 为正弦半波脉冲 但他们的面积 即冲量 都等于 1 那么 当他们分别加在具有惯性的同一个环节上时 其输出响应基本相同 当窄脉冲变 为图 1 d 的单位脉冲函数 t 时 环节的响应即为该环节的脉冲过渡函 数 图1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 上述原理可以称之为面积等效原理 他是 PWM 控制技术的重要理论基础 3 3PWMPWM 逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 PWM 控制技术在逆变电路中的应用十分广泛 目前中小功率的逆变电路几乎 都采用了 PWM 技术 逆变电路是 PWM 控制技术最为重要的应用场合 PWM 逆变 电路可分为电压型和电流型两种 目前实际应用的 PWM 逆变电路几乎都是电压 型电路 其控制方法这里主要讲解计算法和调制法 3 13 1 计算法和调制法计算法和调制法 根据 PWM 控制的基本原理 如果给出了逆变电路的正弦波输出频率 幅值 和半个周期内的脉冲数 PWM 波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来 按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断 就可以得到所需要的 PWM 波 形 这种方法称之为计算法 可以看出 计算法是很繁琐的 当需要输出的正弦波 的频率 幅值或相位变化时 结果都要变化 与计算法相对应的是调制法 即把 希望输出的波形作为调制信号 把接受调制的信号作为载波 通过信号波的调制 得到所期望的 PWM 波形 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波 其中等腰三 角波应用最多 因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线形关系且左右 4 对称 当他与任何一个平缓变化的调制信号波相交时 如果在交点时刻对电路中 开关器件的通断进行控制 就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲 这正好符 合 PWM 控制的要求 在调制信号波为正弦波时 所得到的就是 SPWM 波形 这种 情况应用最广 当调制信号不是正弦波 而是其他所需要的波形时 也能得到与 之等效的 PWM 波 4 4 逆变电路的原理图逆变电路的原理图 4 4 1 1 主电路图及其工作原理主电路图及其工作原理 图 2 是采用 IGBT 作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路 设负载为阻 感负载 工作时 V1 和 V2 的通断状态互补 V3 和 V4 的状态通断状态也互补 具体的控制规律如下 在输出电压 u0的正半周 让 V1 保持通态 V2 保持断态 V3 和 V4 交替通断 由于负载电流比电压滞后 因此在电压正半周 电流有一段区 间为正 一段区间为负 在负载电流为正的区间 V1 和 V4 导通时 负载电压 u0 等于直流电压 ud 在负载电流为负的区间 仍为 V1 和 V4 导通时 因 i0 为负 故 i0 实际上从 VD1 和 VD4 流过 仍有 u0 ud 这样 u0 就可以得到 ud 电 平 同样 在 u0 的负半周 让 V2 保持通态 V1 保持断态 V3 和 V4 交替通断 负 载电压 u0 可以得到 ud 和零两种电平 图2 主电路图 单相桥式逆变电路在采用双极性控制方式时的波形如图 3 所示 图3 双极性PWM 控制方式波形 采用双极性方式时 在ur的半个周期内 三角波载波不再是单极性的 而是 有正有负 所得的 PWM 波也是有正有负 在ur的一个周期内 输出的 PWM 波有 5 ud 两种电平 在ur的正负半周 对各开关器件的控制规律相同 即当ur uc时 给 V1 和 V4 以导通信号 给 V2 和 V3 以关断信号 这时如i0 0 则 V1 和 V4 通 如i0 0 则 VD1 和 VD4 通 不管哪种情况都是输出电压u0 ud 当ur uc时 给 V2 和 V3 以导通信号 给 V1 和 V4 以关断信号 这时如i0 0 则 VD2 和 VD3 通 不管哪种情况都是u0 ud 4 2 PWM 信号产生电路及其工作原理 在图 6 中 XFG1 为正弦波发生器 为希望输出的波形 此信号作为调制信号 ur 连接到比较器 LM139AJ 的同相端 正极端 XFG2 为三角波发生器 此信 号作为载波信号 uc 接到比较器的反向端 负极端 波形发生器和比较器的 公共端接地 15 V 直流电源 V CC 作为比较器的驱动源 XSC1 为双综示波器 A B 端点分别为两个通道 G 为接地端 T 是外触发输入端 由波形发生器产 生的正弦信号波和三角载波送到比较器电路 经调制就得到所需的 PWM 波形 为了得到如图 6 所示的输出波形 将三角波波发生器的参数设置为 信号频率 为 2 kHz 占空比为 50 输出幅度为 10 V 直流偏置为 0 正弦波发生器 的参数设置为 信号频率为 200 kHz 输出幅度为 8 V 直流偏置为 0 图6 PWM 信号产生电路 5 5 仿真与实验仿真与实验 依照图 6 的原理图用示波器进行仿真 其输出波形如图 7 所示 6 图 7 输出波形 6 6 结果与分析结果与分析 由仿真和实验波形可见 各相上下桥臂控制信号的相位上下互补 任何时刻 有 一个控制信号处于高位 其余的处于低位 已调制控制信号的脉宽随时间按正弦 规律变化 但在同一时间内其脉宽则随调制比的值变化而变化 参 考 文 献 1 王兆安 刘进军 电力电子