三相方波逆变电路的设计

中北大学电子技术课程设计说明书 目 录 1 引言 1 1 1 设计要求 1 1 2 逆变的概念 1 1 3 三相逆变 2 2 三相电压源型 SPWM 逆变器 2 2 1 PWM 的基本原理 2 2 2 SPWM 逆变电路及其控制方法 2 2 3 三相方波逆变器 3 2 3 三相 PWM 逆变器提高直流电压利用率的方法 3 2 4 三相 PWM 逆变器提高直流电压利用率的方法 3 3 逆变器主电路设计 5 4 软件仿真 6 4 1 Matlab 软件 6 4 2 建模仿真 7 5 总结 12 参考文献 13 中北大学电子技术课程设计说明书 1 1 1 引言引言 1 11 1 设计要求设计要求 本次课程设计题目要求为三相方波逆变电路的设计 设计过程从原理分析 元器件的选取 到方案的确定以及 Matlab 仿真等 巩固了理论知识 基本达到 设计要求 完成三相方波逆变电路的仿真 开关管选 IGBT 直流电压为 530V 阻感负载 负载有功功率 1KW 感性无功功率为 100Var 1 21 2 逆变的概念逆变的概念 逆变即直流电变成交流电 与整流相对应 电力系统中 将电网交流电通 过整流技术变成直流电 然后通过逆变 技术 将直流变成 高频交流 再通过高频变压器降压 就达到缩小变压器 体 积和提高供电质量的目的了 1 31 3 三相逆变三相逆变 三相逆变技术广泛应用于交流传动 无功补偿等领 域 在三相 PWM 交流 伺服系统中 一般采用三个桥臂的结构 即逆变桥主电路有 6 个功率开关器件 功率 MOSFET 或 IGBT 构成 若每个开关器件都用一个单独的驱动 电路驱动 则需 6 个驱动电路 至少要配备 4 个相互独立 的直流电源为其供电 使得系 统硬件结构复杂 可靠性下降 且调试困难 设计成本偏高 2 2 三相电压源型三相电压源型 SPWMSPWM 逆变器逆变器 2 12 1 PWMPWM 的基本原理的基本原理 PWM Pulse Width Modulation 控就是对脉冲的宽度进行调制的技术 即通 过一系列脉冲的宽度进行调制 来等效地获得所需要的波形 PWM 控制技术最 重要的理论基础是面积等效原理 即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 中北大学电子技术课程设计说明书 2 SPWM 控制技术是 PWM 控制技术的主要应用 即输出脉冲的宽度按正弦规律 变化而和正弦波等效 2 22 2 SPWMSPWM 逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 SPWM 逆变电路属于电力电子器件的应用系统 因此 一个完整的 SPWM 逆 变电路应该由控制电路 驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成 由 信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号 通过驱动电 路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断 来完成整个系统的功能 目前应用最为广泛的是电压型 PWM 逆变电路 脉宽控制方法主要有计算机法 和调制法两种 但因为计算机法过程繁琐 当需要输出的正弦波的频率 幅值 或相位发生变化时 结果都要变化 而调制法在这些方面有着无可比拟的优势 因此 调制法应用最为广泛 所谓调制法 就是把希望输出的波形作为调制信号 把接收调制的信号 t u 作为载波 通过信号波的调制得到所期望的 PWM 波形 c u 2 3 三相方波逆变器三相方波逆变器 电路结构相同 只是控制方式不同 每一开关元件在输出电压的一个周期中 闭合 180o 占空比为 0 5 因此 在任何时间 总有三个开关元件闭合 幅值关系 直流电压利用率 2 3 三相三相 PWMPWM 逆变器提高直流电压利用率的方法逆变器提高直流电压利用率的方法 2 3 1 梯形波调制 采用梯形波作为调制信号 可有效提高直流电压利用率 当梯形波幅值和 1 3 46 0 78 22 d abdd U UUU 0 78 61 1 2 3 abhd UUhnn h 1 0 78 ab V d U A U 中北大学电子技术课程设计说明书 3 三角波幅值相等时 梯形波所含的正弦基波分量幅值已经超过三角波幅值 采用这种调制方式时 决定功率开关器件通断的方法和用正弦波作为调制信号 时完全相同 2 42 4 三相三相 PWMPWM 逆变器提高直流电压利用率的方法逆变器提高直流电压利用率的方法 梯形波的形状用三角化率s Ut Uto 描述 Ut 为以横轴为底时梯形波的 高 Uto 为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高 s 0 时 梯形波变为矩形波 s 1 时梯形波变为三角波 梯形波含低次谐波 故调制后 的 PWM 波含同样的低次谐波 3 5 7 但线压中 3 及其倍数次谐波不存在 图 2 1 梯形波为调制信号的 PWM 控制 u tri u cA u cB u cCu u aN O t O t O t O t u bN u ab 中北大学电子技术课程设计说明书 4 图 2 2 180 导电型三相方波逆变器输出电压波形 d Ub a 1 T 4 T 1 D 4 D 1 C 2 C 1 2 d U 1 2 d U 3 T 3 D 5 T 5 D 6 T 6 D 2 T 2 D c a Z b Z c Z n N O t aN u t 4 180 T 3 180 T bN u O d U 1 180 T t cN u 5 180 T d U O O ab u t t an u 1 3 d U 2 3 d U 6 180 T 2 180 T d Ub a 1 T 4 T 1 D 4 D 1 C 2 C 1 2 d U 1 2 d U 3 T 3 D 5 T 5 D 6 T 6 D 2 T 2 D c a Z b Z c Z n N O t t bn u O t cn u 1 2 d U O O ab u t an u d U 1 2 d U 1 3 2 3 4 3 5 3 2 6 11 22 33 44 55 6 中北大学电子技术课程设计说明书 5 图 2 3 120 导电型三相方波逆变器输出电压波形 3 3 逆变器主电路设计逆变器主电路设计 图 3 1 是 SPWM 逆变器的主电路设计图 图中 Vl V6 是逆变器的六个功率 开关器件 各由一个续流二极管反并联 整个逆变器由恒值直流电压 U 供电 一组三相对称的正弦参考电压信号 由参考信号发生器提供 其频率决定逆变 器输出的基波频率 应在所要求的输出频率范围内可调 参考信号的幅值也可 在一定范围内变化 决定输出电压的大小 三角载波信号是共用的 分别与 c U 每相参考电压比较后 给出 正 或 零 的饱和输出 产生 SPWM 脉冲序列波 作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号 da U db U dc U 当时 给 V4 导通信号 给 V1 关断信号 给 ru 2 und UUU un 2 d UU V1 V4 加导通信号时 可能是 V1 V4 导通 也可能是 VD1 VD4 导通 和 d U 的 PWM 波形只有两种电平 当时 给 V1 导通信号 给 V4 wn U 2 d U cru UU 关断信号 的波形可由得出 当 1 和 6 通时 2 und UU uv U vnun UU 当 3 和 4 通时 当 1 和 3 或 4 和 6 通时 0 输出线 duv UU duv UU uv U 电压 PWM 波由和 0 三种电平构成负载相电压 PWM 波由 2 3 1 3 d U d U 和 0 共 5 种电平组成 d U V1 V4 V3 V6 V5 V2 VD1VD3VD5 VD2VD6VD4 R 三三 三三 三三 三三三三 uc u u urU rV rW N L N U V W Ud 2 C C Ud 2 图 3 1 SPWM 逆变器的主电路设计图 防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补 为防止上下臂直通而 中北大学电子技术课程设计说明书 6 造成短路 留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间 死区时间的长短主要 由开关器件的关断时间决定 死区时间会给输出的 PWM 波带来影响 使其稍稍 偏离正弦波 4 4 软件仿真软件仿真 4 14 1 MatlabMatlab 软件软件 Matlab 软件提供的仿真工具箱 Simulink 是一个功能十分强大的仿真软件 它可以根据用户的需要方便的为系统建立模型 并且十分直观 仿真精度高 结果准确 特别是其电力系统模块库 PSB 中包含了大量的电力电子功能模块 为我们仿真提供了极大的便利 Matlab 提供了系统模型图形输入工具 Simulink 工具箱 在 Matlab 中 的电力系统模块库 PSB 以 Simulink 为运算环境 涵盖了电路 电力电子 电气 传动和电力系统等电工学科中常用的基本原件和系统仿真模型 它由以下 6 个 子模块组成 电源模块库 连接模块库 测量模块库 电力电子模块库 电机 模块库 基本件模块库 在这 6 个基本模块库的基础上 根据需要还可以组合 出常用的 复杂的其他模块添加到所需的模块库中 为电力系统的研究和仿真 带来更多的方便 4 24 2 建模仿真建模仿真 第一步先建立主电路仿真模型 在 simpowersystems 的 electrical sources 库中选择直流电压源模块 参数设置如下图 中北大学电子技术课程设计说明书 7 然后选择 universal bridge 模块 构成三相半桥电路 开关器件选带反并联 二极管的 IGBT 选择三相串联 RLC 负载模块 选为星形连接 将各模块相连 边完成三相方波逆变器仿真模型的主电路部分 中北大学电子技术课程设计说明书 8 第二步再来构造控制部分 选择六个 pulse generator 模块 第一个参数设 置如下图 之后 各模块一次之后 0 02 6s 即相差 60 度 采用 mux 模块将六路信号合成后加在 三相桥的门极 最终得到的仿真模型如下图所示 中北大学电子技术课程设计说明书 9 三相逆变电路主电路 第三步完成波形观测及分析部分 在相应模块的测量选项和 multimeter 模块 即可观察逆变器的输出的相电压 相电流 和线电压 通过串联的电流 表可观察直流电流的波形 4 34 3 分析仿真结果分析仿真结果 将仿真时间设为 0 1s 在 powergui 中这是为离散仿真模式 采样时间为 s 运行后可得仿真结果 理论上 a 相电压 a 相电流 ab 间线电压及直流 5 10 电流波形如图 中北大学电子技术课程设计说明书 10 实际仿真结果如下图 中北大学电子技术课程设计说明书 11 逆变器输出的相电压为六阶梯波 相电流和直流电流的波形与负载又关 改变负载参数 观察电流波形的变化 当负载参数如下图所示时 A 相 B 相 C 相电压和电流波形如下图 中北大学电子技术课程设计说明书 12 Ab bc ca 电压如图 中北大学电子技术课程设计说明书 13 5 5 总结总结 课程设计是培养学生综合运用所学知识 发现 提出 分析和解决实际问题 锻炼实践能力的重要环节 是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程 随着 科学技术发展的日新日异 电力电子已经成为当今空前活跃的领域 在生活中 可以说得是无处不在 因此作为二十一世纪的大学来说掌握电力电子的开发技 术是十分重要的 回顾起此次课程设计 至今我仍感慨颇多 的确 从选题到 定稿 从理论到实践 在整整两星期的日子里 可以说得是苦多于甜 但是可 以学到很多很多的的东西 同时不仅可以巩固了以前所学过的知识 而且学到 了很多在书本上所没有学到过的知识 通过这次课程设计使我懂得了理论与实 际相结合是很重要的 只有理论知识是远远不够的 只有把所学的理论知识与 实践相结合起来 从理论中得出结论 才能真正为社会服务 从而提高自己的 实际动手能力和独立思考的能力 在设计的过程中遇到问题 可以说得是困难 重重 这毕竟第一次做的 难免会遇到过