单相电压型逆变电路的设计.doc

电力电子技术课程论文 题目: 单相电压型逆变电路的设计 系 别： 机电系 班 级： 应用电子2班 姓 名： 武 晶 韬 学 号： 100102208 指导教师： 朗 文 飞 设计时间： 2012.10.26 摘 要逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要把这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电动机调速用的变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。有人说，电力电子技术早期曾处在整流电路时代，后来则进入了逆变器时代，可见逆变电路在现实生产生活中的作用之大和应用之广泛。而PWM控制技术是逆变电路中应用最为广泛的技术，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。为了对PWM型逆变电路进行分析，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，运用MATLAB中的SIMULINK对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并运用MATLAB提供的powergui模块对仿真波形进行了FFT分析（谐波分析）。通过仿真分析表明，运用PWM控制技术可以很好的实现逆变电路的运行要求。关键字：逆变电路、PWM控制技术、换流。目 录1方案介绍及主电路设计31.1题目要求31.2方案概述31.3逆变电路及换流原理介绍31.4电压型逆变电路的特点及主要类型42 SPWM控制法63主电路的设计和说明83.1PWM控制的基本原理83.2PWM逆变电路及其控制方法83.3主电路及其工作原理94方案介绍及主电路设计104.1单极性PWM控制发生电路模型104.2单极性PWM方式下的单相桥式逆变电路114.3仿真结果125小结体会136参考文献14 单相电压型逆变电路的设计1方案介绍及主电路设计1.1题目要求技术要求：设计一单相桥式逆变电路，采用SPWM调制方法，已知直流电源电压为400V，要求输出220V、50Hz的交流电，带电阻性负载，其中R的值为20。1.2方案概述本次课程设计的主要目标，是设计一个单相桥式电压型逆变电路。同时可以设计相应的触发电路和过电流过电压保护电路。根据电力电子技术的相关知识，单相桥式电压型逆变电路是一种常见的逆变电路模型，在日常生活中有着广泛的应用。它的电路结构主要是由四个桥臂组成，其中每个桥臂都有一个全控器件IGBT和一个反向并接的续流二极管，在直流侧并联两个电容而负载接在桥臂与电容之间。而IGBT的导通控制需要触发电路，通过资料的查询，找到相关的触发电路图，从中进行选择，最终确定方案。可以用芯片进行触发也可以用下面章节介绍的使用D触发器为主体设计出来的触发电路，根据D触发器的特性，使换流能够实行。最后设置过电流过电压保护电路，采用抑制电路和缓冲电路构成的过电压过电流保护电路，通过查阅资料，在仿真软件中连接出电路图，将触发电路接入，设置参数后进行仿真，观察波形，根据设置的参数进行计算。1.3 逆变电路及换流原理介绍与整流电路相比较，把直流电变成交流电的电路成为逆变电路。当交流侧接在电网上，称为有源逆变；当交流侧直接和负载相接时，称为无源逆变。在不加说明时，逆变电路一般指无源逆变。逆变电路在现实生活中有很广泛的应用。交流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移，这称为换流。换流是实现逆变的基础。通过控制开关器件的开通和关断来控制电流通过的支路，这就是实现换流的基本原理。换流有多种方式，其中主要分为器件换流、电网换流、负载换流和强迫换流四种方式。1.4 电压型逆变电路的特点及主要类型 根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的则称为电流型逆变电路。电压型逆变电路有以下特点：1） 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2） 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同。3） 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧想直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。又称为续流二极管。 逆变电路分为三相和单相两大类。其中，单相逆变电路主要采用桥式接法。主要有：单相半桥和单相全桥逆变电路。而三相电压型逆变电路则是由三个单相逆变电路组成。最常用的是三相桥式逆变电路。1.5电压型单相桥式逆变电路的主电路设计在本次设计中，主要采用单相桥式逆变电路作为设计的主电路。其主电路结构图如图1-1所示：图1-1单相桥式逆变电路如上图所示，单相全桥逆变电路主要有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。其中桥臂1,4为一对，桥臂2，3为一对。每个桥臂由一个可控器件IGBT以及一个反并联的二极管组成。在直流侧接有足够大的电容，负载接在桥臂之间。它的具体工作过程如下：设最初时刻时，给IGBT Q1、Q4触发信号，使其导通。则电流通过桥臂1，负载，桥臂4构成一个导通回路。当时刻时，给Q2,Q3触发信号，给Q1,Q4关断信号。但由于负载电感较大，通过它的电流不能突变，所以二极管D2,D3导通进行续流。当电流逐渐减小为0，桥臂1,4关断，桥臂2,3导通，构成一个回路，从而实现换流。单相桥式逆变电路工作波形如图1-2所示。 图1-2单相桥式逆变电路工作波形分析其工作过程：设在t1时刻前和导通，输出电压为，t1时刻和栅极信号反向，截止，而因负载电感中电流不能突变，不立刻导通，导通实现续流。因为和同时道童，所以输出电压为0。到t2时刻和栅极信号反向，截止，而不能立刻导通，续流，和构成电流通道，输出电压-。到负载电流过零并开始反向时，和截止，和开始同时导通，仍然为-。在t3时刻和栅极信号再次反相，截止，而不能立刻导通，导通续流，再次为0。以后的过程与前面类似。2 SPWM控制法SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论: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。SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。该方法的实现有以下几种方案。一 等面积法 该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点。 二 硬件调制法 硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形。其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波。但是,这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制。 三 软件生成法 由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因此,软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,其有两种基本算法,即自然采样法和规则采样法。四 自然采样法 以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制。 五 规则采样法 规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法。当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样。 规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小。3 主电路的设计和说明3.1 PWM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的波形。PWM控制技术的重要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。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就可得到下图b所示的脉冲序列，这就是PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。SPWM波形如图2-1所示：tOwUd-Ud图3-1单极性PWM控制方式波形上图波形称为单极性PWM波形，根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，即双极性PWM波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛。OwtUd-Ud图3-2双极性PWM控制方式波形3.2 PWM逆变电路及其控制方法PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的几乎都是电压型电路，因此本节主要分析电压型逆变电路的控制方法。要得到需要的PWM波形有两种方法，分别是计算法和调制法。根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形，这种方法称为计算法。由于计算法较繁琐，当输出正弦波的频率、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，即把希望调制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作为载波，在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。下面具体分析单相桥式逆变电路的单极性控制方式和双极性控制方式。图（2-3）是采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。3.3 主电路及其工作原理根据设计要求，采用单相半桥PWM逆变电路，工作方式为单极性PWM方式，开关器件选用IGBT，直流电源电压为400V,电阻电感负载。设计主电路图如图3-1所示。 图3-3单相桥式PWM逆变电路采用IGBT作为开关器件的单相半桥电压型逆变电路。采用负载为阻感负载，工作时V1和V2的通断状态互补。在输出电压u0的正半周，让V1保持通态，V2保持断态；让V2保持通态，V1保持断态。 当ucoutri，且-ucoutri ，触发VTA+和VTB-导通，输入电源Ud经过VTA+、负载和VTB-构成电流回路，uo=-Ud，电流上升；当ucoutri，且-ucoutri，使VTB-断开，触发VTB+，由于是感性负载，电流不能突变，因此负载电流经VTA+和VDB+续流，使VTB+不能导通，uo=0，同时电流下降；直至下一个周期触发VTA+和VTB-导通。由此循环往复周期性的工作。 4 仿真模型的建立及各模块参数设置4.1单极性PWM控制发生电路模型单极性PWM控制发生电路模型图如图4所示。图4-1单极性PWM逆变器触发脉冲发生电路为了得到PWM输出电压，可以采用将期望输出的电压波形（称为调制波）与载波信号（通常为三角波或锯齿波）相比较，即用调制波对载波进行调制，然后用比较产生的信号去控制电力电子器件的开通与关断，可以得到所需的PWM控制发生电路。单极性PWM控制方式仿真结果图4-2单极性PWM控制方式仿真结果4.2 单极性PWM方式下的单相桥式逆变电路 采用单相全桥PWM逆变电路，工作方式为单极性PWM方式，开关器件选用IGBT，直流电源电压为400V,电阻电感负载，电阻20欧姆，电感1毫安。按单相桥式逆变电路连接仿真电路如图4-3所示。 图4-3单相桥式逆变电路仿真电路4.3 仿真结果单极性PWM方式，开关器件选用IGBT,直流电压400V，电阻负载，电阻20欧姆，电感1mh，载波频率fc=2000HZ,调制信号频率fr=50HZ。将调制深度m设置为0.4.运行后单相桥式逆变电路仿真输出电流、输出电压波形如图4-4所示。根据调试过程中参数与波形间的关系，改变调制比m和载波比N，如增大m和N，可以有效减小输出电压和输出电流的谐波分量。 图4-4单相桥式逆变电路仿真波形 5小结体会通过本次课程设计，对电力电子技术的知识有了更具体的理解和直观的认识。通过设计单相桥式逆变电路，并对其工作原理和输入输出情况进行分析，将理论和实践联系在一起。在设计过程中，需要应用到的数电等方面的知识，通过此次设计也让我将这些知识进行了复习。而通过对参数进行设定和计算，提高了自身的计算能力和理解能力。对于电力电子技术的计算机仿真，首先让我初步掌握Matlab的基本应用，包括数据结构，数值运算，程序设计以及绘图等。第二熟悉了Simulink系统仿真环境，包括Simu