【电气工程及其自动化】dc110v-ac380v三相逆变器的设计与仿真

本科生毕业论文（设计）DC110VAC380V三相逆变器的设计与仿真二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年5月24日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1逆变器的概述22系统电路设计321总体电路方案设计322升压电路模块方案设计4221升压斩波电路原理分析423逆变电路方案设计6231三相桥式PWM逆变电路原理分析724驱动电路设计93电路建模1031升压斩波电路建模1032三相桥式PWM逆变电路建模1133三相逆变电源总体电路建模11331三相逆变电源总体仿真实现结果124总结16参考文献17致谢18DC110VAC380V三相逆变器的设计与仿真摘要本文设计了一种DC110VAC380V三相逆变器。首先确定先直流斩波升压后逆变滤波的整体方案，然后详细分析主电路中升压斩波电路和逆变电路的工作原理，对主电路器件进行了参数计算，并设计了驱动电路，最后利用MATLAB/SIMULINK对电路进行了建模仿真,并得出了实验结果。关键词升压斩波电路逆变电路；PWM控制。DC110VAC380VDESIGNANDSIMULATIONOFTHREEPHASEINVERTERABSTRACTTHISPAPERDESIGNEDASASORTOFDC110VAC380VTHREEPHASEINVERTERFIRSTDETERMINETHEDCCHOPPERINVERTERFILTERAFTERTHEBOOSTERSOVERALLPLANANDTHENADETAILEDANALYSISOFMAINCIRCUITINTHEBOOSTCHOPPERCIRCUITANDWORKINGPRINCIPLEOFINVERTERCIRCUIT,MAINCIRCUITDEVICEFORTHEPARAMETERSARECALCULATED,ANDTHEDRIVINGCIRCUITWASDESIGNEDANDFINALLYBYUSINGMATLAB/SIMULINKMODELINGANDSIMULATIONOFCIRCUIT,ANDTHEEXPERIMENTRESULTISOBTAINEDKEYWORDSBOOSTCHOPPERCIRCUITINVERTERCIRCUITPWMCONTROL1逆变器的概述现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了逆变电源逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能、风力发电中的一个重要部件。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过直流电动机交流发电机的旋转方式，发展到晶闸管逆变技术，而今的逆变技术多采用了MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器（DSP）控制。各种。毋庸置疑，随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。PWM控制技术【5】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，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）；面积等效原理是PWM技术的重要基础理论。一种典型的PWM控制波形SPWM脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形称为SPWM波。SPWM法是一种比较成熟的也是目前使用较广泛的PWM法。在采样控制理论中有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。本文主要通过对逆变电源的MATLAB仿真，研究逆变电路的输入输出及其特性，以及一些参数的选择设置方法，从而为以后的学习和研究奠定基础，同时也学习使用MATLAB软件的SIMULINK集成环境进行仿真的相关操作【2】。SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。SIMULINK可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库SIMPOWERSYSTEMS进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。2主电路设计本次设计要求采用PWM斩波控制技术，将输入的110V直流电压转换为380V的三相交流电输出，并建立MATLAB仿真模型，进而得到实验波形。因为输出为380V、50HZ三相交流电，显然不能直接由输入的110V直流电逆变产生。本设计选择的方案是先将110V直流电进行变换电压到一定的幅值，然后逆变和滤波变成需要的交流电。21总体电路方案设计整体方案设计为直流斩波电路采用PWM斩波控制的升压斩波电路，输出的直流电送往逆变电路。逆变采用三相桥式PWM逆变电路，采用SPWM作为调制信号,再经过滤波电路得到输出功率为3000W，输出电压为380V，频率为50HZ三相交流电。系统总体框图如图1所示。AC380VDC110V直流电PWM波50HZAC图1系统总体框图PWM升压斩波电路滤波电路三相逆变电路滤波电路SPWM调制信号22升压电路模块方案设计通过斩波电路来提高电压，然后进行逆变和滤波，在本次设计中采用此方案，即通过升压斩波电路来控制输出的直流电压，这样可以达到便于控制的目的。221升压斩波电路原理分析【1】升压斩波电路（BOOSTCHOPPER）的原理图如下图2所示。图2升压斩波电路原理图假设L值，C值很大。V通时，E向L通电，当可控开关V处于通时，电源E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载R供电。因C值很大，基本输出电压U0位恒值。设V处于通态的时间为TON,即L在这段时间积储的能量为。当V处于断态时，E和L共同向C充电，并向负载R供电。设V断的时间为TOFF，则此期间电感释放能量为。当电路工作于稳态时，一个周期T中，L积储能量与释放能量相等，即（1）OFONTIEUT101化简得（2）TTOFOF0当，输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路。也称为BOOST变1OFTT换器。表示升压比，调节其可改变U0将升压比的倒数记作，即。和导通1占空比有如下关系，即1式可表示为13E10升压斩波电路能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因一是电感L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。222升压斩波电路元件的计算与选择在电路中输入为110VDC，输出为380VAC50HZ,输出功率P3000W，功率因数COSA1则电路各元件选取如下一、开关管的选择IGBT（INSULATEDGATEBIPOLARTRANSISTOR，绝缘栅双极型功率管，是由BJT双极型三极管和MOS绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。本次设计中，最大输出情况下，电流有效值4AVPI8957130COSMAX开关管额定电流5IICE79582MAX开关管的额定电压6VVMCER760382故开关管型号选择为LWH300G603。二、二极管的选择额定电压VRR380V。最大允许的均方根正向电流7RRFRMSIFII5712二极管的额定电流为8AIFR03571895MAX故二极管选择的型号为IN5401。三、L、C滤波器的设计【3】输出滤波器的作用是减少输出电压的谐波，并保证基波电压输出。因滤波电容和负载并联，它可以补偿感性电流。但是，滤波电容过大，反而会增加变压器的负载。因此在设计滤波器电路的时候，首先确定滤波电容的值。设计基本原则就是在额定负载时，使容性电路补偿一半的感性电流。9AUPIC9628032COSIN010UFI7458960取C25UF，故选择500HZ，500V的交流电容。逆变桥输出电压除基波外，还含有高次谐波，最低次谐波为2P1次，而11145072FPS得到12HZF92考虑到死区的影响，一半选取输出滤波器的谐振频率为最低谐振频率的1/51/10取谐振频率为2KHZ。算出13MHCL256019684107924021623逆变电路方案设计逆变电路采用课本上的三相桥式PWM逆变电路，根据直流侧电源性质不同，逆变电路可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路，这里的逆变电路属电压型。采用等腰三角波作为载波，用SPWM进行双极性控制。该电路的输出含有谐波，需要专门的滤波电路进行滤波。滤波电路采用RC滤波电路。经过逆变电路和滤波电路就可以在三相电压输出侧得到题目要求的380V、50HZ三相交流电，不过容易受负载影响输出电压的值。231三相桥式PWM逆变电路原理分析逆变电路使用三相桥式PWM型逆变电路，其电路图如图3所示。图3逆变电路原理图电路的直流侧通常只有一个电容就可以了，为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出假想中点N。三相电压型桥式逆变电路的基本原理也是180，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电角度依次相差120。这样，在任意一个瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。图3所示电路采用双极性控制方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角载波UC，三相的调制信号URU、URV和URW依次相差120。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。当URUUC时，给上桥臂V1以导通信号，给下桥臂V4以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N的输出电压UUNUD/2。当URUUC时，给V4以导通信号，给V1以关断信号，则UUNUD/2。V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1（V4）加导通信号时，可能是V1（V4）导通，也可能是二极管VD1（VD4）续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。V相和W相的控制方式都和U相相同。电路的波形如图4所示。图4三相桥式PWM逆变电路波形采用双极性方式时，在UR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形也是有正有负。在UR的一个周期内，输出的PWM波只有UD种电平，而不像单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号UR载波信号UC交点时刻控制各开关的通断。在UR正负半周，对各开关器件的控制规律相同，如图5所示。图5双极性PWM控制波形在仿真的时候由于三相桥式PWM型逆变电路输出的波形需经过滤波电路才能得到要求的380V交流电，所以在输出端接入了RC滤波电路，滤波电路连接如图6。由于需要滤除的高次谐波的频率都大于50HZ，借用公式FHRC/2即可得到电阻和电容的取值关系，经过计算和比较尝试在这里取R50，C318UF可以满足滤波要求。图6滤波电路连接图24驱动电路设计IGBT的驱动电路型号很多，IR21系列是国际整流器公司推出的高压驱动器，一片IR2130可直接驱动中小容量的6支场控开关管，并且只需要一路控制电源。IR2130是28引脚双列直插式集成电路，应用方法如图7。图7IR2130结构及应用电路其中HIN1、HIN2、HIN3为3个高侧输入端，LIN1、LIN2、LIN3为3路低侧输入端，HO1、VS1、HO2、VS2、HO3、VS3为3路高侧输出端，LO1、LO2、LO3为3路低侧输出端，VSS为电源地，VSD为驱动地，VB1、VB2、VB3为3路高侧电源端，FALUT为故障输出端，ITRIP为电流比较器输入端，CAO为电流放大器输出端，CA为电流放大器反向输入端。采用IR2130作为驱动电路时，外围元件少，性价比明显提高。它的高压侧的3路驱动电源有UCC采用自举电路得到。3支快速二极管的阴极电位是浮动的，因此，它的反向耐压值必须大于主电路的母线电压峰值。IR2130最大正向驱动电流250MA，反向峰值驱动电流500MA；内部设有过流、过压、欠压、逻辑识别保护；它的浮动电压做大不超过400V。3电路建模根据系统总体框图，可将其分为升压斩波电路，三相逆变电路（含滤波电路），下面分别对其进行仿真建模，然后再进行总体电路的仿真建模。31升压斩波电路建模本次在MATLAB中进行仿真建模，选择SIMPOWERSYSTEMS下拉菜单ELEMENTS类别中的SERIESRLCBRANCH，放入窗口后，双击该图标，在BRANCHTYPE中选择相应类型，电阻就选择R，电感就选择L，选择完毕后单击OK按钮。在仿真中控制IGBT的波形由PWM脉冲生成器PULSEGENERATOR产生，可以双击PULSEGENERATOR对占空比进行修改，这是一种很简单的方法来控制输出电压的值。当把元件找齐之后，按照升压斩波电路原理图连接电路，为了方便观察输出，应在输出端加上电压测量装置VOLTAGEMEASUREMENT，并通过示波器SCOPE来观测输出电压的波形。所构成的直流升压斩波电路仿真模型【4】，如图8所示。图8直流升压斩波电路仿真模型32三相桥式PWM逆变电路建模三相桥式PWM型逆变电路的模型采用了三相逆变桥集成块UNIVERSALBRIDGE3ARMS，滤波电路也已由THREEPHASSEPARALLELRLCLOAD模块构成，不需另加滤波电路。在此电路的基础上稍作修改，即构成三相桥式PWM型逆变电路模型【4】，如图9所示。其中变压器仅起隔离作用，不对电压进行升降。图9三相桥式PWM型逆变电路模型33三相逆变电源总体电路建模本次设计的三相逆变电源总体电路包括直流升压斩波电路，三相桥式PWM逆变电路，将升压斩波电路的输出接到逆变电路的输入，这样就得到本次设计的逆变电源的总体仿真模型，如图10所示。图10逆变电源总体电路仿真模型331三相逆变电源总体仿真实现结果三相逆变电源仿真结果分为两部分，一为升压斩波电路仿真结果，二为三相桥式PWM逆变电路仿真结果。分析直流升压斩波电路的原理，并根据参考资料设置各项初始参数，输入直流电设置为110V，开关器件IGBT参数设置如图11，二极管DIODE参数设置如图12。图11开关器件IGBT参数设置图图12二极管DIODE参数设置图其他器件的参数可以通过调试和参考资料进行设置。如果改变开关器件IGBT的占空比的值，可以改变其输出电压值，在仿真过程中能够得到很好的体现，符合直流升压斩波电路的原理。经过多次调节各元件参数发现，增大PWM波形的占空比或增大电感值，输出电压稳定值增大。电容的作用主要是使输出电压保持住，电容值过小输出波形会持续震荡，应取较大，但过大的电容值会使输出电压稳定的时间太长。根据以上规律反复改变各元件参数，直到得到满意的结果。当设置PULSEGENERATOR参数如图13所示时。图13PULSEGENERATOR参数设置图直流升压斩波电路中PWM脉冲生成器的占空比达到80，点击仿真按钮，此时的波形如图14所示，输出电压先大幅震荡，大约025S后，稳定在500V左右。图14直流斩波电路仿真模型这里说的三相桥式PWM逆变电路包括了滤波电路在进行逆变电路的仿真中，交流电的输出波形很容易受到一些参数的影响，要想得到稳定且波形较好的380V，50HZ的交流电，必须经过多次调试和研究，将各项参数设定好。在设计中要求输出交流电为380V，此值为线电压，则每相电压有效值为220V，即每相输出的正弦波幅值约为311V。根据此要求反复调节各元件参数，发现当输入直流电压为500V，离散PWM生成器的调制参数M068时输出电压满足要求。此时逆变器的输出波形如图15,点击自适应按钮得到输出波形图如图16所示。图15三相桥式PWM逆变电路仿真波形图16三相桥式PWM逆变电路仿真波形图16中,输出电压先大幅震荡,然后稳定在311V，满足输出线电压为380V的要求，且周期也都是002S，也就是符合输出交流电为50HZ的要求，同时三相电压依次相差120，输出的波形也比较好。4总结这次毕业设计的确收获了很多，感觉自己对升压电路，逆变电路有了很深的认识。因为把平时所学的知识应用于实践真的会遇到很多问题，当然也会发现有很多乐趣在其中。学海无涯，学无止境。我学到了很多专业知识，但是还有很多地方领悟不到位，由于PWM控制信号的产生比较复杂，我查阅了很多资料，尝试过用不同的方法产生，最后还是选择电力电子装置课本上的介绍方法，最后尝试用画图软件画出各部分的实际电路版图。这次设计也使自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还需要提高。当然最关键的还是要靠自己亲自去领会思考如何解决问题，掌握独自面对问题分析问题的方法。我想无论是在学习还是在生活上只有自己真正用心去学习和参与采可能有收获，这也算是本次逆变器设计给我知识之外的一点小小的感悟。随着科学技术发展的日新日异，电子技术已经成为当今世界空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在