三相方波逆变电路的设计

1、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 . 1 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 . 1.1 . 参考文献 . 1.5 . 1 引言 1.1 设计要求 本次课程设计题目要求为三

2、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。 1.2 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。 1.3 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

3、，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 三相电压源型 SPWM 逆变器 2.1 PWM 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

4、时，其效果基本相同。 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。 2.2 SPWM 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

5、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 ut ，把接收调制的信号作 为载波 uc，通过信号波的调制得到所期望的 PWM波形 2.3三相方波逆变器 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180 （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： 3 4 Ud X 6 U ab1 Ud 42 2 Uabh 0.78Ud h 6n 1,(n 1,2,3.) h 2.3三相PWM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

6、为调制信号，可有效提高直流电压利用率；当梯形波幅值和 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。 2.4三相PWM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。 直流电压利用率： 宀 u：1 078

7、0.78Ud 图2-1 :梯形波为调制信号的 PWM控制 I 一 180(T)180). O LbN O U=N Uan 180(13.180(16).7 i i 1 - 1 Ud -k t Uc .180(12) 180(T)- 图2-2 180。导电型三相方波逆变器输出电压波形 图2-3 120。导电型三相方波逆变器输出电压波形 3 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 VIV6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

8、求的输出频率围可调。参考信号的幅值也可在一定围 变化，决定输出电压的大小。三角载波信号 Uc是共用的，分别与每相参考电压 比较后，给出“正”或“零”的饱和输产生SPWM脉冲序列波。Uda，Udb，Udc作 为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。 图2-2 180。导电型三相方波逆变器输出电压波形 当 Uru Uun Ud；2 时，给V4导通信号，给V1关断信号 Uun U 2，给 V1(V4)加导通信号时，可能是 V1(V4)导通，也可能是 VD1(VD4)导通。Ud和Uwn 的PWM波形只有 Ud/2 两种电平。当 Uru Uc时，给V1导通信号，给V4关断 信号，Uun Ud /2。Uuv的

9、波形可由 Uun U vn得出，当1和6通时，U uv Ud， 当3和4通时，Uuv Ud，当1和3或4和6通时，Uuv=O。输出线电压PWM 波由 Ud和0三种电平构成负载相电压 PWM波由( 2/3)5，(1/3) Ud和0共5 种电平组成。 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 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 软件仿真 4.1 Matlab 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

10、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 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。 4.2建模

11、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： Simulink工具箱。在Matlab中的 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。 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。

12、 最终得到的仿真模型如下图所示: Block Parameters： Puhe Generator 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。 4.3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 10-5s，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 电流波形如图 实际仿真结果如下图 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

13、。 当负载参数如下图所示时: 号 Block Parameters: Three-Phase Senes RLC Load TJiree-Ph.as已 Ferie5 Rl Lz?ad ziaak； ；.link； IsplssentE a. miQE KLC load. Fara= t rs Cancel A相，B相，C相电压和电流波形如下图: Ab, bc, ca电压如图: 500 0 500 500 D be -1COO r 2 0 0.05 01 0 04 0.07 1COO -1COO WOO 1COO -iooa 0.01 0.03 .OS 0 08 0.09 0.02 5 总结 课

14、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，难免会遇到过各