三相桥式逆变论文

1、课程设计说明书电力电子技术课程设计说明书三相半桥电压源型逆变电路设计学生姓名：马昌杰学号：1307044327 学生姓名：胡 雨 学号：1307044346 学 院：计算机与控制工程学院 专 业：电气工程及其自动化 指导教师： 李 晓 秦 鹏 2016年1月第 共 页 中北大学课程设计任务书 2015/2016 学年第 一 学期学 院：计算机与控制工程学院专 业： 电气工程及其自动化学 生 姓 名：马昌杰学 号：1307044327学 生 姓 名：胡 雨学 号：1307044346课程设计题目：三相半桥电压源型逆变电路起 迄 日 期:2015年12月27日 2016年1月 8日课程设计地点:德

2、怀楼八层虚拟仿真实验室指 导 教 师:李晓 秦鹏学科部副主任：刘天野 下达任务书日期: 2015 年 12月 26日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1) 了解并掌握电力电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力2) 学习Visio绘图软件和Matlab仿真软件2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1) 设计的电路为三相半桥电压源型逆变电路，负载为电阻负载，通过串联滤波电感，使得流过电阻的电流为正弦电流。2) 已知参数：交流负载电阻，直流母线连接理想直流电压源。 3) 绘制电路原理图。首先，分析三相半桥电压源型逆变电路的SPWM方法，要求使用双极性SPWM方法。

3、其次，按照原理图，在仿真软件中建立仿真模型，进行仿真分析，结果应包含虑波电感和滤波电感时的电路工作的波形图以及交流总谐波失真(THD)。并对仿真结果进行必要的文字分析。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等： 1) 根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定器件类型，可供选择的变流器件为晶闸管、Mosfet和IGBT，设计电路原理图； 2) 画出电路方框图，完成电路各部分的指标分配，计算各单元电路的参数和确定各元件的参数值，叙述主要元器件的功能及他们之间的控制关系和数据传输。 3) 用Visio绘图软件绘制电路原理图 4) 利用Matla

4、b仿真软件对电路图进行仿真分析。 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献： 1 王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2008 2 刘志刚.电力电子学.清华大学出版社.2009 3 石 玉.电力电子技术例题与电路设计指导.机械工业出版社.2003 4 张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制M.北京：机械工业出版社，20125设计成果形式及要求：1) 电路原理图2) Matlab仿真电路结果图3) 课程设计说明书。6工作计划及进度： 2015年12月27日 12 月29日 设计电路 2015年12月29日 01 月 01日 绘制电路原理图 2016年01月02 日 01 月07 日 对设计的电路进

5、行Matlab仿真，撰写课程设计 说明书 2016年01 月 08 日 答辩学科部副主任审查意见： 签字： 年 月 日目录1 绪论12 PWM控制技术概述22.1面积等效原理22.2 SPWM（正弦脉冲宽度调制）控制技术32.3 SPWM的调制42.3.1自然采样法42.3.2 规则采样法42.4 SPWM的控制方法52.4.1单极性正弦脉宽调制52.4.2 双极性正弦脉宽调制53 器件选择与电路设计53.1 器件的特点53.2主电路工作原理63.3三相电压桥式逆变电路的工作波形分析73.4输出相电压与线电压的定量分析94 matlab模型建立与仿真结果分析104.1 主电路设计104.2 控

6、制电路设计114.2.1 控制电路元器件参数设置124.2.2控制电路的波形134.3仿真结果144.4结果分析164.4.1理论计算与仿真对比164.4.2谐波分析185 心得体会18参考文献191 绪论电力电子技术是一门发展历史比较短的学科，但是这项技术在人们的日常生产生活、工作学习中发挥着举足轻重的作用。电力电子技术的进步都伴随着电子器件的革新。电力电子器件在近几十年的发展历程中，经历了GTO、IGBT、MOSFET、IGBT等电力电子器件的发展更迭。伴随着大功率全控型电力电子器件的出现和发展，PWM 技术应运而生。PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲宽度

7、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（含形状和幅值）。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。早期的逆变电路所输出的波形都是矩形波或者六拍阶梯波，这些波形含有较大的谐波成分，从而影响负载（尤其是电动机）的工作性能。为了改善逆变器的性能，在出现了全控器件后，从20世纪80年代开始出现应用PWM控制技术的逆变器。由于其优良的性能，现在大量应用在逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。可以说PWM控制技术正是依赖其在逆变电路中的应用，才发展得较成熟，才奠定了它在电力电子技术中的重要地位。SPWM正弦脉宽调制法是在PWM这项技术的基础

8、上发展而来的，特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，能消除谐波中的高次谐波分量，电路设计简单等优点，是一种比较好的波形改善法。SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。2 PWM控制技术概述PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。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。早期的逆变电路所输出的波形都是矩形波或者六拍阶梯波，这些波形含有较大的谐波成分，从而影响负载（尤其是电动机）的工作性能。为了改善逆变器的性能，在出现了全控器件后，从20世纪80年代开始出现应用PWM控制技术的逆变器。由于其优良的性能，现

9、在大量应用在逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。可以说PWM控制技术正式依赖其在逆变电路中的应用，才发展得较成熟，才奠定了它在电力电子技术中的重要地位。目前除了全控型器件未能及的大功率领域，不用PWM控制技术的逆变电路已经很少见了。2.1面积等效原理PWM控制技术的理论基础是面积等效原理，即冲量（面积）相等而形状不同的窄脉冲加载具有惯性的环节上时，其效果基本相同。例如：如图1所示的三个窄脉冲形状不同，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，但其面积都等于1，图1（d）为单位脉冲函数（t）。当它们分别 作为图2（a）具有惯性环节的R-L电路的输入时，设其电

10、流i（t）为电路的输出。图2（b）给出了不同窄脉冲时i（t）的响应波形。由图中波形可知，在i（t）的上升阶段，脉冲波形不同i（t）的波形也略有不同，但其在下降阶段几乎完全相同。而且脉冲越窄则其输出响应波形的差异也越小。如果是周期性的施加上述脉冲，则其响应波形也是周期性的。用傅立叶级数分解后可以看出，各i（t）在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。将图1所示的a、b、c、d所示的窄脉冲加在图2- a所示的惯性环节上，得到输出的响应波形如图2-b所示:图1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 图2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形2.2 SPWM（正弦脉冲宽度调制）控制技术把正弦半波分成N等分，则

11、可将正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅度不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅度按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用相同数量的等幅而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相等，则得到脉冲序列。这就是PWM波形。可见该波形的各脉冲幅度相等而其宽度是按正弦规律变化。根据面积等效原理，该波形和正弦半波是等效的。正弦波的负半周可用同样的方法获得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SPWM波形。改变等效输出的正弦波幅值，只需按同一比例系数改变上述

12、各脉冲的宽度即可。2.3 SPWM的调制2.3.1自然采样法按照SPWM控制技术的基本原理，在正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度和间隙的采样，去生成SPWM波形，这种方法称为自然采样法。2.3.2 规则采样法为了让采样没有过多的繁复运算，效果又接近自然采样法，提出了规则采样法。规则采样法是取三角波两个正峰值之间为一个采样周期，使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，这样大大减少了计算。在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样，过正弦波与三角波的交点作一直线交三角波于两点，在这两点对应的时刻控制开关器件的通断。用这种规则采样方法得到的脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。2.4 SPWM的控

13、制方法2.4.1单极性正弦脉宽调制当调制信号ur为正弦波,载波uc在ur的正半周为正极的三角波波形，在ur的负半周为负极的三角波，彼此相位相差1800。在uc和ur的交点时刻控制IGBT的通断。在ur的半个周期内载波只在负极性或正极性其中一种极性范围内变化，所得的PWM波形也是只在单个极性范围内变化的PWM控制方式称为单极性PWM控制方式。单极性的正弦脉宽调制拿幅值为Ur的参考信号波Ur与幅值为Uo、频率为fo的三角波Uc进行比较，得到功率开关信号。2.4.2 双极性正弦脉宽调制用双极性正弦脉宽调制时，在ur的半个周期内，三角波载波不是单极性的，而是具有正负极性的，所得的PWM波形也是有正负极

14、性的。在ur一个周期内，输出的PWM波脉冲只有Ud两种电平，而没有单极性控制时的零电平。而且在ur的正、负半周时，对各开关器件的控制规律相同。依然是在载波信号uc和调制信号ur的交点时控制开关的通断。3 器件选择与电路设计3.1 器件的特点GTR和GTO时双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较慢，所需驱动功率很大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型的电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小，但是电力MOSFET电流容量小，耐压低，多用于低功率的电力电子装置。而绝缘栅双极晶体管（IGBT）综合了GTR和电力MOSFET的优点，IGBT

15、开关速度高，开关损耗小、在相同额定电压和电流情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力、IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域,与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可以保持开关频率高。所以本课程设计选择绝缘栅双极晶体管。3.2主电路工作原理三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也、是180导电方式，即每个桥臂的导电角度为180，同一相（即同一半桥）上下、两个臂交替导电，各相开始导电的电角度依此相差120。这样，在任一瞬间，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

16、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3-1为SPWM逆变电路的主电路图，图中VT1-VT6是逆变器的六个功率开关元器件，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。它的控制电路中一组三相对称的正弦参考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Uc时公用的，分别与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Uru、Urv、Urw作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。 图3-1 主电路图3.3三相电压

17、桥式逆变电路的工作波形分析对于U相输出来说，当桥臂1导通时, 当桥臂4导通时, 。因此，的波形幅值为的矩形波,如图(a)所示。V、W两相的情况和U相类似，、的波形形状和相同，只是相位一次相差为。、的波形如图(b)、(c)、(d)所示。负载线电压、可由下式求出 =- (3-1) =- (3-2) =- (3-3)依照上式画出的波形。设负载中点N与直流电源假想中点N之间的电压为，则负载各相的相电压分别为=- (3-4) =- (3-5) =- (3-6)把上面各式相加并整理可求得=1/3（+）-1/3（+） (3-7)设负载为三相对称负载，则有+=0故可得 =1/3（+） (3-8)的波形如图（e

18、）所示，它也是矩形波，但其频率为频率的3倍，幅值为其的1/3，即为/6。图（f）给出了的波形，、的波形形状和相同，仅相位依次相差。负载参数已知时，可以由的波形 求出U相电流的波形。负载的阻抗角不同，的波形形状和相位都有所不同。图(g)给出的是阻感负载下0即为桥臂1导电的区间，其中0时为导通；0时为导通，0时为导通。、的波形和形状相同，相位依次相差。把桥臂1、3、5的电流加起来，就可以得到直流侧电流的波形，如图（h）所示。可以看出，每隔脉动一次，而直流侧电压是基本脉动的，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，且脉动的情况和脉动情况大体相同。这也是电压型逆变电路的一个特点。3.4输出相电压

19、与线电压的定量分析下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出线电压展开傅里叶级数得=（sinwt-1/5sin5wt-1/7sin7wt+1/11sin11wt+1/13sin13wt-.） =sinwt+ (3-9)式中，n=6k1，k为自然数。输出线电压有效值为 = （3-10）基波幅值和基波有效值分别为 =1.1 （3-11） = （3-12）下面再来对负载相电压进行分析。把展开成傅里叶级数得 =（sinwt+1/5sin5wt+1/7sin7wt+1/11sin11wt+1/13sin13wt+.） =（sinwt+） (3-13)式中，n=6k1，k为自然数。负载相电压有效

20、值为 （3-14）基波幅值和基波有效值分别为 =0.637 （3-15） =0.45 (3-16) 在上述导电方式逆变器中，为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取“先断后通”的方法。即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后给应导通的器件发出开通信号，即两者之间留一个短暂的死区时间。死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就越短。4 matlab模型建立与仿真结果分析4.1 主电路设计 根据原理分析，建立图示模型，其中直流电压源为100v,用“Universal Bridge”代替6个带反并联二极管的IGBT，

21、三个负载为0.5的电阻使用三角形方式连接，三个滤波电感为0.1mH(1mH),使用“Multimeter”模块将负载的相电压、线电压、电流显示在示波器上。电力电子的仿真需要“Powergui”模块，将其设置为离散模式，仿真时间为1s，脉冲触发电路利用“Simulink”库中的模块形成。图4-1主电路原理图4.2 控制电路设计脉冲产生电路使用三个正弦波发生器，它们共用一个三角波发生器。当正弦波的值大于等于三角波的值时输出“1”，小于三角波的值时输出“0”；这样就可以产生两路相反的触发脉冲。由于三个正弦波的初相位不同，这样就可以产生6路触发脉冲。图4-2 控制电路原理图4.2.1 控制电路元器件参

22、数设置(1)正弦波参数设置正弦波的生成使用正弦波发生器，对于U相来说，设置其电压幅值为0.8v，频率为50Hz，初相相位为0；V相、W相的设置与U相相同，只是初相相位依此滞后。图4-3 (2)三角波参数设置三角波的生成使用“Repeating sequence”模块产生，将其幅值设置为1v，频率设置为550Hz。图4-4 4.2.2控制电路的波形图4-5 4.3仿真结果 时的仿真图图4-6 时的仿真图图4-74.4结果分析4.4.1理论计算与仿真对比由于U、V、W三相基波相差，即U、V、W三相的N次谐波相位将相差，而U、V、W三相的N次谐波大小相等相位相同，因此线电压中不再含N次谐波，线电压中

23、仅含，等高次谐波，对应本实验应含最低谐波为9次。模型中的调制比 (4-1)载波比 (4-2) 时的谐波仿真图图4-8 时的谐波仿真图图4-9 由图可以得到谐波的最低频率为450Hz，即9次谐波，与理论计算得到的结果一样。4.4.2谐波分析(1)在、时，输出交流电压的总谐波失真(THD)=49.94%;9次谐波(THD)=23.99%；13次谐波(THD)=21.40%(2)在、时，输出交流电压的总谐波失真(THD)=8.77 %;9次谐波(THD)=5.66%；13次谐波(THD)=3.96%(3)SPWM逆变电路的主要谐波集中在载波频率附近。(4)随着滤波电感的增大，输出交流电压的谐波失真减小，输出的波形更加接近正弦波。5 心得体会两周的课程设计三相桥式电压源型逆变电路设计就要结束了，虽然课程设计的时间比较短，但我却收获了值得总