三相SPWM逆变器的仿真与研究毕业设计

陕西理工学院毕业设计陕西理工学院毕业设计陕西理工学院毕业设计三相SPWM逆变器的仿真与研究[摘要]随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，PWM技术得到了迅速发展，SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列优点，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。因此，研究SPWM逆变器的基本工作原理和作用特性意义十分重大。本论文介绍了三相电压型SPWM逆变器的工作原理，仿真电路及matlab仿真。文中还给出了用此逆变器构成的三相交流电动机变频调速系统，并对仿真结果进行分析。[关键词]正弦脉宽调制，逆变器，电机变频调速，matlab仿真Three-phaseSPWMinvertersimulationandresearchAuthor:HuangFei(Grade9,Class1,MajorAutomation,ElectricalEngineeringDept,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003，Shaanxi)Instructor:ZhangPengChao[AbstracWith]thepowerelectronicstechnology,computertechnology,therapiddevelopmentofautomaticcontroltechnology,PWMtechnologyisdevelopingrapidly,SPWMsinepulsewidthmodulationprincipleofthistechnologyischaracterizedbysimple,versatile,withafixedswitchingfrequency,controlandregulationperformance,eliminateharmonicsthatcontainonlyafixedoutputvoltageofhighfrequencyharmoniccomponents,simpledesignandaseriesofadvantages,isagoodwaveformimprovementAct.Itwasasmallinverterplayedanimportantrole.SPWMtechnologybecomethemostwidelyusedinverterwithPWMtechnology.Therefore,thestudyofSPWMinvertercharacteristicsofthebasicworkingprincipleandtheroleofgreatsignificance.Thispaperdescribesthethree-phasevoltageSPWMinverterworks,simulatecircuitsandmatlabsimulation.Thearticlealsogivesthecompositionwiththisthree-phaseACinvertermotorfrequencycontrolsystems,andsimulationresultswereanalyzed.[Keywords]Sinusoidalpulsewidthmodulation,inverters,motorspeed,matlabsimulation毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：I学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日I引言经过大约30多年的发展，交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流。在电气调速领域内，可以相信在不久的将来交流调速将会完全取代直流调速传动。现在要求性能较高的中、小容量的交流调速传动，主要使用电子式电力变换器对交流电动机进行变频调速。除变频以外的另一些简单的调速方案，如变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等，它们只有在特定场合有一定的应用。由于电力电子学和微电子技术的发展，使变频调速技术近年来获得了飞速的发展，各种变频调速控制方式、PWM脉宽调制技术以及MCU微处理器和以大规模集成电路为基础的全数字化控制技术等均在变频调速中获得了成功应用。SPWM正弦脉宽调制法这项技术的特点是原理简单，通用性强，具有开关频率固定，控制和调节性能好，能消除谐波使输出电压只含有固定频率的高次谐波分量，设计简单等一系列优点，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。SPWM技术成为目前应用最为广泛的逆变用PWM技术。根据生成SPWM波形的实现方式可以分为模拟控制和数字控制两种形式。传统的模拟控制在逆变器中应用广泛，技术成熟，控制性能优良，但模拟控制也存在一些缺陷：元件众多，设计周期长，调试复杂，不易管理维护等。随着数字信号处理技术的蓬勃发展，数字控制技术已经成功地应用到电力电子与电力传动控制领域中来，逆变器的数字控制逐渐成为研究热点。PWM技术的应用1.1PWM控制技术的研究意义PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先在<<BBC>>评论上提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍占主导地位,并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以分为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABBACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5KHZ，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。为求得改善，随机PwM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；另一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义，电机调速性能的提高可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率，从而提高产品的质量和数量;对于风机、水泵负载，如果采用调速的方法改变其流量，节电效率可达20%-60%。众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电机调速所垄断，这是和实际中交流电机的广泛使用是一对存在的矛盾，许多应用交流电机的设备为了达到调节被控对象的目的，只能采用物理的方法，例如采用风门，阀门控制流量等，这样浪费能源的问题就很突出，费用就大。而且在采用直流调速的方面由于直流电机固有的缺点—换相器和电刷的存在，使得维修工作量大，事故率高，电机的大容量使用受到限制，在易燃易爆的场合无法使用，因此开发交流调速势在必行。变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是目前运用最广泛且最有发展前途的调速方式。交流电动机变频调速系统的种类很多，从早起提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。目前变频调速的主要方案有：交-交变频调速，交直-交变频调速，同步电动机自控式变频调速，正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速，矢量控制变频调速等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闸管GT0，电力晶体管GTR，绝缘门极晶体管IGBT，MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制，从而使变频装置的快速性，可靠性及经济性不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。常用的PWM技术主要包括：正弦脉宽调制(SPWM)、选择谐波调制（SHEPWM）、电流滞环调制（CHPWM）和电压空间矢量调制（SVPWM）。PWM技术用于变频器的控制，可以改善变频器的输出波形，降低谐波并减小转矩脉动。同时也简化了变频器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应。随着电力电子器件制造技术的发展和新型电路变换器的不断出现，现代控制理论向交流调速领域的渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。控制策略的应用：由于电力电子电路良好的控制特性及现代微电子技术的不断进步，使几乎所有新的控制理论，控制方法都得以在交流调速装置上应用和尝试。从最简单的转速开环恒压频比控制发展到基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制和基于动态模型保持定子磁链恒定的直接转矩控制1.2PWM控制技术的发展现状一、课题背景正弦逆变电源作为一种可将直流电能有效地转换为交流电能的电能变换装置被广泛地应用于国民经济生产生活中,其中有:针对计算机等重要负载进行断电保护的交流不间断电源UPS(UninterruptlePowerSupply);针对交流异步电动机变频调速控制的变频调速器;针对智能楼宇消防与安防的应急电源EPS(EmergencePowerSupply);针对船舶工业用电的岸电电源SPS(ShorePowerSupply);还有针对风力发电、太阳能发电等而开发的特种逆变电源等等.随着控制理论的发展与电力电子器件的不断革新,特别是以绝缘栅极双极型晶体管IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)为代表的自关断可控型功率半导体器件出现,大大简化了正弦逆变电源的换相问题,为各种PWM型逆变控制技术的实现提供了新的实现方法,从而进一步简化了正弦逆变系统的结构与控制.电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的6个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本文针对正弦波输出变压变频电源SPWM调制方式及数字化控制策略进行了研究，以SG3525为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变频输出。交流传动与控制技术是目前发展最为迅速的技术之一，这是和电力电子器件制造技术、变流技术控制技术以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关。通用变频器作为早个商品开始在国内上市，是近十年的事，销售额逐年增加，于今全年有超过数十亿元（RMB）的市场。其中．各种进口品牌居多，功率小至百瓦大至数千千瓦；功能简易或复杂；精度低或高；响应慢或快：有PG（测速机）或无PG;有噪音或无噪音等等。对于许多用户来说,这十年中经历了多次更新，现所使用的变频器大都属于目前最为先进的机型如果从应用的角度来说，我们的水准与发达国家没有什么两样。作为国内制造商,通过这十年来对国外的先进技术进行销化，也正在积极地进行国产变频器的自主开发．努力追赶世界发达国家的水平。回顾近十年来国外通用变频器技术的发展对于深入了解交流传动与控制技术的走向，以及如何站在高起点上结合我国国情开发我国自己的产品应该说具有十分积极的意义.通用变频器大都为电压型交-直-交变频器。三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了通用变频器的应用范围。PWM控制技术2.1PWM（脉冲宽度调制）PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变逆变输出频率。PWM控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）理论基础: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。f(f(t)(t)tOtOtOtOf(t)f(t) a b c d 图2.1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲PWM波形可等效的各种波形，例如：直流斩波电路可以等效直流波形；PWM波可以等效正弦波形；还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波的方法：⑴正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；⑵用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等。这样就可得到PWM波形。由上方法可知各脉冲的幅值相等，而宽度按正弦规律变化。对于正弦波的负半周，也可用同样的方法得到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。要改变等效输出正弦波幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。2.2PWM的控制方法及其比较2.2.1单极性正弦脉宽调制调制信号u为正弦波,载波u在u的正半周为正极性的三角波，在u的负半周为负极 r c r r性的三角波。在u和u的交点时刻控制IGBT的通断。在u的半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一极范围内变化，所得到的PWM波形也在单个极性范围变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。单极性正弦脉宽调制用幅值为U的参考信号波U与幅值为f,频率为f的三角波Ur r o o c比较，产生功率开关信号。其原理波形如图2.2所示。图2.2是用单相正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截，再通过倒相产生功率开关驱动信号。参考波频率fr决定了输出频率fo，每半周期的脉冲数P决定于载波频率fc。即:fP=c(2-1)2fa用参考电压信号的幅值Ur，与三角形载波信号的幅值Uc的比值，即调制度m=Ur/Uc，来控制输出电压变化。当调制度由0~1变化时，脉宽由0~π/p变化，输出电压由0~E变化。如果每个脉冲宽度为θ，则输出电压的傅里叶级数展开式为:UtAcosnBsinn（2-2)0 n nn1系数An和Bn由每个脉宽为θ，起始角为α的正脉冲来决定和对应的负脉冲起始角π+α来决定。如果第j个脉冲的起始角为αj则有p4E nAnj1nsin2cosnaj2(2-3a)Bp4Esinnsinnaj2(2-3b)nn2j1由式(2-3a)、式(2-3b)可计算输出电压的傅里叶级数的系数p2Esinnajjsinnaj(2-4a)n nj1p2Ecosnajcosnajj(2-4b)n nj1图双极性正弦脉宽调制 用双极性方式时，在u的半个周期内，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u的一个周期内，输出的PWM波只有±U两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。仍u和载波信号u的交点时刻制各开关的通断。r c在u的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。r双极性正弦脉宽调制的输出电压u0(t)波形在0~2π区间关于中心对称、在0~π区间关于轴对称，其傅里叶级数展开式为UtBsinnt 0 n n1,3,5...2utsinntdt(2-5) B0 0 n式（2-5）中输出电压u0（t）可看成是幅值为E，频率为fo的方波与幅值为2E、频率为fc的负脉冲序列(起点和终点分别为的叠加。因此1123212,,,...,,pp21215,3,141coscospjjnjEnananurucwuouofod(2-6) O t则输出电压为uU Ut sinnt(2-7) 0 O wt -Ud输出电压基波分量U(t)为01Ut4E1pcosnacosnasinnt(2-8) 01 nj1 2j1 2jEsinntdta2EsinntdtBn20a4Esinntdta1a2pEsinntdt a a 3 2p14Epcosnacosna1nj1 2j1 2j图2.3双极性PWM控制方式波形2.1.3单极性调制和双极性调制的比较 双极性调制和单极性调制都通过调制波和载波比较，在交点处产生驱动信号。改变调制波u的幅值，则改变了调制正弦波和三角波的交点位置，可以调节矩形脉冲的宽度，从而f，使交流电的频率，也同时变化，因此调节调制波的频率和幅值就可以调节交流输出电的大小和频率，调压和调频（VVVF控制）同时在逆变器的控制中完成，不再需要调控直流电源电压，因此电压型PWM控制的直流电源都采用不控整流器为直流电源。为了反映载波和调制波的关系，定义调制比M为调制波幅值和载波幅值之比：U0M1MUrmCm改变M即调节了交流输出电压，M也称为调制度。定义载波比N（即频率比）为载波频率与调制波频率之比：ffTNfcfcTr r 0 c载波比N决定了一周期中组成输出交流电的脉冲个数。单极性调制在输出交流半周期内只有单一极性的脉冲，因此输出电压较高。（基波值）较高；双极性调制在输出交流的半周内有正负脉冲，因此输出电压（基波值）比较单极性较低，但是双极性调制灵敏度较高，使用也较多，可以证明双极性调制，如果载波比N足够大，调制比M1，则基波电压幅值UMU，输出交流电压基波有效值为 1m dUU20.707MU，而采用180O方波调制时输出交流电压基波有效值可01 1md以达到U0.9U，U为直流电源电压。 01 d d采用PWM调制时，在输出电压中可以消除(N-2)次以下谐波，N为载波比，因此除基波外，其最低次谐波为(N-2)次。例如N=15时最低次谐波为13次谐波，而15次谐波幅值最大，U2U2π=0.9U。如果逆变器输出频率为50H，载波频率为2KH，则N=40，U15 d d z z这时可以消除38次以下的谐波，而残存的高次谐波则较易滤除。双极性调制同相上下桥臂的开关器件交替导通，较易产生直通现象，因此同相上下桥臂开关的关断和导通之间要有一定的时间间隔，称为“死区”，以确保不产生直通现象。插入死区使输出电压波形产生一定的畸变，输出电压也略有降低，并使输出电压含有低次谐波，并且主要产生的是奇次谐波，而单极性调制则没有这个问题。2.2SPWM（正弦脉冲宽度调制）2.2.1SPWM的工作原理PWM的全称是PulseWidthModulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采用。SPWM(SinusoidalPWM)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。三角波变化一个周期，它与正弦波有两个交点，控制逆变器中开关元件导通和关断各一次。要准确的生成SPWM波形，就要精确的计算出这两个点的时间。开关元件导通时间是脉冲宽度，关断时间是脉冲间隙。正弦波的频率和幅值不同时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间由软件实现，时间的控制由定时器完成，是很方便的，关键在于调制算法。调制算法主要有自然采样法、规则采样法、等面积法等。2.2.2SPWM的调制算法1.自然采样法按照SPWM控制的基本原理，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，成为自然采样法。如图2-8所示图2.4自然采样法原理图2.规则采样法为使采样法的效果既接近自然采样法，没有过多的复杂运算，又提出了规则采样法。其出发点是设法使SPWM波形的每个脉冲都与三角波中心线对称。这样，图2.5中的法。计算就大大简化了。图2.5规则采样法原理图3.双极性正弦波等面积法正弦波等面积算法的基本原理为:将一个正弦波等分成H个区段，区段数H一定是6的整数倍，因为三相正弦波，各项相位互差120，要从一相正弦波方便地得到其他两相，l必须把一个周期分成6的整数倍。H越大，输出波形越接近正弦波。在每一个区段，等分成若干个等宽脉冲(N)，使这N个等脉冲面积等于这一区段正弦波面积。采用这种方法既可以提高开关频率，改善波形，又可以减少计算新脉冲的数量，节省计算机计算时间。正弦波面积为A=s2UsintdtUcostcostnn12s1nn12s1与区段数lH，每个区段脉冲数N及脉冲周期us1f。HNT106l3三相桥式逆变器3.1IGBT的动态特性分析ttUttUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2tdo(ff)tftd(on)trUCE(on) 90%UGEM 10%U GEMI0 90%ICMC 10%ICM0 UCE O t图3.1与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。3.1.2IGBT的特性和参数特点(1)开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。(2)相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。(3)通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。(4)输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。(5)与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开特点。3.2三相PWM逆变器的工作原理和结构电路3.2.1三相桥式PWM逆变器电路三相桥式逆变电路如图所示，图中应用V1-V6作为逆变开关，也可用其它全控型器件构成逆变器，若用晶闸管时，还应有强迫换流电路。图3.2从电路结构上看，如果把三相负载看成三相整流变压器的三个绕组，那么三相桥式逆变电路犹如三相桥式可控整流电路与三相二极管整流电路的反并联，其中可控电路用来实现直流到交流的逆变，不可控电路为感性负载电流提供续流回路，完成无功能量的续流和反馈，因此VD～VD称为续流二极管或反馈二极管。 1 63.2.2逆变器的工作原理在三相桥式逆变电路中，各管的导通次序同整流电路一样，也是T、T、T„„T、T„„ 1 2 3 6 1各管的触发信号依次互差60。根据各管的导通时间可以分为180导通型和120导通型两种工作方式，在180导通型的逆变电路中，任意瞬间都有三只管子导通，各管导通时间为180，同一桥臂中上下两只管子轮流导通，称为互补管。在120导通型逆变电路中，各管导通120，任意瞬间只有不同相的两只管子导通，同一桥臂中的两只管子不是瞬时互补导通，而是有60的间隙时间，当某相中没有逆变管导通时，其感性电流经该相中的二极管流通。图3.3图3.3中的u`、u`与u`是逆变器输出端a、b、c分别与直流电源中点o`之间的电压，o`点并不定是等电位的，u`等并不代表负载上的相电压。令负载零点o与直流电源中点o`之间的电压为u`，则负各相的相电压分别为oo(3-1)将式(3-1)中各式相加并整理后得一般负载三相对称，则u+u+u=0，故有aoboco(3-2)由此可求得a相负载电压为(3-3)在图3.3中绘出了相应的负载a相电压波形，u和u波形与此相似。 bo co3.2.3spwm波的基波电压对电动机来说，有用的是电压的基波，希望spwm波形中基波的成分越大越好。为了找出基波电压，须将spwm脉冲序列波u(t)展开成傅氏级数，由于各相电压正、负半波及其左、右均对称，它是一个奇次正弦周期函数，其一般表达式为式中(3-4)要把包含n个矩形脉冲的u(t)代入上式，必须先求得每个脉冲的起始相位和终了相位。在图3-5中，由于在原点处三角波是从负的顶点开始出现的，所以第i个脉冲中心点的相位应为(3-5)于是，第i个脉冲的起始相位为终了相位为其中δ是第i个脉冲的宽度。把各脉冲起始和终了相位代入式(3-4)中，可得i f2f2 5580Hz3720Hz(3-6)tmin 3 3tmax故(3-7)以k=1代入式(3-7)，可得输出电压的基波幅值。当半个周期内的脉冲数n不太少时，各脉冲的宽度δ都不大，可以近似地认为sinδ/2≈δ/2，因此i i i(3-8)可见输出基波电压幅值u与各段脉宽δ有着直接的关系，它说明调节参考信号的幅值从而改器输出电压基波幅值的平滑调节。根据脉冲与相关段正弦波面积相等的等效原则可以导出(3-9)将式(3-5)、式(3-9)代入式(3-8)，得(3-10)可以证明，除n=1以外，有限项三角级数而n=1是没有意义的，因此由式(3-10)可得u=u也就是说，spwm逆压正是调制时所要求的正弦波幅值电压。当然，这个结论是在作出前述的近似条件下得到的，即n不太少，sinπ/2n≈π/2n，且sinδ/2≈δ/2。当这些条件成立时，spwm变压变频器能很好地满足异步电动机变压变频调速i i的要求。要注意到，spwm逆变器输出相电压的基波和常规六拍阶梯波的交-直-交变压变频器相比要小一些，据有关资料介绍，仅为其86%90%，这样就影响了电机额定电压的充分利用。为了弥补这个不足，在spwm逆变器的直流路中常并联相当大的滤波电容，以抬高逆变器的直流电源电压u。d3.2.4脉宽调制的制约条件根据脉宽调制的特点，逆变器主电路的功率开关器件在其输出电压半周内要开关n次。如果把期望的正弦波分段越多，则n越大，脉冲波序列的脉宽δ越小，上述分析结论的准确i性越高，spwm波的基波就更接近期望的正弦波。但是，功率开关器件本身的开关能力是有限的，因此，在应用脉宽调制技术时必然要受到一定条件的制约，这主要表现在以下两个方面。3.2.5功率开关器件的开关频率各种电力电子器件的开关频率受到其固有的开关时间和开关损耗的限制，全控型器件常用的开关频率如下：双极型电力晶体管(bjt)开关频率可达15khz，可关断晶闸管(gto)开关频率为12khz，功率场效应管(p-mosfet)开关频率可达50k，而目前最常用的绝缘栅双极晶~体管(igbt)开关频率为5～20khz。定义载波频率f与参考调制波频率f之比为载波比n(carrierratio)，即t r(3-11)相对于前述spwm波形半个周期内的脉冲数n来说，应有n=2n。为了使逆变器的输出尽量接近正弦波，应尽可能增大载波比，但若从功率开关器件本身的允许开关频率来看，载波比又不能太大。n值应受到下列条件的制约：(3-12)式(3-12)中的分母实际上就是spwm变频器的最高输出频率。3.2.6最小间歇时间与调制度为保证主电路开关器件的安全工作，必须使调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间歇的限制，以保证最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间ton，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间toff。在脉宽调制时，若n为偶数，调制信号的幅值urm与三角载波相交的两点恰好是一个脉冲的间歇。为了保证最小间歇时间大于toff，必须使urm低于三角载波的峰值utm。为此，定义urm与utm之比为调制度m，即(3-13)在理想情况下，m值可在01之间变化，以调节逆变器输出电压的大小。实际上，m总是小于1的，在n较大时，一取最高的m=0.80.9。~3.2.7同步调制与异步调制在实行spwm时，视载波比n的变化与否，有同步调制与异步调制之分同步调制：在同步调制方式中，n＝常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步改变，因而输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。如果取n等于3的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差120°的对称关系。但是，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使负载电动机产生较大脉动转矩和较强的噪声，这是同步调制方式的主要缺点。异步调制：为了消除同步调制的缺点，可以采用异步调制方式。顾名思义，异步调制时，在变压变频器的整个变频范围内，载波比n不等于常数。一般在改变调制波频率fr时保持三角载波频率ft不变，因而提高了低频时的载波比。这样输出电压半波内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加，从而减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能。有一利必有一弊，异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点。当载波比n随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，可能引起电动机工作的不平稳。分段同步调制：为了扬长避短，可将同步调制和异步调制结合起来，成为分段同步调制方式，实用的spwm变压变频器多采用这种方式。在一定频率范围内采用同步调制，可保持输出波形对称的优点，但频率降低较多时，如果仍保持载波比n不变，输出电压谐波将会增大。为了避免这个缺点，可以采纳异步调制的长处，使载波比分段有级地加大，这就是分段同步调制方式。具体地说，把整个变频范围划分成若干频段，在每个频段内都维持载波比n恒定，而对不同的频段取不同的n值，频率低时，n值取大些，一般大致按等比级数安排。表3-1给出了一个系统的频段和载波比的分配，以资参考。三相电压型SPWM逆变器的仿真4.1三相电压型SPWM逆变器的仿真设计三相电压型SPWM逆变器的系统电路图4.14.2三相电压型SPWM逆变器的各模块电路4.2.1电源模块图4.2整流桥参数设置图SPWM波形发生电路图4.5图4.5图4.4SPWM参数设置2.3滤波电路 图图4.6滤波电容参数设置图逆变电路图图4.8逆变器参数设置图4.94.3三相电压型SPWM逆变器的电动机调速仿真图图4.10图4.10电机参数设置图4.11图4.11多路测量仪参数设置多路测量仪参数设置图.125结果分析及研究5.1SPWM波形分析图图5.1PWM模块的三角波频率为600ZH，正弦波频率为50ZH。5.2三相电压型SPWM逆变器的波形分析图5.2图5.3Ua.Ub,Uc为三相互差120°的310v交流电(1)图5-2、5-3中U、U、U为负载电压的波形，ra rb rcU为逆变器1桥臂的电压波形，sw1I为逆变器中1桥臂的电流波形，sw1I为负载上电流的波形，bU、U、U为三相逆变器的两相间的电压波形bc ab ac（2）图5.3为整流后的电压5.3三相电压型SPWM逆变器电机调速的波形分析图5.4图5.5图5.4为PWM模块的三角波频率为600H，正弦波频率为50HZ时的电机转子电流、定子电流、电机转速、转矩的波形图。此时电机转速n=1500r/min图5.5为PWM模块的三角波频率为600H，正弦波频率为30H时的电机转子电流、Z定子电流、电机转速、转矩的波形图。此时电机转速n=900r/min。通过改变pwm模块的正弦波频率能实现电机转速的变化。可以通过改变SPWM的调制比和占空比来达到改变逆变器输出电压的电压和频率。总结这次毕业设计历时三个月左右，通过这三个月的学习，发现了自己的很多不足，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急需提高。毕业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。回顾此次设计，至今我们仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整三月的日子里，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。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，比如有时候被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我们总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。自己看起来多完美的设计在实践下就漏洞百出了。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，也知道自己的很多不足之处，知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固.以前认为学了没用的课程现在也用到了。所谓“态度决定一切”，于是偶然又必然地收获了诸多，概而言之，大约以下几点：温故而知新。设计开始的时候思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我们深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。思路即出路。当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开。实践出真知。到今天，毕业设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”学海无涯，学无止境。这次毕业设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在努力下终于迎刃而解。同时发现了还有很多工具及理论以后亟待学习。它培养了我们严谨科学的思维，通过它架起理论与实践桥梁。致谢本课题是在张鹏超老师的精心指导下完成的。他严谨认真的治学态度和兢兢业业的敬业精神，给了我深刻的影响，促使我不断完善自己。在整个毕业设计阶段，张老师在学习、科研等方面提供了许多便利条件，使我在各方面都取得了进步。感谢导师的关心、指导。在我的毕业论文即将完成之际，向我的指导老师表示深深的致谢和敬意。张老师严谨的科学态度、严格认真的工作作风，都深深的影响着我。老师的悉心的指导和帮助，鼓励我克服了毕业设计中的种种困难，并得以顺利完成学业。在生活中，老师亲切、和善、热情助人，是我的良师益友。同时我还要感谢在毕业期间给予我帮助的同学们。最后，我要感谢我的父母，他们对我的关心和鼓励是我求学路上最大的动力和支持，我的任何成绩都应归功于他们的教育、关心和支持。由于本人水平有限，不妥之处在所难免，恳请所有读到这篇论文的老师和同学不吝赐教。参考文献洪乃刚,陈坚.《电力电子技术》.清华大学出版社2008年1月..《电力电子技术手册》(精).国外电气工程名著译丛.机械工业出版社2004年1月.康华光.《电子技术基础模拟部分(第五版)》.高等教育出版社2006年1月.李先允,姜宁秋.《电力电子技术》.中国电力出版社2008年1月.李传琦,盛义发,邹其洪.《电力电子技术基选集仿真实验》.电子工业出版社2006年6月.叶云云,《三相SPWM控制器的研究设计》.《中国教育技术装备》2009年09期.王正,潘高强,《三相SPWM逆变电源输出电压的谐波抑制综合方法》.《电气技术》2010年01期.张鹏超,《三相电压型PWM逆变器研究》.《电力电子技术》2010年12期.董锋斌,皇金锋,钟彦儒,《一种三相SPWM逆变器的建模和控制方法》.《电机与控制学报》2010年08.英文翻译InverterIntroductionAninverterisanelectricaldevicethatconvertsdirectcurrent(DC)toalternatingcurrent(AC);theconvertedACcanbeatanyrequiredvoltageandfrequencywiththeuseofappropriatetransformers,switching,andcontrolcircuits.Solid-stateinvertershavenomovingpartsandareusedinawiderangeofapplications,fromsmallswitchingpowersuppliesincomputers,tolargeelectricutilityhigh-voltagedirectcurrentapplicationsthattransportbulkpower.InvertersarecommonlyusedtosupplyACpowerfromDCsourcessuchassolarpanelsorbatteries.Therearetwomaintypesofinverter.Theoutputofamodifiedsinewaveinverterissimilartoasquarewaveoutputexceptthattheoutputgoestozerovoltsforatimebeforeswitchingpositiveornegative.Itissimpleandlowcostandiscompatiblewithmostelectronicdevices,exceptforsensitiveorspecializedequipment,forexamplecertainlaserprinters.Apuresinewaveinverterproducesanearlyperfectsinewaveoutput(<3%totalharmonicdistortion)thatisessentiallythesameasutility-suppliedgridpower.ThusitiscompatiblewithallACelectronicdevices.Thisisthetypeusedingrid-tieinverters.Itsdesignismorecomplex,andcosts5or10timesmoreperunitpowerTheelectricalinverterisahigh-powerelectronicoscillator.ItissonamedbecauseearlymechanicalACtoDCconvertersweremadetoworkinreverse,andthuswere"inverted",toconvertDCtoAC.Theinverterperformstheoppositefunctionofarectifier.ApplicationsDCpowersourceutilizationAninverterconvertstheDCelectricityfromsourcessuchasbatteries,solarpanels,orfuelcellstoACelectricity.Theelectricitycanbeatanyrequiredvoltage;inparticularitcanoperateACequipmentdesignedformainsoperation,orrectifiedtoproduceDCatanydesiredvoltageGridtieinverterscanfeedenergybackintothedistributionnetworkbecausetheyproducealternatingcurrentwiththesamewaveshapeandfrequencyassuppliedbythedistributionsystem.Theycanalsoswitchoffautomaticallyintheeventofablackout.Micro-invertersconvertdirectcurrentfromindividualsolarpanelsintoalternatingcurrentfortheelectricgrid.Theyaregridtiedesignsbydefault.UninterruptiblepowersuppliesAnuninterruptiblepowersupply(UPS)usesbatteriesandaninvertertosupplyACpowerwhenmainpowerisnotavailable.Whenmainpowerisrestored,arectifiersuppliesDCpowertorechargethebatteries.InductionheatingInvertersconvertlowfrequencymainACpowertoahigherfrequencyforuseininductionheating.Todothis,ACpowerisfirstrectifiedtoprovideDCpower.TheinverterthenchangestheDCpowertohighfrequencyACpower.HVDCpowertransmissionWithHVDCpowertransmission,ACpowerisrectifiedandhighvoltageDCpoweristransmittedtoanotherlocation.Atthereceivinglocation,aninverterinastaticinverterplantconvertsthepowerbacktoAC.Variable-frequencydrivesAvariable-frequencydrivecontrolstheoperatingspeedofanACmotorbycontrollingthefrequencyandvoltageofthepowersuppliedtothemotor.Aninverterprovidesthecontrolledpower.Inmostcases,thevariable-frequencydriveincludesarectifiersothatDCpowerfortheinvertercanbeprovidedfrommainACpower.Sinceaninverteristhekeycomponent,variable-frequencydrivesaresometimescalledinverterdrivesorjustinverters.ElectricvehicledrivesAdjustablespeedmotorcontrolinvertersarecurrentlyusedtopowerthetractionmotorsinsomeelectricanddiesel-electricrailvehiclesaswellassomebatteryelectricvehiclesandhybridelectrichighwayvehiclessuchastheToyotaPriusandFiskerKarma.Variousimprovementsininvertertechnologyarebeingdevelopedspecificallyforelectricvehicleapplications.[2]Invehicleswithregenerativebraking,theinverteralsotakespowerfromthemotor(nowactingasagenerator)andstoresitinthebatteries.2.7ThegeneralcaseAtransformerallowsACpowertobeconvertedtoanydesiredvoltage,butatthesamefrequency.Inverters,plusrectifiersforDC,canbedesignedtoconvertfromanyvoltage,ACorDC,toanyothervoltage,alsoACorDC,atanydesiredfrequency.Theoutputpowercanneverexceedtheinputpower,butefficienciescanbehigh,withasmallproportionofthepowerdissipatedaswasteheat.Circuitdescription3.1BasicdesignsInonesimpleinvertercircuit,DCpowerisconnectedtoatransformerthroughthecentretapoftheprimarywinding.AswitchisrapidlyswitchedbackandforthtoallowcurrenttoflowbacktotheDCsourcefollowingtwoalternatepathsthroughoneendoftheprimarywindingandthentheother.Thealternationofthedirectionofcurrentintheprimarywindingofthetransformerproducesalternatingcurrent(AC)inthesecondarycircuit.Theelectromechanicalversionoftheswitchingdeviceincludestwostationarycontactsandaspringsupportedmovingcontact.Thespringholdsthemovablecontactagainstoneofthestationarycontactsandanelectromagnetpullsthemovablecontacttotheoppositestationarycontact.Thecurrentintheelectromagnetisinterruptedbytheactionoftheswitchsothattheswitchcontinuallyswitchesrapidlybackandforth.Thistypeofelectromechanicalinverterswitch,calledavibratororbuzzer,wasonceusedinvacuumtubeautomobileradios.Asimilarmechanismhasbeenusedindoorbells,buzzersandtattooguns.Astheybecameavailablewithadequatepowerratings,transistorsandvariousothertypesofsemiconductorswitcheshavebeenincorporatedintoinvertercircuitdesigns3.2OutputwaveformsTheswitchinthesimpleinverterdescribedabove,whennotcoupledtoanoutputtransformer,producesasquarevoltagewaveformduetoitssimpleoffandonnatureasopposedtothesinusoidalwaveformthatistheusualwaveformofanACpowersupply.UsingFourieranalysis,periodicwaveformsarerepresentedasthesumofaninfiniteseriesofsinewaves.Thesinewavethathasthesamefrequencyastheoriginalwaveformiscalledthefundamentalcomponent.Theothersinewaves,calledharmonics,thatareincludedintheserieshavefrequenciesthatareintegralmultiplesofthefundamentalfrequency.Thequalityofoutputwaveformthatisneededfromaninverterdependsonthecharacteristicsoftheconnectedload.Someloadsneedanearlyperfectsinewavevoltagesupplyinordertoworkproperly.Otherloadsmayworkquitewellwithasquarewavevoltage.3.3ThreephaseinvertersThree-phaseinvertersareusedforvariable-frequencydriveapplicationsandforhighpowerapplicationssuchasHVDCpowertransmission.Abasicthree-phaseinverterconsistsofthreesingle-phaseinverterswitcheseachconnectedtooneofthethreeloadterminals.Forthemostbasiccontrolscheme,theoperationofthethreeswitchesiscoordinatedsothatoneswitchoperatesateach60degreepointofthefundamentaloutputwaveform.Thiscreatesaline-to-lineoutputwaveformthathassixsteps.Thesix-stepwaveformhasazero-voltagestepbetweenthepositiveandnegativesectionsofthesquare-wavesuchthattheharmonicsthataremultiplesofthreeareeliminatedasdescribedabove.Whencarrier-basedPWMtechniquesareappliedtosix-stepwaveforms,thebasicoverallshape,orenvelope,ofthewaveformisretainedsothatthe3rdharmonicanditsmultiplesarecancelledHistoryEarlyinvertersFromthelatenineteenthcenturythroughthemiddleofthetwentiethcentury,DC-to-ACpowerconversionwasaccomplishedusingrotaryconvertersormotor-generatorsets(M-Gsets).Intheearlytwentiethcentury,vacuumtubesandgasfilledtubesbegantobeusedasswitchesininvertercircuits.Themostwidelyusedtypeoftubewasthethyratron.Theoriginsof