三相逆变电源研究

三相逆变电源研究参与学生及其学号：林燕贞（1011370102）郁舒雁（1011590108）丁仲侣（1010190102）指导老师（院、系）：李强（自动化院）目录摘要 3第1章绪论 11.1课题背景 21.2现代逆变技术 21.3本课题的主要内容和意义 2第2章逆变功率器件的选择 32.1逆变器用功率开关器件 32.2器件的选择 42.2.1IGBT的结构和特点 52.2.2IGBT的基本特性 62.2.3IGBT的擎住效应和安全工作区 82.2.4IGBT驱动电路的要求 92.2.5IGBT的保护 102.3逆变电路的选择 112.3.1逆变电路的介绍 132.3.2单相电压型逆变电路 132.3.3三相电压型逆变电路 152.3.4逆变电路的选择 15第3章主电路设计 163.2主电路的参数设计 163.2.1斩波器的设计 163.2.2整流与逆变电路 18第4章控制电路的设计 204.1正弦脉宽调制波（SPWM）的产生原理 214.2SPWM波形的产生方法………… 214.3正弦脉宽调制的计算法………………22第5章参考文献………… 23第六章附录………… 25摘要PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,如果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。该设计包括主电路、驱动电路、SPWM信号产生电路的设计。逆变器中的IGBT（绝缘栅极双极性晶体管）驱动电路由SPWM进行控制，通过对主要驱动电路以及控制电路的设计,使得该逆变电源得以实现。考虑到电路的安全以及使用的寿命，我们还认为可以设计过热保护电路和过压电路保护。为了使所设计的直流电源具更广的应用，我们采用直流斩波电路的功能时将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。综上，利用IGBT和集成模块来产生驱动电路，控制电路用SPWM来控制，SPWM利用规则采样法来生成，采用双极性的控制方式。但由于我国的线电压的不稳定性，为了延长IGBT的寿命，在原来的基础上加了过电压保护和过热保护。关键词：IGBT；逆变器；斩波电路；SPWM；AbstractPWMcontrolisthetechnologyofpulsewidthmodulation,ifaccordingtothesinelawofchangeandthewidthofpulseequivalentPWMwaveformandsinewave,alsoknownastheSPWMwaveform.Thisdesignincludingmaincircuit,drivecircuit,SPWMsignalcircuitdesign.InverterIGBT(insulatedgatebipolartransistor)ofthedrivingcircuitcontrolledbySPWM,throughtothemaindrivecircuitandcontrolcircuitdesign,maketheinverterpowersupply.Consideringthesafetyofthecircuitandtheuseoflife,wecanalsothinkdesignoverheatprotectioncircuitandovervoltageprotectioncircuit.Inordertomakethedcpowersupplydesignbywiderapplication,whenweusethefunctionofthedcchoppercircuitwilldirectcurrenttoafixedvoltageoradjustablevoltagedirectcurrent(dc).Inconclusion,usingIGBTandintegrationmoduletogeneratethedrivecircuit,controlcircuitusingSPWMcontrol,SPWMrulesamplingmethodisusedtogenerate,adoptthedualpolaritycontrolmode.Butasaresultofourlinevoltageinstability,inordertoprolongthelifeoftheIGBT,onthebasisoftheoriginalandtheovervoltageprotectionandoverheatprotection.Keywords:IGBT;Inverter;Choppercircuit;SPWM.第1章绪论1.1课题背景逆变器就是一种将低压（12或24伏或48伏）直流电转变为220伏交流电的电子设备。因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。我们处在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。而逆变器的一个主要应用就是逆变电源的制作，逆变电源广泛运用于各类：电力、通讯、工业设备、卫星通信设备、军用车载、医疗救护车、警车、船舶、太阳能及风能发电领域，因此研究逆变器有着举足轻重的意义。有人甚至说早期的我们处于整流器时代，后来则进入逆变器时代。1.2现代逆变技术逆变技术，逆变技术就是电力电子技术上的使直流变成交流(DC/AC)的一门技术，是电力电子学四种变换技术中最主要的一种。它了基本功能是是使交流电能(AC)与直流电能(DC)进行相互变换.它是电力电子技术领域中最为活跃的部分.逆变器就是通过半导体功率开关器件(SCR、GTO、GTR、IGBT和功率MOSFET模块等)开通和关断作用,实现逆变的电能转换装置。逆变技术的分类方式很多，主要分类方式叙述如下。1）按逆变器输出交流的频率分为：工频（50~60Hz）、中频（400Hz到几十kHz）逆变和高频（几十kHz到几MHz）逆变；2）按交流侧与电网相接或与负载分为：无源逆变和有源逆变；3）按逆变器输出电压的波形分为：正弦波逆变和非正弦波逆变；4）按逆变器输出的交流的相数分为：单相逆变、三相逆变和多相逆变；5）按逆变器输入直流电源的性质分为：电压源逆变和电流源逆变；6）按逆变器的控制方式分为：脉宽调制（PWM）逆变、脉频调制（PFM）逆变和数字逆变。1.3本课题的主要内容和意义本次设计的逆变电源主要由控制部分，功率发生电路组成。逆变器中的IGBT（绝缘栅极双极性晶体管）驱动电路由SPWM进行控制，通过对主要驱动电路以及控制电路的设计,使得该逆变电源得以实现。考虑到电路的安全以及使用的寿命，我们还认为可以设计过热保护电路和过压电路保护。在驱动电路部分我们采用了IGBT。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。在控制部分我们采用SPWM（正弦脉宽调制），SPWM就是在PWM的基础上使得输出电压脉冲在一个特定的时间间隔内的能量等于正弦波所包含的能量。由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。和单极性调制技术不同，在ur的一个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得SPWM也是有正有负。在调制信号ur和载波信号的交点时刻控制各开关器件的通断，达到了很好的控制作用。SPWM波形的生成方法主要有自然采样法、规则采样法、等面积法等。自然采样法是最基本的方法，所得到的SPWM波形很接近正弦波，但这种方法要求解复杂的超越的方程，在实时控制中难以在线计算，因此在工程上我们采用规则采样法。为了使所设计的直流电源具更广的应用，我们采用直流斩波电路的功能时将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。综上，利用IGBT和集成模块来产生驱动电路，控制电路用SPWM来控制，SPWM利用规则采样法来生成，采用双极性的控制。但由于我国的线电压的不稳定性，为了延长IGBT的寿命，在原来的基础上加了过电压保护和过热保护。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的的交流电。因为电网中它不存在的电磁污染，可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，智能性高。采用SPWM数字化逆变电源零部件少、精度高,核心部件的维护和维修比较容易.第2章逆变功率器件的选择2.1逆变器用功率开关器件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（GTR）、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.下面介绍当前主要功率开关器件的特性及其应用情况。1）晶闸管：这是最早应用的一种功率开关器件，其特点是功率最大，应用最广。普通型SCR的电压高达6000V，电流达数千安培，自身正向压降约为1.5V，开通仅需要在晶闸管承受正向电压的基础上在门极加触发脉冲即可，但晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，即不论触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。若要使导通的晶闸管关断必须用电感、电容和辅助开关器件组成的强迫换向电路。其工作频率不大于400Hz。由于其工作频率低，关断电路复杂，效率低，功耗大，因此在PWM调制中产生的正弦波不够完善，并且噪声大。目前，逆变器中已经基本不再用SCR作为功率开关器件，SCR主要用做UPS的静态开关。2）电力场效应管（MOSFET）：电力MOSFET是一种单极型开关器件。其特点是开关速度快，安全工作区宽，热稳定性好，线性控制能力强，采用电压控制，易于实现数控，因此常常作为开关器件实现电量的逆转换。MOSFET的缺点是由于电力MOSFET本身结构所致，在其漏极和源极之间形成与反向并联的寄生二极管，会影响MOSFET电力的使用。3）电力（GTR）晶体管:与普通双极结型晶体管的原理相似，但是对GTR来说最主要的特性就是耐压高，电流大，开关性能好，通常采用至少两个晶体管按达林顿法组成单元结构。但由于存在存在二次击穿使器件处于永久性损坏。与此同时若采用多重达林顿晶体管提高增益，则开关时间增长，自身电压降会增大。由于其开通状态必须饱和，因此电流增益很低，往往要求驱动电路输出很大的电流，使功率消耗增大，间接减少期间的使用寿命。4）绝缘栅双极晶体管（IGBT）：IGBT是三端器件，具有栅极G，集电极C，发射极E，是一种新发展起来的复合型功率开关器件，它既有单极型电压驱动的MOSOFT的优点，又结合了双极型开关器件BJT耐高压，电流大的优点。其开关速度显然比功率MOSFET低，但远高于BJT，又因为它是电压控制器件，故控制电路简单、稳定性好。IGBT的最高电压为1200V，最大电流为1000A，工作频率高达1000kHz。它具有电压控制和开关时间（约为300ns）极短的优点。其正向压降约为3V。在现代的UPS中IGBT普遍被用作逆变器或整流器开关器件。它是全控型开关器件，通过数控技术控制IGBT的通断，能有效地将输入电压与输入电流保持同步，是功率因数等于1，从而减小了UPS整流器对市电电源的干扰。2.2器件的选择通过对各种功率器件的分析，对于本次逆变电源设计将选用IGBT场效应晶体管作为逆变器用功率开关器件。下面就对绝缘栅双极晶体管（IGBT）做详细的介绍。绝缘栅极双极性晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)是功率MOSFET和双极型功率晶体管组合在一起的符合功率器件。它既具有MOSOFT管的通/断速度快、输入阻抗高、驱动功率小和驱动电路简单等优点，又具有大功率双极晶体管的容量大和阻断电压高的优点。从IGBT问世以来得到了广泛的应用，发展很快。特别是在开关和逆变电路中，它是被广泛应用的、理想的开关器件。2.2.1IGBT的结构和特点RNIGBT的内部结构、等效电路和电气符号如图2-1所示。图2-1（a）为IGBT的内部结构，与MOSFET比较，IGBT是在MOSFET的漏极下又增加了一个区，多了一个PN结（）。IGBT的等效电路如图2-1（b）所示。它是有MOSOFT和双极型功率晶体管复合而成的。IGBT的电气符号如图2-1（c）所示。RN图2-1IGBT的内部结构、等效电路和电气符号其中RN为晶体管基区内的调制电阻IGBT具有正反向阻断电压高、通态电压大及通过电，因此IGBT也是场控器件，其开通和关断主要有栅极和发射极的电压uce决定。当uce为正且大于开启电压时，MOSOFT内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通，但由于电导调制效应的存在使器件具很小的通态压降，当栅极和发射极的电压反向或不加信号时，内部沟道消失，基极电流被切断，是的IGBT关断。同时，由于采用MOS栅，其控制电路的功耗小，导通和关断时的静态功耗也很小，只是在状态转换过程中存在一定的动态损耗。这种动态损耗也可以通过软开关即使使其达到最小。由于IGBT具有这些特点，才使其被广泛地作为功率开关期间用于开关和逆变电路中。2.2.2IGBT的基本特性IGBT的基本特性分为静态特性、动态特性和高温特性三个部分。2.2.2.1静态特性IGBT的静态特性主要包括输出伏-安特性、转移特性和静态开关特性。1）输出伏-安特性IGBT的输出伏-安特性曲线如图2-2所示。它是表示以栅极-发射极间电压为变量的集电极电流和集电极-发射极间电压的关系曲线。图2-2IGBT的输出伏-安特性曲线IBGT的输出伏-安特性曲线（他描述的是以栅极电压为参考量，集电极电流Ic和集射极间电压Uce之间的关系）分为四个区域：（1）I区为截止区。在此区域内，由于很小，随着的增加很小，且变化不大。此时，基本上是C、E间的漏电流。（2）II区为线性放大区。在此区域内，随着的增加，当≥（IGBT的开启电压）时，开始增加，并且随着的变化呈线性关系：式中，为IGBT的跨导。当IGBT用于逆变电路的开关状态时，要求尽快越过这个区域，以便减小通态损耗。因此，这个参数在实际应用中显得不是很重要了。（3）III区为饱和区。在此区域内，当为某一定值时，随着的增加，基本不变，达到饱和。达到饱和后的集电极-发射极电压成为IGBT饱和电压，记为。一般情况下=2~4V。（4）IV区为击穿区。当为某个确定值时，增加并达到后，会突然增大，发生过电压击穿。此时的称为IGBT的击穿电压。IGBT绝对不能用在此区域内。2）转移特性IGBT的转移特性曲线如图2-3所示。它表示在不变的情况下，与的关系曲线。在很小时，=。随着的增加，在=且继续增加时，呈线性增加而进入放大区。我们把从截止区转移到线性放大区的转移点称为的栅极开启电压。一般情况下，=3~5V。图2-3IGBT的转移特性曲线3)静态开关特性IGBT的静态开关特性曲线如图2-4所示。IGBT的静态开关特性实际上时表示IGBT瞬间从导通（关断）状态转换成关断（导通）的情况，即瞬间越过线性放大区的特性曲线。图2-4IGBT的静态开关特性曲线2.2.2.2动态特性前面讲述的静态特性，只表明了IGBT从一个稳态变换到另一个稳态的特性，从而没有涉及状态变换的过程。IGBT状态变换过程的特性为其动态特性。IGBT的动态特性与其负载有关。因为IGBT用于逆变电路时的负载多半时感性负载。IGBT的负载为感性时的动态特性曲线如图2-5所示。1）导通特性一般情况下，IGBT的栅极加有一个负偏压以保证IGBT可靠地处于关断状态。当栅极电压由这个负偏压开始往正方向变化时，由于栅极电容有个充电过程，在经过一段时间后，达到栅极开启电压，IGBT的集电极电流才有漏电流开始增加。这段时间称为导通延迟时间。再经过一段时间后，达到=(为流经感性负载的电流)。称为电流上升时间。此时，开始下降，在时间内下降到饱和电压。称为电压下降时间。IGBT的导通时间为、、之和，即=++2)关断特性在IGBT处于导通状态时，栅极电容上充有正电压，当向负方向变化时，由于栅极电容有个放电过程，在经过一段时间后，减小到栅极开启电压，集电极电流开始下降。这段时间称为存储时间。过后开始从=下降，由于感性负载的的作用，在上升过程中会产生电压过冲，这段时间称为电压上升时间。在过后，继续下降，最后达到，这段时间称为电流下降时间。IGBT的关断时间为、、之和，即=++第二代IGBT的导通时间=0.3~0.8，关断时间=0.6~1.5；第三代IGBT的和则更小。图2-5IGBT的负载为感性时的动态特性曲线2.2.2.3高温特性IGBT具有优良的高温通态特性，在环境温度（散热片温度）达到200左右时，仍能正常工作。特别值得一提的时，随着温度的增高，IGBT的争先个压降反而略有下降，并且还可以在某个特定的通态电流下，随着温度的变化，其通态正向压降保持基本不变。当通态电流高于此值时，随着温度的增高，其正向压降略有增加。但实际应用中，还是应该注意器件的散热问题，以避免器件工作在高温环境中。2.2.3IGBT的擎住效应和安全工作区IGBT在正常工作时，集电极电流IC基本上受控制，但当集电极电流超过某一缓大值,之后，栅极电压将失去控制作用。这是IGBT的一种特殊现象，叫做擎住效应。引发擎住效应的原因，可能是因为集电极电流过大（静态擎住电流），可能是因为duce/dt过大（动态擎住效应），温度升高会加重发生擎主效应的危险。由于动态擎住电流比静态擎住电流所允许的集电极电流还要小，因此器件给出的通常按动态擎住效应来规定。根据最大集电极电流，最大集射间电压和最大集射极功耗可以确定IGBT在导通工作的参数极限范围，即正向偏置安全工作区FBSOA（是指栅一射极间加正偏压时的安全工作区，对应IGBT的导通状态）。如图2-3所示，除和集一射极最大允许电压边界外，另一边界对应于允许的功耗。因功耗与器件的导通时间密切相关，从图中可以看出，IGBT的FBSOA也随导通时间增加而减小。可以确定IGBT在阻断工作状态下的参数极限范围即，反偏安全工作区RBSOA（是指栅一射极间加反偏压时的安全工作区，对应IGBT的关断状态）。与FBSOA相比，三条边界中，和相同，但另一条边界为器件关断后集一射极间重加正向电压的上升率。2.2.4IGBT驱动电路的要求电力电子的驱动电路是电力电子主电路和控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要组成部分。采用良好的驱动电路，可是电力电子器件处于较好的的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行的效率，可靠性和安全性都有重要的意义。在驱动电路还要提供控制电路和主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。按照驱动电路加在电子器件的控制端和公共端之间信号的性质，可以将电力电子器件分为电流驱动和电压驱动。IGBT是电压驱动型器件。以下是对其要求：1）加在IGBT栅极G和射极E之间，用来开通和关断IGBT的栅极驱动电压的正、负脉冲，应以足够陡的上升沿和下降沿，使IGBT开关时间短，开关损耗小。2）由驱动电路提供的驱动电压和驱动电流要有足够的幅值，使IGBT总处于饱和导通状态。的幅值要综合考虑减小IGBT通态损耗和提高其短路电流耐受能力这两方面的要求来选取，一般选取15V.3）在关断过程中，施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5∽-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。04）IGBT内部存在寄生晶闸管，当集电极电流IC过大或IGBT关断过程中太高时，都可能使寄生晶闸管误导通，形成静态和动态擎住效应，使IGBT失控。故应注意限制IGBT集电极电流的最大值编，本系统栅极外加串联电阻，以延长其关断时间，减小的值。2.2.5IGBT的保护在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、保护和保护也时必要的。1）过电压保护IGBT用于逆变电源时，其负载均为感性。当IGBT处于开关过程中时，会产生开关浪涌电压，幅值过大或持续时间较长的浪涌电压会损坏IGBT。为保护IGBT，除尽量减小感性负载的漏感和分布电感外，还应考虑采用过压抑制电路对IGBT进行过压保护。2）过电流保护IGBT耐受过电流的能力很有限。这种能力通常用在一定条件下IGBT耐受过电流而不损坏的时间来表征。所谓过流保护，就是指用一定的保护措施使过电流的持续时间小于。引起IGBT短路的主要原因有四钟情况：桥臂上一个IGBT管或二极管损坏，引起直通短路；桥臂上两个管子都损坏引起桥臂短路；接线错误引起输出短路;还有接线错误或绝缘损坏引起负载对地短路。所有这些短路情况都应加以保护。在相同的电源电压和门极电压下，耐受短路的时间以直通短路为最短，桥劈短路和输出短路为最长，所以任何一种短路现象都可以按直通短路处理来设计短路保护。IGBT的短路耐受能力与栅极电压有关。越小，短路耐受能力就越强。一般来说，饱和压降2V左右的IGBT的短路耐受能力仅有几微妙，这样短的时间内，保护电路要辨别是很困难的，故不能保证保护的可靠性。由图2-2可知，降低可提高IGBT的短路耐受能力，因此可以这样设想：检测到短路，便降低，这样便可延长短路时间。IGBT在短路时关断，电流很大，如果按正常工作时的关断速度进行，则会因过大的回路电感电势L叠加在上，形成幅度很高的尖脉冲，损坏主回路IGBT和其他元器件。因此必须较慢地逐渐减小直到IGBT关断。这就是所谓的“软关断”。3）缓冲电路缓冲电路其作用时抑制电力电子器件内因过电压，或者过电流和，减小器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制，减小关断损耗。开通缓冲电路用于抑制器件开通时的电流过冲和，减小器件的开通损耗。2.3逆变电路的选择2.3.1逆变电路的介绍逆变电路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，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源逆变电路（VoltageSourceTypeInverter——VSTI）和电流源逆变电路（CurrentSourceTypeInverter——CSTI）逆变器按主电路形式分类如下：电压型逆变电路有以下主要特点：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）由于支路电压源的箝位作用，交流侧输出电压波形位矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。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。为了给交流侧向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。2.3.2单相电压型逆变电路常见的单相正弦逆变电源主电路主要有半桥、全桥两种结构,其中以全桥逆变电路应用最为广泛。2.3.2.1半桥逆变电路在高压开关电源中，功率输出大的一般都使用半桥式变换电路。其电路图如图2-6所示。它由两只电容和两只高压晶体管组成。当两只晶体管都截止时，若两只电容的容量相等且电路对称，则电容中点A的电压为输入电压的一半。当导通时，电容将通过、变压器初级绕组放电；同时，电容则通过输入电源、和的原边绕组充电。中点A的电位在充、放电过程中将指数规律下降。在导通结束时，A点的电位为，且两只晶体管全都截止。两只电容和两只晶体管的集射极间的电压基本上相等，都接近于输电源电压的一半。相反，导通时，放电、充电，A点的电位将增至，即A点电位在开关过程中将在的电位上以的幅值进行指数变化。由此可见，在半桥式电路中，变压器初级线圈在整个周期中都流过电流，以磁心利用得更充分。半桥式变换电路的主要优点是其电路中所使用的功率开关晶体管的耐压较低，绝不会超过输入电压的峰值；晶体管的饱和电压也降至最低；输入滤波电容的耐压也可以减小。但是因为高频变压器上施加的电压幅值只有输入电压的一半，与推挽式相比，欲输出相同的功率，则变压开关管必须流过2倍的电流。图2-6单相半桥电压型逆变电路2.3.2.2全桥逆变电路将半桥式变换电路中的两电解电容换成另外两只高反压功率晶体管，并配以适当驱动电路即可组成全桥式变换电路，如图2-7所示。、、、组成4个桥臂。高频变压器T连接在它们中间。相对臂的、和、由驱动电路激励而交替导通，将直流输入电压变换成高频方波交流电压。其工作过程与推挽式功率转换电路一样。这样，高频变压器工作时，其初级线圈得到的电压即为电源电压。它是半桥电路输出电压的一倍，而每个晶体管耐压仍为电源电压，使输出功率增大一倍。若是电流达到半桥电路的水平，即电流增大一倍的话，则输出功率就可以增大4倍。全桥电路的主要不足是需要4组彼此绝缘的晶体管基极驱动电路,使控制驱动电路成本增大并复杂化，但选用全桥变换电路可使输出功率大大提高,而且晶体管的损耗少。图2-7单相全桥逆变电路2.3.3三相电压型逆变电路用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路,本课题设计就采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路,其基本工作方式是180度导电方式,即每个桥臂的导电度数为180度,同一相上下两个臂交替导电,个相导电的角度依次相差120度,这样,在任一瞬间,将三个桥臂同时导通。可能上面一个臂下面两个臂，也可能上面两个臂下面一个臂导通。因为没次换流都是在同一上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。图2-8三相电压型逆变电路通过图示三相电压型逆变电路来说明其最基本的工作原理。图2-8中、、、、、是桥式电路的6个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。当、、闭合为正，、、闭合为负。其他两相类似。这样，就把直流电变成了交流电，改变三组开关的切换频率，即可改变交流电的频率。这就是逆变的电路的最基本的工作原理。2.3.4逆变电路的选择本系统选择三相电压型逆变电路作为系统主电路，下面是三相电压型逆变电路的详细介绍：与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变，当交流侧直接和负载相连时，称为无源逆变。交直交变频电路由交直变换电路和直交变换电路两部分组成。变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，这就是换流。三相电压型逆变电路如图2-8。每个桥臂的导电角度为同一相上下两个臂交替导电，各项开始导电的角度依次相差。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。对于U相输出来说，当桥臂1导通时，，当桥臂4导通时，。因此，的波形是幅值为的矩形波。V、W两相的情况个U相类似，、的波形形状和相同，只是相位依次相差。负载线电压可由下式求出：（2-1）设负载中点N与支流电源假想中点之间的电压为，则负载各相的相电压分别为：（2-2）把上面各式相加并整理可求得（2-3）负载为三相对称则有，故可得（2-4）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，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在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，所留的死区时间就可以越短。第3章主电路设计3.1主电路的设计3.1.1斩波器的设计直流斩波电路（DCChopper）的功能时将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，本设计采用该电路的目的是将输入的750V直流电压转换成输入逆变电路中可用的440V50Hz直流电压。3.1.1降压斩波电路（BuckChopper）的原理图如图3-1所示：图3-1降压斩波电路的原理图该电路使用一个全控型器件V，本设计采用的是IGBT。为在V关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。当t=时刻，控制V关断负载电流经二极管VD续流负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了时负载电流来女婿且脉动小，通常串接L值较大的电感。至一个周期T结束，在驱动V导通，重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为(3-1)式中，为V处于通态时间；为V处于断态的时间；T为开关周期；为导通占空比。由此式可知，输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比，则随之减小。3.2.2整流与逆变电路整流电路是电力电子电路中出现最早的的一种，作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变3.2.2.1整流电路本论文设计中采用三相不可控整流电路，如图3-2所示：该电路图中，由六个二极管组成三相整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流电。电源的线电压为，则三相全波整流后平均直流电压的大小是（3-3）图3-2三相不可控整流电路二极管不可控三相整流电路输出的直流电含有输入交流电6倍频率的纹波，通过大电容将带有纹波的电压波形滤得比较平滑。滤波电容器C其功能是：1)滤平全波整流后的电压纹波；2)当负载变化时，使直流电压保持平稳。滤波电容C起着平波和中间储能的作用，提供电感负载的无功功率。该电容耐压应高于整流桥输出电压，电容理论上讲越大越好，但越大投资越高，一般是几千微法到几万微法之间，不宜少于4000，变频器容量越大，电容C的容量也就越大。3.2.2.2逆变电路1换流方式在逆变电路的工作过程中，电流从一个支路向另一个支路的转移称为换流，也称为换相。在换流过程中，有的支路要从通态转移到断态，有的支路要从断态转移到通态。从断态转移到通态转移时，无论支路是全控型还是半控型电力电子器件组成，只要给门极适当的驱动信号，就可以开通。但从通态转移到断态时的情况就不同。全控型器件可以通过对门极的控制使其关断，而对半控型器件的晶闸管来说，就不能通过门极的控制来使其关断，必须利用外部条件或采取其他措施才能使其关断。要在晶闸管电流过零后再施加一定的时间的反向电压，才能使其关断。使器件关断，主要是使IGBT要比其开通复杂的多，研究换流方式主要是研究如何使器件关断。一般来说，换流方式分为以下几种：1）器件换流（DeviceCommutation）利用全控型器件自关断能力进行换流。2）电网换流（LineCommutation）由电网提供换流电压。3）负载换流（LoadCommutation）由负载提供换流电压。4）强迫换流（ForcedCommutation）设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管施加反向电压或反向电流的换流方式。通常利用附加电容上所储存的能量来实现，也称为电容换流。以上四种换流方式器件换流只适用于全控器件，器件换流和强迫换流是由于器件本身或变流器自身的原因而实现换流，属于自换流；电网换流和负载换流不是依靠变流器内部的原因而实现换流，属于外换流。当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而在之路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。2电压型逆变电路电压型逆变电路有以下主要特点：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）由于支路电压源的箝位作用，交流侧输出电压波形位矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。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。为了给交流侧向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。如图3-4可以看了逆变电路的工作原理：稳定的直流经全桥逆变器，逆变成交流方波。当，这一对IGBT导通时，电压加在高频变压器原边，极性上正下负；当,这一对IGBT导通时，反向加在高频变压器的原边，极性上负下正。逆变时，必须保证，导通时，，可靠关断；反之亦然。因此，在两路驱动信号之间，要有一定的死区时间，在这段时间内，V1—V6管均关断，依此来保证上述要求。图3-4逆变电路图第4章控制电路的设计控制电路的设计是本次设计中的重要部分，它包括了系统的触发电路和保护电路。触发控制电路中主要设计正弦脉宽调制波（SPWM）的产生控制以及IGBT的驱动控制。4.1正弦脉宽调制波（SPWM）的产生原理在采样控制理论中有一个重要的结论：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。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。即当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。

把下图的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲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，就得到下图所示的脉冲序列,这就是PWM波形。可以看出各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦波规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到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（Sinusoidal

PWM）波形。要改变等效输出的正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。4.2SPWM波形的产生方法由SPWM的原理可知，若给出了逆变电路的正弦波输出频率，幅值和半个周期的脉冲数，波形中个脉冲的宽度和间隔就可以了准确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以的的得到所需的波形，但由于计算的繁杂，当需要输出的正弦波的频率，幅值相位变化时结果都要变化。因此我们选择调制法，即把希望输出的必行作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对信号波的调制得到所期望的波形。脉宽调制的控制方式从调制脉冲的极性上看，可分为单极性和双极性之分:参加调制的载波和参考信号的极性不变，称为单极性调制;相反，三角载波信号和正弦波信号具有正负极性，则称为双极性调制。4.2.1单极性正弦脉宽调制用幅值为的参考信号波与幅值为,频率为的三角波比较，产生功率开关信号。参考波频率决定了输出频率，每半周期的脉冲数P决定于载波频率。即:P=fc2fa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:U0(t)=n=1∞(An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个脉冲的起始角为则有

An=j=1p4Enπsinnθ2cosBn=j=1p4Enπsinnθ由式以上各式可计算输出电压的傅里叶级数的系数An=j=1p2EBn=j=1p2E4.2.2双极性正弦脉宽调制原理输出电压（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U0t=n=1,3,5⋯∞BB式(7)中输出电压（t）可看成是幅值为E，频率为的方波与幅值为2E、频率为的负脉冲序列(起点和终点分别为的叠加。因此Bn=2π0则输出电压为U0t=n=1,3,5⋯∞输出电压基波分量U01U01t=4Enπ需要注意的是，从主回路上看，对于双极性调制，由于同一桥臂上的两个开关元件始终轮流交替通断，因此容易引起电源短路，造成环流。为防止环流，就必须增设延时触发环节，设置死区。4.2.3SPWM的生成方法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，算法主要有自然采样法、规则采样法。4.2..3.1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。4.2.3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。正弦脉宽调制的调制算法在SPWM逆变器中，载波频率fc与调制信号频率fr之比N=fc/fr，称为载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，SPWM逆变器调制方式分为异步调制和同步调制。

4.3.1

当调制信号频率fr变化时，载波比N是变化的。当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小，当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，SPWM脉冲不对称的影响就变大，还会出现脉冲的跳动。同时，输出波形和正弦波之间的差异也变大，电路输出特性变坏。对于三相逆变器来说，三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方式时，希望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，从而改善输出特性。

4.3.2

载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的调制方式称为同步调制。在同步调制方式中，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。在三相SPWM逆变电路中通常共用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。

同时为了使一相的波形正负半周互为镜像，N应取奇数。参考文献[1]张建文.电气设备故障诊断技术.中国水利出版社[2]王兆安.电力电子技术第4版.机械工业出版社[3]熊信银.发电厂电气部分第四版.中国电力出版社[4]黄锦安.电路.机械工业出版社附录姓名：林燕贞学号：1011370102科研训练心得回顾此次本科生科研训练，至今仍感慨颇多。从选老师，到选课题，中间的艰辛只有自己知道。因为转专业的缘故，和办理的同学不是很熟，因此这就需要我大胆走出去，和别人交流，二者就得丢掉羞怯，是的，勇敢点。其次在刚开始做科研的时候，去找老师讨论，老师给的答复是回去先看看电力系统分析的书，因为是哟后的必修专业课，因此我们就硬着头皮去图书馆找来了书，然后和他们做一讨论，这为后来大三的专业课打下了基础。因此好好利用课余时间称为我大学的目标。不抛弃，不放弃自己，踏踏实实。在大三开始做的时候，有课专业课的基础，不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在课堂上所没有学到过的知识。在研究的过程中遇到问题，可以说得是困难重重。这毕竟第一次做项目研究，难免会被各种各样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讨论，最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。明白课程是相通的，比如《现代控制工程》、《电力电子技术》、《电路》等课程，看起来不是很有联系的东西现在去都集中在一块儿了。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。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。团结总是比单干的效率高，因为我们组都是女生，在使用软件上没男生来的轻巧，但我们还是去试了，结果或许不如意，最后以失败告终，但是问心无悔，因为我们认真去完成了。只要过程是美的，何必去关注太多呢?在写论文时，找资料，自己理解，自己看书，才发现原来大学三年以来自己的自学能力明显提高，有些人总说读书无用，读大学就是在浪费时间，浪费金钱。我不觉得，我们都已是成年人，我们要自己思考以后的路在哪，而不是被别人牵着鼻子走。有思想，自己敢闯，这才是当代大学生该做，而不是以为在游戏中荒废，在睡觉中度过。大学是一个开放的地方，自由，没人管你。但是试着想想，我们都这么大了，还要人管吗?所以在大学里我告诉自己不要荒废时间，视频固然好看，好笑，但是也在耗你大把大把的时间，何必呢？大家总说在大学里学不到东西，是吗？在本次科研训练中，我发现自己思考问题的方式和查阅资料的能力更上一层楼。不是学不到东西，关键看你自己愿不愿意去做。在此次科研训练重要感谢自动化院的李强老师，对我们是循循善诱，在每个阶段指导我们去查阅不同的书籍，积极和我们交流沟通，真正做到一个导师该有的职责。在现在学术研究之上的今天，我很幸运有这样的老师。在这次科研训练中，或许没成品的出现，但是发现自己的自学能力明显提高，SPWM是选修部分，但是为了科研训练，我们去攻了，或许没前面知识学得扎实，但至少了解了基本原理。这也是可喜的，很满足了。时间是一切的检验石，在享受无拘无束的同时，要记得上进就好，然后去做，积极点，生活一切都很好。时间是