三相方波逆變電路原理說明綜述

1、中北大學(xué)電子技術(shù)課程設(shè)計說明書目錄1引言 11.1設(shè)計要求 11.2逆變的概念 11.3三相逆變 12三相電壓源型SPW逆變器 12.1 PWM的基本原理 12.2 SPWM逆變電路及其控制方法 22.3三相方波逆變器 22.3三相PW逆變器提高直流電壓利用率的方法 22.4三相PW逆變器提高直流電壓利用率的方法 33逆變器主電路設(shè)計 54軟件仿真 64.1 Matlab 軟件 64.2建模仿真 65總結(jié) 10參考文獻 131引言1.1設(shè)計要求本次課程設(shè)計題目要求為三相方波逆變電路的設(shè)計。設(shè)計過程從原理分析、 元器件的選取，到方案的確定以及 Matlab仿真等，鞏固了理論知識，基本達到 設(shè)計要

2、求。完成三相方波逆變電路的仿真，開關(guān)管選IGBT,直流電壓為530V,阻感負載，負載有功功率1KVy感性無功功率為100Var。1.2逆變的概念逆變即直流電變成交流電，與整流相對應(yīng)。電力系統(tǒng)中，將電網(wǎng)交流電通 過整流技術(shù)變成直流電， 然后通過逆變技 術(shù)，將直流變成 高頻交流，再通過高頻變壓器降壓， 就達到縮小變壓器體 積 和提高供電質(zhì)量的目的了。1.3三相逆變?nèi)嗄孀兗夹g(shù)廣泛應(yīng)用于交流傳動、無功補償?shù)阮I(lǐng)域。在三相PWM交流伺服系統(tǒng)中，一般采用三個橋臂的結(jié)構(gòu)，即逆變橋主電路有6個功率開關(guān)器件(功率MOSFE或IGBT)構(gòu)成，若每個開關(guān)器件都用一個單獨的驅(qū)動電路驅(qū)動，則需6個驅(qū)動電路，至少要配備4

3、個相互獨立 的直流電源為其供電，使得系統(tǒng) 硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性下降，且調(diào)試困難，設(shè)計成本偏高。2三相電壓源型SPWI逆變器2.1 PWM的基本原理PWM(Pulse Width Modulation)控就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形。PWh控制技術(shù)最重要的理論基礎(chǔ)是面積等效原理，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的 環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。spwM控制技術(shù)是pwM空制技術(shù)的主要應(yīng)用，即輸出脈沖的寬度按正弦規(guī)律 變化而和正弦波等效。2.2 SPWM逆變電路及其控制方法SPW逆變電路屬于電力電子器件的應(yīng)用系統(tǒng)，因此，一個完整的 SP

4、W逆變 電路應(yīng)該由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。 由信息 電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號， 通過驅(qū)動電路去控 制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。目前應(yīng)用最為廣泛的是電壓型 PWM逆變電路,脈寬控制方法主要有計算機法 和調(diào)制法兩種，但因為計算機法過程繁瑣，當需要輸出的正弦波的頻率、幅值或 相位發(fā)生變化時，結(jié)果都要變化，而調(diào)制法在這些方面有著無可比擬的優(yōu)勢， 因 此，調(diào)制法應(yīng)用最為廣泛。所謂調(diào)制法，就是把希望輸出的波形作為調(diào)制信號 ut，把接收調(diào)制的信號作 為載波uc，通過信號波的調(diào)制得到所期望的 PWM波形。2.3三相方波逆

5、變器電路結(jié)構(gòu)相同，只是控制方式不同。每一開關(guān)元件在輸出電壓的一個周期中閉 合180 （占空比為0.5）,因此，在任何時間，總有三個開關(guān)元件閉合。幅值關(guān)系：U ab1Ud 0.78Ud0.78Uab/pUd一一h 詢屮心，2,3)直流電壓利用率：“：1:0.782.3三相PWM逆變器提高直流電壓利用率的方法2.3.1梯形波調(diào)制采用梯形波作為調(diào)制信號，可有效提高直流電壓利用率；當梯形波幅值和三角波幅值相等時，梯形波所含的正弦基波分量幅值已經(jīng)超過三角波幅值。采用這種調(diào)制方式時，決定功率開關(guān)器件通斷的方法和用正弦波作為調(diào)制信號時 完全相同。2.4三相PWM逆變器提高直流電壓利用率的方法梯形波的形狀用三

6、角化率s =Ut/ Uto描述，Ut為以橫軸為底時梯形波的高，Uto為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長后相交所形成的三角形的高；s =0時梯形波變?yōu)榫匦尾?，S =1時梯形波變?yōu)槿遣?；梯形波含低次諧波，故調(diào)制后的PWM波含同樣的低次諧波（3, 5，7），但線壓中3及其倍數(shù)次諧波不存在。OI1114圖2-1 :梯形波為調(diào)制信號的 PWM控制180(T)OO180(13)180(14)I III180(16)180(E)180(15)OU 山 W V wIO4bi -ii i i i i i i i i圖2-2180導(dǎo)電型三相方波逆變器輸出電壓波形Ud-1圖2-3120導(dǎo)電型三相方波逆變器輸出電壓波形3

7、逆變器主電路設(shè)計圖3-1是SPW逆變器的主電路設(shè)計圖。圖中VI V6是逆變器的六個功率開 關(guān)器件，各由一個續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個逆變器由恒值直流電壓 U供電。一組 三相對稱的正弦參考電壓信號由參考信號發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率，應(yīng)在所要求的輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)。 參考信號的幅值也可在一定范 圍內(nèi)變化，決定輸出電壓的大小。三角載波信號Uc是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn)生SPW脈沖序列波。Uda，Udb， Udc作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制信號。當Uru ：Uun二-Ud,；2時，給V4導(dǎo)通信號，給V1關(guān)斷信號Uun二-Ud.：2，給 V1(

8、V4)加導(dǎo)通信號時，可能是 V1(V4)導(dǎo)通，也可能是 VD1(VD4導(dǎo)通。Ud和Uwrn 的PWM波形只有一Ud/2兩種電平。當Uru Uc時，給V1導(dǎo)通信號，給V4關(guān)斷信 號，Uu-Ud/2。 Uuv的波形可由Uui-Uvn得出，當1和6通時，Uuv=Ud， 當3和4通時，Uuv=Ud，當1和3或4和6通時，U uv =00輸出線電壓PWI波 由一5和0三種電平構(gòu)成負載相電壓 PWM波由(土 2/3) Ud，( 1/3) Ud和0共5 種電平組成。圖3-1 SPWM逆變器的主電路設(shè)計圖防直通的死區(qū)時間同一相上下兩臂的驅(qū)動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死

9、區(qū)時間。 死區(qū)時間的長短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時間決定。死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離 正弦波。4軟件仿真4.1 Matlab 軟件Matlab軟件提供的仿真工具箱Simulink是一個功能十分強大的仿真軟件， 它可以根據(jù)用戶的需要方便的為系統(tǒng)建立模型，并且十分直觀，仿真精度高，結(jié)果準確。特別是其電力系統(tǒng)模塊庫PSB中包含了大量的電力電子功能模塊，為我 們仿真提供了極大的便利。Matlab提供了系統(tǒng)模型圖形輸入工具 Simulink工具箱。在Matlab中的 電力系統(tǒng)模塊庫PSB以Simulink為運算環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳 動和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本原件和

10、系統(tǒng)仿真模型。它由以下6個子模塊組成：電源模塊庫、連接模塊庫、測量模塊庫、電力電子模塊庫、電機模塊庫、 基本件模塊庫。在這6個基本模塊庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要還可以組合出常用的、 復(fù)雜的其他模塊添加到所需的模塊庫中，為電力系統(tǒng)的研究和仿真帶來更多的方 便。4.2建模仿真第一步先建立主電路仿真模型。在 simpowersystems 的 electricalsources庫中選擇直流電壓源模塊，參數(shù)設(shè)置如下圖：然后選擇universal bridge模塊，構(gòu)成三相半橋電路。開關(guān)器件選帶反并聯(lián) 二極管的IGBT，選擇三相串聯(lián)RLC負載模塊，選為星形連接。將各模塊相連， 邊完成三相方波逆變器仿真模型的主

11、電路部分。第二步再來構(gòu)造控制部分。選擇六個pulse gen erator模塊，第一個參數(shù)設(shè)置如下圖：H Blok Parameters： Puke Generator,刃Pulss GeneratorOutputif (tPh且ssDfilajr) _Pu:1e& ie snY ftj = Asplituds-elseY(t) - 0endPulse tree determines th computational tachniQue amgd”?iD=-ta3l it rezczzi&Eded for Ub irlth a variable step sdIvTj ThilsSsipl-b

12、ased isfor use irith a fixedsolver or vithin adiscrete portion of a acdel using a variable step sclv.ParazteriP Iirterpret vector pam輕t首ts as. 1*DQKCancelHelpApply之后，各模塊一次之后0.02/6S，即相差60度。采用mux模塊將六路信號合成后加在三 相橋的門極。最終得到的仿真模型如下圖所示:三相逆變電路主電路第三步完成波形觀測及分析部分。在相應(yīng)模塊的測量選項和multimeter模塊，即可觀察逆變器的輸出的相電壓，相電流，和線電壓。

13、通過串聯(lián)的電流表可 觀察直流電流的波形。4.3分析仿真結(jié)果將仿真時間設(shè)為0.1s，在powergui中這是為離散仿真模式，采樣時間為10-5s，運行后可得仿真結(jié)果。理論上 a相電壓、a相電流，ab間線電壓及直流 電流波形如圖實際仿真結(jié)果如下圖逆變器輸出的相電壓為六階梯波，相電流和直流電流的波形與負載又關(guān)。改變負載參數(shù)，觀察電流波形的變化當負載參數(shù)如下圖所示時：A相，B相，C相電壓和電流波形如下圖:Ab , bc, ca電壓如圖:5總結(jié)課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識 ，發(fā)現(xiàn),提出，分析和解決實際問題， 鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程 .隨著 科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日

14、新日異，電力電子已經(jīng)成為當今空前活躍的領(lǐng)域，在生活中可以說得是無處不在。因此作為二十一世紀的大學(xué)來說掌握電力電子的開發(fā)技術(shù) 是十分重要的?；仡櫰鸫舜握n程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿， 從理論到實踐，在整整兩星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很 多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識， 而且學(xué)到了很多在書 本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很 重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來， 從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立 思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做 的，難免會遇到過各種各樣的問題