PWM逆變電路的多重化設(shè)計課程設(shè)計論文

1、運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計課題：pwm逆變電路的多重化設(shè)計系 別： 電氣與信息工程學(xué)院專 業(yè)： 自動化姓 名： 學(xué) 號： 092412成 績： 河南城建學(xué)院2015年 12月 31日目錄一、設(shè)計目的1二、設(shè)計任務(wù)及要求12.1、設(shè)計任務(wù)12.2、設(shè)計要求1三、方案設(shè)計13.1、pwm脈寬調(diào)制原理13.2、逆變電路原理23.3、pwm逆變電路及其控制方法53.3.1、計算法53.3.2、調(diào)制法53.4、pwm逆變電路的多重化11四、主要元件的選型114.1、igbt選型114.1.1、igbt額定電壓的選擇114.1.2、igbt額定電流的選擇124.1.3、igbt開關(guān)參數(shù)的選擇124.1.4、影響

2、igbt可靠性因素124.2、負(fù)載選型12五、心得體會13參考文獻(xiàn)13附錄141、一重pwm逆變電路仿真142、二重pwm逆變電路仿真17 一、設(shè)計目的通過pwm逆變電路多重化設(shè)計，使同學(xué)們理解和掌握pwm的調(diào)制原理及pwm的實(shí)際用途。通過本次課程設(shè)計使同學(xué)們重新認(rèn)識pwm技術(shù)在電力電子中的重要地位，鍛煉同學(xué)們利用理論知識處理實(shí)際問題的能力，讓同學(xué)們通過具體的pwm調(diào)制仿真對pwm逆變電路有一個理性的認(rèn)識。為今后的畢業(yè)設(shè)計以及走上實(shí)際工作崗位的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本次課程設(shè)計的主要目的是讓同學(xué)通過實(shí)際動手搭建pwm逆變電路模型并仿真，讓同學(xué)們真正理解和應(yīng)用pwm脈寬調(diào)制技術(shù)。二、設(shè)計任務(wù)及要求2.1

3、、設(shè)計任務(wù)利用已學(xué)的電力電子技術(shù)中的pwm脈寬調(diào)制技術(shù)的具體原理推廣到逆變電路中，并利用pwm技術(shù)在逆變電路中的原理，搭建實(shí)際的仿真模型，并了解逆變多重化的目的及作用。2.2、設(shè)計要求自擬負(fù)載，可選用電機(jī)或阻感負(fù)載等，畫出系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)圖，并進(jìn)行仿真。搭建出實(shí)際的仿真模型并用仿真結(jié)果，并對仿真結(jié)果簡易分析。三、方案設(shè)計3.1、pwm脈寬調(diào)制原理pwm（pulse width modulation）控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。面積等效原理是：pwm控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。 原理內(nèi)容：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具

4、有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。 效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。用pwm波代替正弦半波，將正弦半波看成是由n個彼此相連的脈沖寬度為p/n，但幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的。把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是pwm波形。對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到pwm波形。 脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的pwm波形，也稱spwm（sin

5、usoidal pwm）波形。 pwm波形可分為等幅pwm波和不等幅pwm波兩種，由直流電源產(chǎn)生的pwm波通常是等幅pwm波?；诘刃娣e原理，pwm波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。 圖1 用pwm波代替正弦半波3.2、逆變電路原理逆變的概念與整流相對應(yīng)，是將直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變。逆變電路的主要應(yīng)用：各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。 逆變電路基本的工作原理：是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。當(dāng)開關(guān)、閉

6、合，、斷開時，負(fù)載電壓為正；當(dāng)開關(guān)、斷開，、閉合時，為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電。改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。電阻負(fù)載時，負(fù)載電流和的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時，相位滯后于，波形也不同。圖2 逆變電路及其波形舉例 換流是電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。換流方式分為：器件換流、器件換流、負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。器件換流（device commutation）是利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。在采用igbt 、電力mosfet 、gto 、gtr等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。電網(wǎng)換流（line co

7、mmutation）是指電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。圖3 負(fù)載換流電路及其工作波形 負(fù)載換流（load commutation）由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場合，都可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流，如電容性負(fù)載和同步電動機(jī)。圖3左圖是基本的負(fù)載換流逆變電路，整個負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性，直流側(cè)串大電感，工作過程可認(rèn)為基本沒有脈動。負(fù)載對基波的阻抗大而對諧波的阻抗小，所以接近正弦波。注意觸發(fā)、的時刻必須在過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。 強(qiáng)迫

8、換流（forced commutation）設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反壓或反電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流。通常利用附加電容上所儲存的能量來實(shí)現(xiàn)，因此也稱為電容換流。分類：直接耦合式強(qiáng)迫換流由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓。電感耦合式強(qiáng)迫換流通過換流電路內(nèi)的電容和電感的耦合來提供換流電壓或換流電流。直接耦合式強(qiáng)迫換流如圖4，當(dāng)晶閘管處于通態(tài)時，預(yù)先給電容充電。當(dāng)s合上，就可使被施加反壓而關(guān)斷。也叫電壓換流。圖4 直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖 電感耦合式強(qiáng)迫換流，圖5a中晶閘管在lc振蕩第一個半周期內(nèi)關(guān)斷，圖5b中晶閘管在lc振蕩第二個半周期內(nèi)關(guān)斷，注意兩圖中電容所充的電壓極性不同。

9、在這兩種情況下，晶閘管都是在正向電流減至零且二極管開始流過電流時關(guān)斷，二極管上的管壓降就是加在晶閘管上的反向電壓。也叫電流換流。圖5 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖 3.3、pwm逆變電路及其控制方法3.3.1、計算法根據(jù)逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)，將pwm波形中各脈沖的寬度和間隔準(zhǔn)確計算出來，按照計算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的pwm波形，這種方法稱之為計算法。計算法是很繁瑣的，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化。 3.3.2、調(diào)制法 把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望的pwm波

10、形。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。單相橋式pwm逆變電路（調(diào)制法）工作過程：工作時和通斷互補(bǔ)，和通斷也互補(bǔ)，比如在正半周，導(dǎo)通，關(guān)斷，和交替通斷。負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。在負(fù)載電流為正的區(qū)間，和導(dǎo)通時，。關(guān)斷時，負(fù)載電流通過和續(xù)流，。在負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，仍為和導(dǎo)通時，因?yàn)樨?fù)，故實(shí)際上從和流過，仍有。關(guān)斷，開通后，從和續(xù)流，?？偪梢缘玫胶土銉煞N電平。在的負(fù)半周，讓保持通態(tài)，保持?jǐn)鄳B(tài)，和交替通斷，負(fù)載電壓可以得到和零兩種電平。圖6 單相橋式pwm逆變電路 單極性pwm控制方式，調(diào)制信號為正弦波，載波在的正半周為正極性的三角

11、波，在的負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。在的正半周，保持通態(tài)，保持?jǐn)鄳B(tài)。當(dāng)時使導(dǎo)通，關(guān)斷，。當(dāng)時使關(guān)斷，導(dǎo)通，。在的負(fù)半周，保持?jǐn)鄳B(tài)，保持通態(tài)。當(dāng)時使導(dǎo)通，v4關(guān)斷，。當(dāng)時使v3關(guān)斷，v4導(dǎo)通，。 圖7 單極性pwm控制方式波形雙極性pwm控制方式，在調(diào)制信號和載波信號的交點(diǎn)時刻控制各開關(guān)器件的通斷。 在的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得的pwm波也是有正有負(fù)，在的一個周期內(nèi)，輸出的pwm波只有兩種電平。在的正負(fù)半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當(dāng)時，和導(dǎo)通，和關(guān)斷，這時如，則和通，如，則和通，不管哪種情況都是。當(dāng)時，和導(dǎo)通，和關(guān)斷，這時如，則和通，如，則和通，不管哪種情況都是。 圖8 雙極性pw

12、m控制方式波形 圖9 三相橋式pwm逆變電路波形 三相橋式pwm逆變電路（調(diào)制法）。采用雙極性控制方式。 u、v和w三相的pwm控制通常公用一個三角波載波，三相的調(diào)制信號、和依次相差120。電路工作過程（u相為例）。當(dāng)時，上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷，則u相相對于直流電源假想中點(diǎn)的輸出電壓。當(dāng)時，導(dǎo)通，關(guān)斷，則。和的驅(qū)動信號始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給()加導(dǎo)通信號時，可能是()導(dǎo)通，也可能是二極管()續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感負(fù)載中電流的方向來決定。、和的pwm波形都只有兩種電平。輸出線電壓pwm波由和0三種電平構(gòu)成。當(dāng)臂1和6導(dǎo)通時，。當(dāng)臂3和4導(dǎo)通時，。當(dāng)臂1和3或臂4和6導(dǎo)通時，。 負(fù)載相電壓可由下式求得負(fù)

13、載相電壓的pwm波由、和0共5種電平組成。為了防止上下兩個臂直通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時要留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時間。圖10 三相橋式pwm型逆變電路 特定諧波消去法是計算法中一種較有代表性的方法。如果在輸出電壓半個周期內(nèi)開關(guān)器件開通和關(guān)斷各k次，考慮到pwm波四分之一周期對稱，共有k個開關(guān)時刻可以控制，除去用一個自由度來控制基波幅值外，可以消去k1個頻率的特定諧波。以三相橋式pwm型逆變電路中的uun波形為例在輸出電壓的半個周期內(nèi)，器件開通和關(guān)斷各3次（不包括0和時刻），共有6個開關(guān)時刻可以控制。 圖11 特定諧波消去法的輸出pwm波形 為了消除偶次諧波，應(yīng)使波形正負(fù)兩半

14、周期鏡對稱，即 （1）為了消除諧波中的余弦項(xiàng)，簡化計算過程，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以p/2為軸線對稱，即 （2）同時滿足式(1)和式(2)的波形稱為四分之一周期對稱波形，這種波形可用傅里葉級數(shù)表示為 （3）式中，為 （4）因?yàn)閳D11的波形是四分之一周期對稱的，所以在一個周期內(nèi)的12個開關(guān)時刻（不包括0和p時刻）中，能夠獨(dú)立控制的只有、和共3個時刻，該波形的為 （5）在三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消，因此通?？梢钥紤]消去5次和7次諧波，根據(jù)需要確定基波分量的值，再令和等于0，就可以建立三個方程，聯(lián)立可求得、和。 （6）這樣可以消去兩種特定頻率的諧波，對于給定的基

15、波幅值，求解上述方程可得一組、和，基波幅值改變時，、和也相應(yīng)地改變。載波頻率與調(diào)制信號頻率之比稱為載波比，根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，pwm調(diào)制方式可分為異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種。 異步調(diào)制：載波信號和調(diào)制信號不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。通常保持載波頻率固定不變，因而當(dāng)信號波頻率變化時，載波比n是變化的。在信號波的半個周期內(nèi)，pwm波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。當(dāng)較低時，n較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小，pwm波形接近正弦波。當(dāng)增高時，n減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，pwm脈沖不對稱的

16、影響就變大，輸出pwm波和正弦波的差異變大，對于三相pwm型逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。在采用異步調(diào)制方式時，希望采用較高的載波頻率，以使在信號波頻率較高時仍能保持較大的載波比。 同步調(diào)制：載波比n等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步的方式稱為同步調(diào)制。 變化時載波比n不變，信號波一個周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。在三相pwm逆變電路中，通常公用一個三角波載波，為了使三相輸出波形嚴(yán)格對稱和一相的pwm波正負(fù)半周鏡對稱，取n為3的整數(shù)倍且為奇數(shù)。當(dāng)逆變電路輸出頻率很低時，同步調(diào)制時的也很低，過低時由調(diào)制帶來的諧波不易濾除，當(dāng)負(fù)載為電動機(jī)時也會帶來較大的轉(zhuǎn)矩脈動和

17、噪聲；當(dāng)逆變電路輸出頻率很高時，同步調(diào)制時的會過高，使開關(guān)器件難以承受。 圖12 同步調(diào)制三相pwm波形 分段同步調(diào)制：把范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(nèi)都保持載波比n為恒定，不同頻段的載波比不同。在高的頻段采用較低的載波比，以使不致過高，限制在功率開關(guān)器件允許的范圍內(nèi)。在低的頻段采用較高的載波比，以使不致過低而對負(fù)載產(chǎn)生不利影響。為了防止在切換點(diǎn)附近的來回跳動，在各頻率切換點(diǎn)采用了滯后切換的方法。有的裝置在低頻輸出時采用異步調(diào)制方式，而在高頻輸出時切換到同步調(diào)制方式，這樣可以把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，和分段同步方式的效果接近。 3.4、pwm逆變電路的多重化pwm控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣

18、泛，對逆變電路的影響也最為深刻，現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是pwm型逆變電路。和一般逆變電路一樣，大容量pwm逆變電路也可采用多重化技術(shù)來減少諧波。采用spwm技術(shù)理論上可以不產(chǎn)生低次諧波，因此，在構(gòu)成pwm多重化逆變電路時，一般不再以減少低次諧波為目的，而是為了提高等效開關(guān)頻率，減少開關(guān)損耗減少與載波有關(guān)的諧波分量。pwm逆變電路多重化連接方式有變壓器方式和電抗器方式。pwm逆變電路多重化又分電壓型和電流型，電壓型又有串聯(lián)多重連接方式和并聯(lián)多重連接方式。本次課程設(shè)計采用電壓型并聯(lián)多重連接方式。采用spwm原理，易于實(shí)現(xiàn)，技術(shù)成熟，可靠性高。且采用工程上常用的變壓器方式，電路拓?fù)浣Y(jié)果

19、如圖13所示。圖13 二重pwm逆變電路結(jié)構(gòu)圖四、主要元件的選型4.1、igbt選型4.1.1、igbt額定電壓的選擇三相380v輸入電壓經(jīng)過整流和濾波后，直流母線電壓的最大值：在開關(guān)工作的條件下，igbt的額定電壓一般要求高于直流母線電壓的兩倍，根據(jù)igbt規(guī)格的電壓等級，選擇1200v電壓等級的igbt。4.1.2、igbt額定電流的選擇以30kw變頻器為例，負(fù)載電流約為79a，由于負(fù)載電氣啟動或加速時，電流過載，一般要求1分鐘的時間內(nèi)，承受1.5倍的過流，擇最大負(fù)載電流約為119a ，建議選擇150a電流等級的igbt。4.1.3、igbt開關(guān)參數(shù)的選擇變頻器的開關(guān)頻率一般小于10khz

20、，而在實(shí)際工作的過程中，igbt的通態(tài)損耗所占比重比較大，建議選擇低通態(tài)型igbt。4.1.4、影響igbt可靠性因素1)柵電壓igbt工作時，必須有正向柵電壓，常用的柵驅(qū)動電壓值為15187，最高用到20v， 而棚電壓與柵極電阻rg有很大關(guān)系，在設(shè)計igbt驅(qū)動電路時， 參考igbt datasheet中的額定rg值，設(shè)計合適驅(qū)動參數(shù)，保證合理正向柵電壓。因?yàn)閕gbt的工作狀態(tài)與正向棚電壓有很大關(guān)系，正向柵電壓越高，開通損耗越小，正向壓降也咯小。在橋式電路和大功率應(yīng)用情況下，為了避免干擾，在igbt關(guān)斷時，柵極加負(fù)電壓，一般在-5- 15v，保證igbt的關(guān)斷，避免miller效應(yīng)影響。2)

21、miller效應(yīng)為了降低miller效應(yīng)的影響，在igbt柵驅(qū)動電路中采用改進(jìn)措施：(1)開通和關(guān)斷采用不同柵電阻rg,on和rg,off，確保igbt的有效開通和關(guān)斷;(2)柵源間加電容c，對miller效應(yīng)產(chǎn)生的電壓進(jìn)行能量泄放;(3)關(guān)斷時加負(fù)柵壓。在實(shí)際設(shè)計中，采用三者合理組合，對改進(jìn)mille r效應(yīng)的效果更佳。根據(jù)igbt的選型規(guī)則現(xiàn)選用市面上常用的英飛凌（infineon）的igbt參數(shù)如下。表1 igbt參數(shù)規(guī)格型號vceicvcesattvjmax封裝igb01n120h2600v1a1.95v150p-to-220-3-14.2、負(fù)載選型本次課程設(shè)計負(fù)載為自擬負(fù)載。我選用三

22、相阻感負(fù)載，具體參數(shù)如下。表2 三相阻感負(fù)載參數(shù)相電壓有功功率無功功率120v1kw0.5kvar五、心得體會通過本次設(shè)計使我對pwm逆變電路有了深入的了解，通過在圖書館查閱有關(guān)書籍和上網(wǎng)，學(xué)到了不少有關(guān)pwm的知識。經(jīng)過我的不懈努力，把pwm調(diào)制原理弄明白了，但是這離課程設(shè)計需要掌握的知識相差甚遠(yuǎn)，我只有不斷的向老師和同學(xué)請教，然后仔細(xì)的思考分析。在這次課程設(shè)計中，通過用igbt等器件也復(fù)習(xí)和鞏固了相關(guān)知識。在學(xué)習(xí)電力電子技術(shù)的時候覺得其沒有太多用途，通過這次設(shè)計讓我明白了pwm的應(yīng)用。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)習(xí)再多的理論也只能紙上談兵，只有把理論應(yīng)用到實(shí)踐中，才能檢驗(yàn)出自己學(xué)習(xí)的真實(shí)水平。通過這次的課程設(shè)計，我不僅把pwm的有關(guān)知識系統(tǒng)的復(fù)習(xí)