三相恒壓恒頻橋式逆變器設計

1、摘要由于電力電子學和微電子技術的發(fā)展，使變頻調速技術近年來獲得了飛速的發(fā)展，各種變頻調速控制方式、PWM脈寬調制技術以及MCU微處理器和以大規(guī)模集成電路為基礎的全數(shù)字化控制技術等均在變頻調速中獲得了成功應用。在電力電子技術中，PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。SPWM正弦脈寬調制法這項技術的特點是原理簡單，通用性強，具有開關頻率固定，控制和調節(jié)性能好，能消除諧波使輸出電壓只含有固定頻率的高次諧波分量，設計簡單等一系列優(yōu)點，是一種比較好的波形改善法。它的出現(xiàn)為中小型逆

2、變器的發(fā)展起了重要的推動作用。SPWM技術成為目前應用最為廣泛的逆變用PWM技術。而這次課程設計的主要目的就是設計1KW三相恒壓恒頻橋式逆變器，通過運用了Matlab/Simulink和AutoCAD軟件對電力系統(tǒng)模塊進行分析、設計和計算。關鍵詞：SPWM 三相逆變器 波形三相恒壓恒頻橋式逆變器設計1PWM技術簡介 PWM又稱脈沖寬度調制，控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變逆變輸出頻率。PWM控制脈沖寬度調制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要

3、波形（含形狀和幅值）理論基礎: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。沖量指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同 f (t)d (t)tOabcdtOtOtOf (t)f (t)f (t)圖1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖PWM波形可等效的各種波形，例如：直流斬波電路可以等效直流波形；PWM波可以等效正弦波形；還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，也基于等效面積原理 。用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波的方法：正弦半波N等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩

4、形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等。這樣就可得到PWM 波形。由上方法可知各脈沖的幅值相等，而寬度按正弦規(guī)律變化 。對于正弦波的負半周，也可用同樣的方法得到PWM波形。像這種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波形。要改變等效輸出正弦波幅值時，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。2 SPWM調制算法 2.1自然采樣法 按照SPWM控制的基本原理，在正弦波與三角波的交點進行脈沖寬度和間隙的采樣，去生成SPWM波形，成為自然采樣法。如圖2所示圖2 自然采樣法原理圖2.2規(guī)則采樣法為使采樣法的效果既接近自然采樣法，沒有過多的復雜運算，又提出了規(guī)

5、則采樣法。其出發(fā)點是設法使SPWM波形的每個脈沖都與三角波中心線對稱。這樣，圖3中的法。計算就大大簡化了。圖3 規(guī)則采樣法原理圖2.3雙極性正弦波等面積法正弦波等面積算法的基本原理為:將一個正弦波等分成H個區(qū)段，區(qū)段數(shù)一定是6的整數(shù)倍，因為三相正弦波，各項相位互差，要從一相正弦波方便地得到其他兩相，必須把一個周期分成6的整數(shù)倍。越大，輸出波形越接近正弦波。在每一個區(qū)段，等分成若干個等寬脈沖(N)，使這N個等寬脈沖面積等于這一區(qū)段正弦波面積。采用這種方法既可以提高開關頻率，改善波形，又可以減少計算新脈沖的數(shù)量，節(jié)省計算機計算時間。正弦波面積為： 輸出頻率與區(qū)段數(shù)，每個區(qū)段脈沖數(shù)及脈沖周期之間的關

6、系： 。3 SPWM逆變電路及其控制方法SPWM逆變電路屬于電力電子器件的應用系統(tǒng)，因此，一個完整的SPWM逆變電路應該由控制電路、驅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，通過驅動電路去控制主電路中電力電子器件的導通或者關斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。目前應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，結果都要變化，而調制法在這些方面有著無可比擬的優(yōu)勢，因此，調制法應用最為廣泛。所為調制法，就是把希望輸出的波形作為調制信號，把接收調制

7、的信號作為載波，通過信號波的調制得到所期望的PWM波形。本次課程設計任務要求設計SPWM三相逆變電路，輸出PWM電壓波形等效為正弦波，因而信號波采用正弦波，載波采用最常用的等腰三角形。單相橋式電路既可以采取單極性調制，也可以采用雙極性調制，而三相橋式PWM逆變電路，一般采用雙極性控制方式。（1）如果在正弦調制波的半個周期內，三角載波只在正或負的一種極性范圍內變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內，叫做單極性控制方式。（2）如果在正弦調制波半個周期內，三角載波在正負極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負之間變化，叫做雙極性控制方式。圖4雙極性PWM控制方式其中：載波比載波頻率 fc與

8、調制信號頻率 fr 之比N，既 N = fc / fr 調制度調制波幅值Ar與載波幅值Ac之比，即MaAr/Ac同步調制N 等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步。1基本同步調制方式，fr 變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數(shù)固定；2三相電路中公用一個三角波載波，且取 N 為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱； 3為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數(shù)；4 fr 很低時，fc 也很低，由調制帶來的諧波不易濾除；5 fr 很高時，fc 會過高，使開關器件難以承受。異步調制載波信號和調制信號不同步的調制方式。1通常保持 fc 固定不變，當 fr 變化時，載波比 N 是變化的；2 在信號波的半周

9、期內，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈 沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱；3當fr 較低時，N 較大，一周期內脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較?。?當 fr 增高時，N 減小，一周期內的脈沖數(shù)減少，PWM 脈沖不對稱的影響就變大。4 IGBT簡介4.1 IGBT的基本工藝和原理絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）本質上是一個場效應晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個 P 型層。根據(jù)國際電工委員會的文件建議，其各部分名稱基本沿用場效應晶體管的相應命名。 IGBT的結構剖面圖如圖5所示。它在結構上類似于MOSFET ，其不同點在于IGBT是在N溝道功率MOS

10、FET 的N+基板（漏極）上增加了一個P+ 基板（IGBT 的集電極），形成PN結j1 ，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與MOSFET相似。圖5 IGBT結構剖面圖由圖可以看出，IGBT相當于一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)GTR ， Rdr是厚基區(qū)GTR的擴展電阻。IGBT是以GTR 為主導件、MOSFET 為驅動件的復合結構。4.2 IGBT的動態(tài)特性分析 圖6 IGBT的動態(tài)圖  與MOSFET的相似，因為開通過 程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；tfv2MOS

11、FET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程 。 電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT內部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快；tfi2IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調制效應的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關速度低于電力MOSFET。4.3 IGBT的特性和參數(shù)特點1）IGBT開關速度快，開關損耗小，開關損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當,無二次擊穿現(xiàn)象；2）在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力；3）IGBT的通態(tài)壓降

12、比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域；4) 與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時可以保持開關頻率高;5) 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。5系統(tǒng)總體設計框圖跟據(jù)三相恒壓恒頻橋式逆變器的具體涉及面要求，系統(tǒng)總體設計框圖如圖7所示。圖7 系統(tǒng)總體設計框圖6 三相PWM逆變器的工作原理和結構電路6.1 三相橋式PWM逆變電路用三個單相逆變電路可以組合成一個三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路。采用IGBT作為開關器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖8所示，可以看成是由三個半橋逆變電路組成。圖8 三相電壓型橋式逆變電

13、路電路的直流側通常只有一個電容器就可以了，但為了方便分析，畫作串聯(lián)的兩個電容器并標出假想中點。和單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是導電方式，即每個橋臂的導電角度為，同一相（即同一半橋）上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度以此相差。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通?？赡苁巧厦嬉粋€臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行，因此也被稱為縱向換流。6.2 逆變器的工作原理在三相橋式逆變電路中，各管的導通次序同整流電路一樣，也是T1、T2、T3T6各管的觸發(fā)信號依次互差60°。根據(jù)各管的導通時間可

14、以分為180° 導通型和120°導通型兩種工作方式，在180°導通型的逆變電路中，任意瞬間都有三只管子導通，各管導通時間為180°，同一橋臂中上下兩只管子輪流導通，稱為互補管。在120°導通型逆變電路中，各管導通120°，任意瞬間只有不同相的兩只管子導通，同一橋臂中的兩只管子不是瞬時互補導通，而是有60°的間隙時間，當某相中沒有逆變管導通時，其感性電流經(jīng)該相中的二極管流通。6.3逆變電路的波形和電壓分析以下分析三相電壓型橋式逆變電路的工作波形。對于U相輸出來說，當橋臂1導通時，；當橋臂4導通時，。因此，的波形是幅值為的矩形波

15、。V、W兩相的情況和U相類似，、的波形形狀和相同，只是相位依次差120°。負載線電壓可由下式求出：設負載中點N與直流電源假想中點之間的電壓為。則負載各相的相電壓分別為：三相電壓型橋式逆變電路的工作波形如圖9所示：圖9 三相電壓型橋式逆變電路的工作波形下面對三相橋式逆變電路的輸出電壓進行定量分析。把輸出線電壓 展開成 傅里葉級數(shù)得：式中，為自然數(shù)。輸出線電壓有效值為基波幅值和基波有效值分別為；接下來，我們再對負載相電壓進行分析。把展開成傅里葉級數(shù)得 式中，k為自然數(shù)。負載相電壓有效值為基波幅值和基波有效值分別為；7.三相電壓源SPWM逆變器的建模與仿真7.1三相電壓源SPWM逆變器的建

16、模 圖10 SPWM逆變器的仿真模型7.2仿真模型中主要模塊的提取路徑 多功能橋式整流電路Universal Bridge Simulink/SimPoweSystem/Power Electronics/Universal Bridge 脈寬調制PWM脈沖發(fā)生器 Simulink/SimPoweSystem/Extra Library/Control Blocks/PWM Generator 有效測量模塊RMS Simulink/SimPoweSystem/Measurements/Continuous Measuremants/RMS 7.3主要參數(shù)設置 7.3.1 PWM Generat

17、or的參數(shù)設置圖11 PWM Generator的參數(shù)設置7.3.2 Universal Bridge的參數(shù)設置 圖12 Universal Bridge的參數(shù)設置7.3.3萬用表MultimeterMultimeter其參數(shù)設置如圖13所示：圖13 萬用表MultimeterMultimeter1其參數(shù)設置如下：圖14 Multimeter1其參數(shù)設置Multimeter2的參數(shù)設置同Multimeter1設置。7.3.4其它參數(shù)設置 有效值測量模塊RMS設置其參數(shù)Fundamental frequency（Hz）為50 電壓設置為220 阻感性負載R=2，L=0.01.三負載設置相同。7.

18、4仿真結果下面是輸出交流f=50Hz調制度m=0.8時的仿真曲線圖14逆變器的輸出電壓波形圖15逆變器輸出電流波形8 總結 經(jīng)過這次的電力電子課程設計后，我從中學到了很多東西。在我們學了電路、電力電子技術基礎之后，對專業(yè)課程基礎知識已經(jīng)有了最基本的掌握和接觸。在經(jīng)過獨立設計，我成功的完成了本次設計。對于我個人而言，我熟練的掌握了設計三相恒壓恒頻逆變電路的一般方法，還進一步熟悉了其原理。開始拿到課題難免會感到陌生，不過經(jīng)過自己親手實踐后才發(fā)現(xiàn)，只有經(jīng)過實踐運用得來的知識，才是真正屬于自己的東西。通過這次仿真的確收獲了很多，感覺自己對于電力電子技術這門課程有了更加深刻的認識。因為把平時所學的知識應用于實踐真的會遇到很多問題，當然也會發(fā)現(xiàn)有很多樂趣在其中?？梢哉f整個設計中最麻煩的就是把一些在課本中學到的知識在Matlab中進行仿真得到正確的結果。這個過程是十分繁瑣的，也是很鍛煉人的。通過本次課程設計，我學會了使用Matlab軟件仿真集成環(huán)境Simulink進行仿真的基本操作方法，也對逆變器和SPWM有了進一步的理解。在使用Matlab的Simulink進行仿真時，很多時候波形不一定能夠快速正確的出現(xiàn)，這個時候就要好好研究其深層次的原理，同時要注意Matlab的仿真的一些細節(jié)，例如哪里可以接線哪里不行，電路接不接地，仿真時間的設定，采用自動定標器Autoscale觀察波形等。這些軟件的使