二電平逆變器主電路及控制

1、 課程名稱：交流傳動(dòng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：二電平逆變器主電路及控制院 系： 電氣工程系 專 業(yè)： 電力機(jī)車 年 級(jí)： 2011級(jí) 姓 名： 田 源 指導(dǎo)教師： 丁菊霞 西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)2014年 10 月 23 日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書專 業(yè) 電力機(jī)車 姓 名 田源 學(xué) 號(hào) 20116841 開題日期：2013 年 09月 04日 完成日期：2013 年 10 月 23 日 題 目 二電平逆變器主電路及控制 1、 設(shè)計(jì)的目的 通過該設(shè)計(jì)，初步掌握二電平逆變器主電路及控制，熟悉二電平逆變器的電路結(jié)構(gòu)、電路工作原理、元件參數(shù)選擇、SPWM調(diào)制方法及仿真 二、設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求 1.二電平逆變器主

2、電路的基本了解 2.SPWM調(diào)制方法及仿真； 3.三相電壓型SPWM逆變器的仿真； 三、指導(dǎo)教師評(píng)語 四、成 績 指導(dǎo)教師 (簽章) 年 月 日摘 要 近年來，由于電力電子學(xué)和微電子技術(shù)的發(fā)展，使變頻調(diào)速技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，各種變頻調(diào)速控制方式、PWM脈寬調(diào)制技術(shù)以及MCU微處理器等均在變頻調(diào)速中獲得了成功應(yīng)用。同時(shí)，數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用到電力電子與電力傳動(dòng)控制領(lǐng)域中來，逆變器的數(shù)字控制逐漸成為研究熱點(diǎn)。交流調(diào)速電氣傳動(dòng)已經(jīng)上升為電氣調(diào)速傳動(dòng)的主流。在電氣調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)，可以相信在不久的將來交流調(diào)速將會(huì)完全取代直流調(diào)速傳動(dòng)。1975年推廣應(yīng)用正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal PWM 簡(jiǎn)稱

3、SPWM）以來，經(jīng)多年研究發(fā)展的歷程，正弦逆變技術(shù)也漸趨成熟而服務(wù)于廣泛的交流應(yīng)用場(chǎng)合，涉及民用、商用、軍用及科研四大板塊，人們也真實(shí)的感受到系統(tǒng)性能的改善、能源轉(zhuǎn)換效率的提高和電磁污染的減少或凈化，也為應(yīng)用的持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本論文介紹了二電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)、功率管參數(shù)選擇、電路工作原理、三相電壓型SPWM逆變器的工作原理，仿真電路及matlab仿真。關(guān)鍵詞： SPWM；逆變器；matlab仿真第 14 頁目 錄 摘 要1一、二電平逆變器主電路31.1 二電平逆變器電路結(jié)構(gòu)3 1.2 電路工作原理4 二、功率管參數(shù)設(shè)置即IGBT的選擇62.1 IGBT額定電壓的選擇62.2 IGB

4、T額定電流的選擇7 2.3 IGBT開關(guān)參數(shù)的選擇7 2.4 影響IGBT可靠性因素72.4.1柵電壓7 2.4.2 Miller效應(yīng)7三、 SPWM原理及調(diào)制方法73.1 SPWM原理73.2 SPWM波的調(diào)制條件83.2.1 載波比的限制83.2.2 調(diào)制比的限制9 3.3同步調(diào)制與異步調(diào)制9 3.3.1 同步調(diào)制9 3.3.2 異步調(diào)制9 3.3.1 分段同步調(diào)制10 四、 三相電壓型SPWM逆變器的仿真104.1 三相電壓型SPWM逆變器的仿真設(shè)計(jì)104.2三相電壓型SPWM逆變器的仿真結(jié)果12 參考文獻(xiàn)14一、二電平逆變器主電路1.1二電平逆變器電路結(jié)構(gòu)二電平牽引逆變器主電路圖如圖1

5、.1所示：圖1.1 二電平牽引逆變器主電路圖兩電平逆變器的主要功能是把一個(gè)固定的直流電壓轉(zhuǎn)化成幅值和頻率都可調(diào)的交流電壓。這個(gè)逆變器通常用6 個(gè)IGBT 管和6 個(gè)二極管構(gòu)成。這里的功率管也可以用IGCT 來代替。如果想得到更高的電壓, 可以用幾個(gè)相同功率管串聯(lián)起來實(shí)現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用中, 同一個(gè)橋臂上的上下兩個(gè)功率管是輪流導(dǎo)通的, 也就是互補(bǔ)的, 在他們的觸發(fā)過程中, 要求觸發(fā)時(shí)間盡量短, 以免在換相時(shí)同一橋臂上的兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通而燒壞。這里所說的兩電平既不是指相電壓, 也不是指線電壓, 而是指三相A , B, C 與N 點(diǎn)間的電壓。1.2電路工作原理 為了分析方便，首先定義3個(gè)理想開關(guān)函數(shù)如下：

6、 將逆變器采用理想開關(guān)等效，假設(shè)Za=Zb=Zc，則圖1.1所示的兩電平牽引逆變器主電路可以等效為圖1.2所示的電路 圖1.2 顯然，由 組成的電路共有23=8種組合,對(duì)應(yīng)主電路有8種工作模式。工作模式0（=000）：開關(guān)管T2、T4、T6導(dǎo)通，T1、T3、T5關(guān)斷；其中a、b、c端相電壓分別為；相應(yīng)的線電壓分別為；與該工作模式對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量,其等值電路圖如圖（a）所示。工作模式1（=001）：開關(guān)管T4、T5、T6導(dǎo)通，T1、T2、T3關(guān)斷；其中a、b、c端相電壓分別為；相應(yīng)的線電壓分別為；與該工作模式對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量,其等值電路圖如圖（b）所示。工作模式2（=010）：開關(guān)管T2、T

7、3、T4導(dǎo)通，T1、T5、T6關(guān)斷；其中a、b、c端相電壓分別為；相應(yīng)的線電壓分別為；與該工作模式對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量,其等值電路圖如圖（c）所示。工作模式3（=011）：開關(guān)管T3、T4、T5導(dǎo)通，T1、T2、T6關(guān)斷；其中a、b、c端相電壓分別為；相應(yīng)的線電壓分別為；與該工作模式對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量,其等值電路圖如圖（d）所示。工作模式4（=100）：開關(guān)管T1、T2、T6導(dǎo)通，T3、T4、T5關(guān)斷；其中a、b、c端相電壓分別為；相應(yīng)的線電壓分別為；與該工作模式對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量,其等值電路圖如圖（e）所示。工作模式5（=101）：開關(guān)管T1、T5、T6導(dǎo)通，T2、T3、T4關(guān)斷；其中a、b、

8、c端相電壓分別為；相應(yīng)的線電壓分別為；與該工作模式對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量,其等值電路圖如圖（f）所示。工作模式6（=110）：開關(guān)管T1、T2、T3導(dǎo)通，T4、T5、T6關(guān)斷；其中a、b、c端相電壓分別為；相應(yīng)的線電壓分別為；與該工作模式對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量,其等值電路圖如圖（g）所示。工作模式7（=111）：開關(guān)管T1、T3、T5導(dǎo)通，T2、T4、T6關(guān)斷；其中a、b、c端相電壓分別為；相應(yīng)的線電壓分別為；與該工作模式對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量,其等值電路圖如圖（h）所示。二、功率管參數(shù)設(shè)置 伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和低碳經(jīng)濟(jì)的要求，逆變器在各行各業(yè)中應(yīng)用飛速發(fā)展，而IGBT是目前逆變器中使用的主流開關(guān)器件，也

9、在逆變結(jié)構(gòu)中起核心作用。采用IGBT進(jìn)行功率變換，能夠提高用電效率，改善用電質(zhì)量。因此，IGBT在逆變器中的正確選擇與使用，有著舉足輕重的作用。逆變技術(shù)對(duì)IGBT的參數(shù)要求并不是一成不變的，逆變技術(shù)已從硬開關(guān)技術(shù)，移相軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展到雙零軟開關(guān)技術(shù)，各個(gè)技術(shù)之間存在相輔相成的紐帶關(guān)系， 同時(shí)具有各自的應(yīng)用電路要求特點(diǎn)，因而，對(duì)開關(guān)器件的IGBT的要求各不相同。而IGBT正確選擇與使用尤為重要。參數(shù)的選擇一條原則是適當(dāng)留有余地，這樣才能確保長期、可靠、安全地運(yùn)行。工作電壓50%-60%，結(jié)溫70-80%在這條件下器件是最安全的。2.1 IGBT額定電壓的選擇三相380V輸入電壓經(jīng)過整流和濾波后，

10、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(jí)，選擇1 200V電壓等級(jí)的IGBT。2.2 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(dòng)或加速時(shí)，電流過載，一般要求1分鐘的時(shí)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(jí)的IGBT。2.3 IGBT開關(guān)參數(shù)的選擇變頻器的開關(guān)頻率一般小于10 kH Z，而在實(shí)際工作的過程中，fGBT的通態(tài)損耗所占比重比較大，建議選擇低通態(tài)型IGBT。2.4 影響IGBT可靠性因素2.4.1柵電壓IGBT工作時(shí)，必須有正向

11、柵電壓，常用的柵驅(qū)動(dòng)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(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路時(shí)， 參考IGBT Datasheet中的額定Rg值，設(shè)計(jì)合適驅(qū)動(dòng)參數(shù)，保證合理正向柵電壓。因?yàn)镮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(shí)，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。2.4.2Miller效應(yīng)為了降低Miller效應(yīng)的影響，在IGBT柵驅(qū)動(dòng)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IG

12、BT的有效開通和關(guān)斷；（2）柵源間加電容c，對(duì)Miller效應(yīng)產(chǎn)生的電壓進(jìn)行能量泄放；（3）關(guān)斷時(shí)加負(fù)柵壓。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用三者合理組合，對(duì)改進(jìn)Mille r效應(yīng)的效果更佳。三、SPWM原理以及調(diào)制方法3.1 SPWM的工作原理PWM的全稱是Pulse Width Modulation（脈沖寬度調(diào)制），它是通過改變輸出方波的占空比來改變等效的輸出電壓。廣泛地用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速和閥門控制，比如我們現(xiàn)在的電動(dòng)車電機(jī)調(diào)速就是使用這種方式。 所謂SPWM，就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流交流逆變器等，

13、比如高級(jí)一些的UPS就是一個(gè)例子。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，在變頻器領(lǐng)域被廣泛的采用。 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的，目前使用較廣泛的PWM法.采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：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(shí),其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。三角波變化一個(gè)周期，它與正弦波有兩個(gè)交點(diǎn)，控制逆變

14、器中開關(guān)元件導(dǎo)通和關(guān)斷各一次。要準(zhǔn)確的生成SPWM波形，就要精確的計(jì)算出這兩個(gè)點(diǎn)的時(shí)間。開關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)間是脈沖寬度，關(guān)斷時(shí)間是脈沖間隙。正弦波的頻率和幅值不同時(shí)，這些時(shí)間也不同，但對(duì)計(jì)算機(jī)來說，時(shí)間由軟件實(shí)現(xiàn)，時(shí)間的控制由定時(shí)器完成，是很方便的，關(guān)鍵在于調(diào)制算法。調(diào)制算法主要有自然采樣法、規(guī)則采樣法、等面積法等。3.2 SPWM波的調(diào)制條件3.2.1 載波比的限制定義載波頻率ft與參考調(diào)制波頻率fr之比為載波比n(carrier ratio)，即 相對(duì)于前述spwm波形半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù) n來說，應(yīng)有n=2n。為了使逆變器的輸出盡量接近正弦波，應(yīng)盡可能增大載波比，但若從功率開關(guān)器件本身的允許開

15、關(guān)頻率來看，載波比又不能太大。n值應(yīng)受到下列條件的制約： 上式中的分母實(shí)際上就是spwm變頻器的最高輸出頻率。3.2.2 調(diào)制比的限制 在脈寬調(diào)制時(shí)，若n為偶數(shù)，調(diào)制信號(hào)的幅值urm與三角載波相交的兩點(diǎn)恰好是一個(gè)脈沖的間歇。為了保證最小間歇時(shí)間大于toff，必須使urm低于三角載波的峰值utm。為此，定義urm與utm之比為調(diào)制度m，即 在理想情況下，m值可在01之間變化，以調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的大小。實(shí)際上，m總是小于1的，在n較大時(shí)，一般取最高的m=0.80.9。3.3同步調(diào)制與異步調(diào)制在實(shí)行spwm時(shí)，視載波比n的變化與否，有同步調(diào)制與異步調(diào)制之分。3.3.1 同步調(diào)制 在同步調(diào)制方式中，

16、n常數(shù)，變頻時(shí)三角載波的頻率與正弦調(diào)制波的頻率同步改變，因而輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)是固定不變的。如果取n等于3的倍數(shù)，則同步調(diào)制能保證輸出波形的正、負(fù)半波始終對(duì)稱，并能嚴(yán)格保證三相輸出波形間具有互差 120°的對(duì)稱關(guān)系。但是，當(dāng)輸出頻率很低時(shí)，由于相鄰兩脈沖間的間距增大，諧波會(huì)顯著增加，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較強(qiáng)的噪聲，這是同步調(diào)制方式的主要缺點(diǎn)。3.3.2 異步調(diào)制 為了消除同步調(diào)制的缺點(diǎn)，可以采用異步調(diào)制方式。顧名思義，異步調(diào)制時(shí)，在變壓變頻器的整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比n不等于常數(shù)。一般在改變調(diào)制波頻率fr時(shí)保持三角載波頻率ft不變，因而提高了低頻時(shí)的載波比。這樣輸出電

17、壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，從而減少負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與噪聲，改善了系統(tǒng)的低頻工作性能。3.3.3 分段同步調(diào)制 為了揚(yáng)長避短，可將同步調(diào)制和異步調(diào)制結(jié)合起來，成為分段同步調(diào)制方式，實(shí)用的spwm變壓變頻器多采用這種方式。在一定頻率范圍內(nèi)采用同步調(diào)制，可保持輸出波形對(duì)稱的優(yōu)點(diǎn)，但頻率降低較多時(shí)，如果仍保持載波比n不變，輸出電壓諧波將會(huì)增大。為了避免這個(gè)缺點(diǎn)，可以采納異步調(diào)制的長處，使載波比分段有級(jí)地加大，這就是分段同步調(diào)制方式。具體地說，把整個(gè)變頻范圍劃分成若干頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)都維持載波比n恒定，而對(duì)不同的頻段取不同的n值，頻率低時(shí)，n值取大些，一般大致按等比級(jí)數(shù)安排。四、三相電壓型SPWM逆變器的仿真 4.1 三相電壓型SPWM逆變器的仿真設(shè)計(jì) 三相電壓型SPWM逆變器的系統(tǒng)電路 圖4.1相關(guān)參數(shù)設(shè)置4.2三相電壓型SPWM逆變器的仿真結(jié)果pw