方波逆變電路計算機(jī)仿真

1、前言前言 本文設(shè)計了一單相橋式方波逆變電路，和一三相橋式方波逆變電路。單相橋式方波逆變電路，開關(guān)器件選用IGBT，直流電源為 300V，電阻負(fù)載，電阻 1 歐姆電感 1mh。三相橋式方波逆變電路，開關(guān)器件選用IGBT，直流電源為 530V，電阻負(fù)載，負(fù)載有功率 1KW,感性無功功率 0.1Kvar。完成上述橋式方波逆變電路的設(shè)計，并進(jìn)行計算機(jī)仿真，觀察輸出電壓波形、系統(tǒng)輸入電流波形、電壓電流波形的諧波情況、不同仿真條件時系統(tǒng)輸入輸出的變化情況和理論分析的結(jié)果進(jìn)行比較。關(guān)鍵詞：方波逆變器； IGBT 開關(guān)器件；計算機(jī)仿真1目錄目錄1 仿真軟件簡介1 2 IGBT 開關(guān)器件簡介4 2.1 IGBT

2、 的結(jié)構(gòu)4 2.2 IGBT 的工作原理43 主電路圖工作原理說明6 3.1 逆變電路6 3.2 逆變電路的基本工作原2理6 3.3 電壓型逆變電路6 3.4 電流型逆變電路134 方波逆變電路的計算機(jī)仿真模型的建立17 4.1 單項橋式方波逆變電路仿真17 4.2 三相橋式方波逆變電路仿真195 總結(jié)233致謝24參考文獻(xiàn)251 1 仿真軟件簡介仿真軟件簡介 MATLAB 是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Sim

3、ulink 兩大部分。 MATLAB 和 Mathematica、Maple 并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB 可以進(jìn)行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C，F(xiàn)ORTRAN 等語言完成相同的事情簡捷得多，并且mathwork 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點,使 MATLAB 成為一個強(qiáng)大的

4、數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對 C，F(xiàn)ORTRAN，C+ ，JAVA 的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。優(yōu)勢方面：（1）友好的工作平臺和編程環(huán)境MATLAB 由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用 MATLAB 的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括 MATLAB 桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著 MATLAB 的商業(yè)4化以及軟件本身的不斷升級，MATLAB

5、的用戶界面也越來越精致，更加接近 Windows 的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡單。而且新版本的 MATLAB 提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進(jìn)行出錯原因分析。（2）簡單易用的程序語言Matlab 一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M 文件）后再一起運行。新版本的 MATLAB 語言是基于最為流行的 C語言基礎(chǔ)上的，因此語法

6、特征與 C語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是 MATLAB 能夠深入到科學(xué)研究及工程計算各個領(lǐng)域的重要原因。（3）強(qiáng)大的科學(xué)計算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力MATLAB 是一個包含大量計算算法的集合。其擁有 600 多個工程中要用到的數(shù)學(xué)運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如 C 和 C+ 。在計算要求相同的情況下，使用 MATLAB 的編程工作量會大大減少

7、。MATLAB 的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復(fù)數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。（4）出色的圖形處理功能MATLAB 自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計算和工程繪圖。新版本的 MATLAB 對整個圖形處理

8、功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等） ，MATLAB 同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，MATLAB 也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的 MATLAB 還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。（5）應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱MATLAB 對許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來說，它們都是由特定領(lǐng)域的專

9、家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB 已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設(shè)計、LMI 控制、魯棒控制、模型預(yù)測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、DSP 與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具5箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）實用的程序接口和發(fā)布平臺新版本的 MATLAB 可以利用 MATLAB 編譯器和 C/C

10、+數(shù)學(xué)庫和圖形庫，將自己的MATLAB 程序自動轉(zhuǎn)換為獨立于 MATLAB 運行的 C 和 C+代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB 進(jìn)行交互的 C 或 C+語言程序。另外，MATLAB 網(wǎng)頁服務(wù)程序還容許在 Web 應(yīng)用中使用自己的 MATLAB 數(shù)學(xué)和圖形程序。MATLAB 的一個重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是 MATLAB 函數(shù)的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。（7）應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面）在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖

11、形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向 Excel 和 HDF5 進(jìn)行連接。2 2 IGBTIGBT 開關(guān)器件簡介開關(guān)器件簡介2.12.1 IGBTIGBT 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是 MOS 結(jié)構(gòu)雙極器件，屬于具有功率MOSFET 的高速性能與雙極的低電阻性能的功率器件。IGBT 的應(yīng)用范圍一般都在耐壓600V 以上、電流 10A 以上、頻率為 1kHz 以上的區(qū)域。多使用在工業(yè)用電機(jī)、民用小容量電機(jī)、變換器（逆變器） 、照像

12、機(jī)的頻閃觀測器、感應(yīng)加熱（InductionHeating）電飯鍋等領(lǐng)域。根據(jù)封裝的不同，IGBT 大致分為兩種類型，一種是模壓樹脂密封的三端單體封裝型，從 TO3P 到小型表面貼裝都已形成系列。另一種是把 IGBT 與 FWD （FleeWheelDiode）成對地（2 或 6 組）封裝起來的模塊型，主要應(yīng)用在工業(yè)上。模塊的類型根據(jù)用途的不同，分為多種形狀及封裝方式，都已形成系列化。2.22.2 IGBTIGBT 的工作原理的工作原理 IGBT 是強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率 MOSFET 的自然進(jìn)化。MOSFET由于實現(xiàn)一個較高的擊穿電壓 BVDSS 需要一個源漏通道，而這個通

13、道卻具有很高的電阻率，因而造成功率 MOSFET 具有 RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT 消除了現(xiàn)有功率 MOSFET 的這些主要缺點。雖然最新一代功率 MOSFET 器件大幅度改進(jìn)了 RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導(dǎo)通損耗仍然要比 IGBT 高出很多。IGBT 較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個低VCE(sat)的能力，以及 IGBT 的結(jié)構(gòu)，與同一個標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化 IGBT 驅(qū)動器的原理圖。 6IGBT 的結(jié)構(gòu)與工作原理IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給 PNP 晶體管提供基極電流，使 IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向

14、基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動方法和 MOSFET 基本相同，只需控制輸入極 N 一溝道 MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng) MOSFET 的溝道形成后，從 P+ 基極注入到 N 一層的空穴（少子） ，對N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N 一層的電阻，使 IGBT 在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流 Id 與柵源電壓 Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓 Ugs(th) 時，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在 IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與 Ugs 呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極

15、電流限制，其最佳值一般取為 15V 左右。 絕緣柵雙極晶體管：IGBT 的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下的參數(shù)來進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為 IGBT 柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用 MOSFET 驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過由于 IGBT 的輸入電容較 MOSFET 為大，故 IGBT 的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多 MOSFET 驅(qū)動電路提供的偏壓更高。 IGBT 的開關(guān)速度低于 MOSFET，但明顯高于 GTR。IGBT 在關(guān)斷時不需要負(fù)柵壓來減少關(guān)斷時間，但關(guān)斷時間隨柵

16、極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT 的開啟電壓約34V，和 MOSFET 相當(dāng)。IGBT 導(dǎo)通時的飽和壓降比 MOSFET 低而和 GTR 接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。 正式商用的高壓大電流 IGBT 器件至今尚未出現(xiàn)，其電壓和電流容量還很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求，特別是在高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級達(dá)到 10KV 以上。目前只能通過 IGBT 高壓串聯(lián)等技術(shù)來實現(xiàn)高壓應(yīng)用。國外的一些廠家如瑞士 ABB 公司采用軟穿通原則研制出了 8KV 的 IGBT 器件，德國的 EUPEC 生產(chǎn)的 6500V/600A 高壓大功率 IGBT 器件已經(jīng)獲得實際

17、應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開發(fā) IGBT 的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用 1m 以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進(jìn)展。 為了抑制 n+pn-寄生晶體管的工作 IGBT 采用盡量縮小 p+n-p 晶體管的電流放大系數(shù) 作為解決閉鎖的措施。具體地來說，p+n-p 的電流放大系數(shù) 設(shè)計為 0.5 以下。 IGBT 的閉鎖電流 IL 為額定電流（直流）的 3 倍以上。IGBT 的驅(qū)動原理與電力 MOSFET 基本相同，通斷由柵射極電壓 uGE 決定。 IGBT 硅片的結(jié)構(gòu)與功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是 IGBT

18、增加了 P+ 基片和一個 N+ 緩沖層（NPT-非穿通-IGBT 技術(shù)沒有增加這個部分） ，其中一個 MOSFET 驅(qū)動兩個雙極器件?；膽?yīng)用在管體的 P+和 N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個 J1 結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演 P 基區(qū)時，一個 N 溝道形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率 MOSFET 的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個電子流產(chǎn)生的電壓在 0.7V 范圍內(nèi)，那么，J1 將處于正向偏壓，一些空穴注入 N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€電子流(MOSFET 電流)；空穴電流

19、（雙極） 。uGE 大于開啟電壓 UGE(th)時，MOSFET 內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT 導(dǎo)通。 7當(dāng)在柵極施加一個負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入 N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果 MOSFET 電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在 N 層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少子） 。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)洌瑢哟魏穸群蜏囟取Ｉ僮拥乃p使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導(dǎo)通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。 鑒于

20、尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、IC 和 VCE 密切相關(guān)的空穴移動性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計上的電流的不理想效應(yīng)是可行的，尾流特性與 VCE、IC 和 TC 有關(guān)。 柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET 內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT 關(guān)斷。 反向阻斷當(dāng)集電極被施加一個反向電壓時，J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向 N-區(qū)擴(kuò)展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以，這個機(jī)制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區(qū)域尺寸，就會連續(xù)地提高壓降。 正向阻斷當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子

21、施加一個正電壓時，P/NJ3 結(jié)受反向電壓控制。此時，仍然是由 N 漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。 3 3 主電路圖工作原理說明主電路圖工作原理說明3.1 逆變電路逆變電路逆變概念：逆變直流電變成交流電，與整流相對應(yīng)。主要內(nèi)容：換流方式，電壓型逆變電路，電流型逆變電路，多重逆變電路和多電平逆變電路。無源逆變逆變電路的應(yīng)用：蓄電池、干電池、太陽能電池等直流電源向交流負(fù)載供電時，需要逆變電路。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。3.2 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理單相橋式逆變電路為例：S1S4是橋式電路的 4 個臂，由電力電子器

22、件及輔助電路組成。S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負(fù)載電壓 uo為正 S1；S1、S4斷開，S2、S3閉合時，uo為負(fù)，把直流電變成了交流電。改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。8圖 3-1 逆變電路及其波形舉例 電阻負(fù)載時，負(fù)載電流 io和 uo的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時，io滯后于 uo，波形也不同（圖 3-1b）。t1前：S1、S4通，uo和 io均為正。t1時刻斷開 S1、S4，合上 S2、S3，uo變負(fù)，但 io不能立刻反向。io從電源負(fù)極流出，經(jīng) S2、負(fù)載和 S3流回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時刻降為零，之后 io才反向并增大3.3 電壓型

23、逆變電路電壓型逆變電路逆變電路按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路，電流型逆變電路或電流源型逆變電路。圖 3-1 電路的具體實現(xiàn)。9圖 3-3 電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路）電壓型逆變電路的特點(1) 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動(2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同(3) 阻感負(fù)載時需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管（1）單相電壓型逆變電路1、半橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)：見圖 3-4工作原理：V1和 V2柵極信號各半周正偏、半周反偏，互補。uo為矩形波，幅值為 Um=Ud/2，io波形隨負(fù)載

24、而異，感性負(fù)載時，圖 5-6b，V1或 V2通時，io和 uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量，VD1或 VD2通時，io和 uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋，VD1、VD2稱為反饋二極管，還使 io連續(xù)，又稱續(xù)流二極管。圖 3-4 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形優(yōu)點：簡單，使用器件少缺點：交流電壓幅值 Ud/2，直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡，用于幾kW以下的小功率逆變電源。單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。2、全橋逆變電路電路結(jié)構(gòu)及工作情況：圖 3-3，兩個半橋電路的組合。1 和 4 一對，2 和 3 另一對，成對橋臂同時導(dǎo)通，交替各導(dǎo)通 180。uo波形同圖

25、3-4b。半橋電路的 uo，幅值高出一倍 Um=Ud。io波形和圖 3-4b 中的 io相同，幅值增加一倍，單相逆變電路中應(yīng)用最多的。輸出電壓定量分析uo成傅里葉級數(shù) （3-1） 10基波幅值 （3-2） 基波有效值 （3-3） uo為正負(fù)各 180 時，要改變輸出電壓有效值只能改變 Ud來實現(xiàn)。移相調(diào)壓方式（圖 3-5）?？刹捎靡葡喾绞秸{(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱為移相調(diào)壓。各柵極信號為 180 正偏，180 反偏，且 V1和 V2互補，V3和 V4互補關(guān)系不變。V3的基極信號只比 V1落后 q ( 0q 180)，V3、V4的柵極信號分別比 V2、V1的前移 180-q，uo成為正負(fù)各為 q

26、 的脈沖，改變 q 即可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。圖 3-5 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式（2）三相電壓型逆變電路三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路。應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路可看成由三個半橋逆變電路組成。180導(dǎo)電方式：每橋臂導(dǎo)電 180，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差 120，任一瞬間有三個橋臂同時導(dǎo)通，每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流。11圖 3-6 三相電壓型橋式逆變電路在 180導(dǎo)通型的三相逆變器中，每隔 60的各階段其等效電路及相應(yīng)相電壓、線電壓數(shù)值如表 3-1 所示。表 3-1 相電壓線電壓數(shù)值表 根據(jù)表 3-1 中各階段的相電壓數(shù)值，可以得

27、出任何一相的相電壓波形為六階梯波，各相互差 120，如圖 3-8（a）所示。而線電壓可由相電壓相減得出，其波形如圖 3-8（b）所示，為脈寬 120的矩形波。 12 （a）相電壓波形 （b）線電壓波形 圖 3-8 電壓六階梯波形圖初相角為零的六階梯波，其基波可用付氏級數(shù)求得，如 A 相相電壓可表示為： （3-4）其余兩相各差 120。相電壓中無余弦項、偶數(shù)項和三的倍數(shù)次諧波，電壓中最低為五次諧波，含量為基波的 20。 對于基波無初相角的矩形波線電壓，其一般表達(dá)式為： （3-5）根據(jù)圖 3-7 可以算出六階梯波的相電壓和方波線電壓的有效值分別為： （3-6）13 （3-7）實際的電壓波形與上面分

28、析的結(jié)果略有誤差，這是由于在分析中忽略了換流過程，也未扣除逆變電路中的電壓降落的緣故。 當(dāng)三相逆變器按 120 導(dǎo)通方式工作時，其輸出電壓波形如圖 3-9 所示，與前面相反，這里相電壓為矩形波，而線電壓為六階梯波。 （a）相電壓波形 （b）線電壓波形圖 3-9 線電壓為六階梯波 對 180導(dǎo)通方式和 120導(dǎo)通方式進(jìn)行比較可知：在 120方式中，上下兩管之間有60的間隙，對換流的安全有利，但是管子的利用率較低，并且若電機(jī)采用星形接法，則始終有一相繞組斷開，在換流時會引起較高的感應(yīng)電勢，應(yīng)采取過電壓保護(hù)措施。而14180導(dǎo)通方式無論電動機(jī)在三角形還是星形接法時，正常工作都不會產(chǎn)生過電壓，因此對于

29、電壓型逆變器，180導(dǎo)通方式應(yīng)用較為普遍。 當(dāng)逆變器負(fù)載為感性時，必須有續(xù)流二極管，如圖 1-5 中的 D1D6所示。此時負(fù)載電流的波形可以根據(jù)電壓波形的階躍變化，由相應(yīng)升降的指數(shù)曲線定性地繪出，A 相負(fù)載電流波形如圖 3-10（b）所示，圖中陰影部分為續(xù)流二極管中的電流。只有當(dāng)續(xù)流二極管電流降為零時，A 相的負(fù)載電流才開始經(jīng) T4形成反向電流。同理 B 相和 C 相電流比 A相電流分別滯后 120和 240。圖 3-10 直流輸入電流波形圖直流輸入電流波形如圖 3-10（e）所示，它由直流分量和周期為 60的交流分量組成，每段電流波形可由正極或負(fù)極上僅有一個管子導(dǎo)通時的管子電流決定。如果負(fù)載

30、電流滯15后角超過 60，電流波形如圖 3-11 所示，圖的上方為各晶閘管的觸發(fā)情況，圖中電流曲線旁注明的是各管的實際導(dǎo)通情況。由圖可見，在直流環(huán)節(jié)電壓極性不變的電壓型逆變器中，在感性負(fù)載下續(xù)流二極管是必不可少的，它既能提供感性負(fù)載電流的通路，避免過電壓的出現(xiàn)，又可減小輸入電流，改善逆變器的效率。 圖 3-11 滯后角超過 60 度電流波形圖當(dāng)負(fù)載為感應(yīng)電動機(jī)時，不僅存在著對各次諧波不同的阻抗，而且還有反電勢，它對各次諧波電流的作用是不同的，結(jié)果負(fù)載電流的波形與圖 3-8 相比有較大差別，其主要原因是負(fù)載電流中諧波分量所占的比例加大。通過上面的論述可見，感性負(fù)載下逆變器中可能有三種電流： （1

31、）功率電流它通過兩個或三個逆變管，將能量從直流電源送到負(fù)載。 （2）環(huán)路電流它在逆變器內(nèi)部經(jīng)過一個逆變管和一個反饋二極管，形成環(huán)流，但此環(huán)流不經(jīng)過電源。（3）反饋電流它通過兩個反饋二極管將負(fù)載的能量反饋到直流電源中去。 因此在設(shè)計逆變器時，考慮到功率因數(shù)很低的情況下仍能使逆變器正常工作，逆變管的觸發(fā)脈沖寬度應(yīng)該大于 90，通常取 120的寬脈沖。 163.4 電流型逆變電路電流型逆變電路直流電源為電流源的逆變電路電流型逆變電路。一般在直流側(cè)串聯(lián)大電感，電流脈動很小，可近似看成直流電流源。實例之一：圖 3-12 電流型三相橋式逆變電路。交流側(cè)電容用于吸收換流時負(fù)載電感中存貯的能量。圖 3-12

32、電流型三相橋式逆變電路電流型逆變電路主要特點：(1) 直流側(cè)串大電感，相當(dāng)于電流源。(2) 交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。(3) 直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。（1） 單相電流型逆變電路17圖 3-13 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路4 橋臂，每橋臂晶閘管各串一個電抗器 LT限制晶閘管開通時的 di/dt。1、4 和 2、3以 10002500Hz 的中頻輪流導(dǎo)通，可得到中頻交流電。采用負(fù)載換相方式，要求負(fù)載電流超前于電壓。負(fù)載一般是電磁感應(yīng)線圈，加熱

33、線圈內(nèi)的鋼料，RL 串聯(lián)為其等效電路。因功率因數(shù)很低，故并聯(lián) C。C 和 L、R 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故此電路稱為并聯(lián)諧振式逆變電路。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。因基波頻率接近負(fù)載電路諧振頻率，故負(fù)載對基波呈高阻抗，對諧波呈低阻抗，諧波在負(fù)載上產(chǎn)生的壓降很小，因此負(fù)載電壓波形接近正弦波。 工作波形分析：一周期內(nèi)，兩個穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個換流階段。t1-t2：VT1和 VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，i=Id，t2時刻前在 C 上建立了左正右負(fù)的電壓。t2-t4：t2時觸發(fā) VT2和 VT3開通，進(jìn)入換流階段。LT使 VT1、VT4不能立刻關(guān)斷，電流有一個減小過程。VT2、

34、VT3電流有一個增大過程。4 個晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電。t2時刻后，LT1、VT1、VT3、LT3到 C；另一個經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4到 C。t=t4時，VT1、VT4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4t2= tg 稱為換流時間。io在 t3時刻，即 iVT1=iVT2時刻過零，t3時刻大體位于 t2和 t4的中點。（2） 三相電流型逆變電路電流型三相橋式逆變電路（圖 3-12，采用全控型器件）?；竟ぷ鞣绞绞?120導(dǎo)電方式每個臂一周期內(nèi)導(dǎo)電 120。每時刻上下橋臂組各有一個臂導(dǎo)通，橫向換流。波形分析：輸出電流波形和負(fù)載性質(zhì)無關(guān)，正負(fù)脈沖各 120的

35、矩形波。輸出電流和三相橋整流帶大電感負(fù)載時的交流電流波形相同，諧波分析表達(dá)式也相同。輸出線電壓波形和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，大體為正弦波。18輸出交流電流的基波有效值 （3-8） 串聯(lián)二極管式晶閘管逆變電路如圖 3-12 所示。這種電路因各橋臂的晶閘管和二極管串聯(lián)使用而得名，主要用于中大功率交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。4 方波逆變電路的計算機(jī)仿真模型的建立方波逆變電路的計算機(jī)仿真模型的建立4.1 單項橋式方波逆變電路仿真單項橋式方波逆變電路仿真設(shè)計要求：設(shè)計一單項橋式方波逆變電路，開關(guān)器件選用 IGBT，直流電壓為300V，電阻負(fù)載，電阻一歐姆，電感 2mh。設(shè)計上述要求完成主電路設(shè)計。1 單項橋式方波逆變電路19 圖 4-1單項橋式方波逆變電路2 單項橋式方波逆變電路仿真圖形（1）負(fù)載參數(shù)設(shè)計20（2）仿真圖圖 4-2 電壓、電流波形21圖 4-3 脈沖波形4.2 三相橋式方波逆變電路仿真設(shè)計要求：設(shè)計一三相橋式方波逆變電路，開關(guān)器件選用 IGBT，直流電壓為530V，電阻負(fù)載，負(fù)載有功功率 1KW，感性無功功率 0.1Kvar。根據(jù)上述要求完成主電路設(shè)計。1 三相橋式方波逆變電路22圖 4-4三相橋式方波逆變電路2 三相橋式方波逆變電路仿真圖形(1)負(fù)載參數(shù)設(shè)計（2）電壓電流波