三相方波逆變電路原理說明

1、1 引言設(shè)計(jì)要求本次課程設(shè)計(jì)題目要求為三相方波逆變電路的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(shí)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。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(fù)載，負(fù)載有功功率1KW感性無功功率為100Var。逆變的概念逆變即直流電變成交流電，與整流相對(duì)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(dá)到縮小變壓器體積和提高供電質(zhì)量的目的了。三相逆變?nèi)嗄孀兗夹g(shù)廣泛應(yīng)用于交流傳動(dòng)、無功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域。在三相PWMfc流伺服系統(tǒng)中，一般采用三個(gè)

2、橋臂的結(jié)構(gòu)，即逆變橋主電路有6 個(gè)功率開關(guān)器件(功率MOSFE成IGBT構(gòu)成，若每個(gè)開關(guān)器件都用一個(gè)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，則需 6 個(gè)驅(qū)動(dòng)電路， 至少要配備4 個(gè)相互獨(dú)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?yán)щy，設(shè)計(jì)成本偏高。2三相電壓源型SPW城變器PWM勺基本原理PWM(Pulse Width Modulation) 控就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形。PWME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(shí)，其效果基本相同。SPWM6制技術(shù)是PWM空制技術(shù)的主要應(yīng)用

3、，即輸出脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效。SPWMK變電路及其控制方法SPWME變電路屬于電力電子器件的應(yīng)用系統(tǒng)，因此，一個(gè)完整的SPW逆變電路應(yīng)該由控制電路、 驅(qū)動(dòng)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(hào)， 通過驅(qū)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的功能。目前應(yīng)用最為廣泛的是電壓型PW質(zhì)變電路,脈寬控制方法主要有計(jì)算機(jī)法 和調(diào)制法兩種， 但因?yàn)橛?jì)算機(jī)法過程繁瑣， 當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、 幅值或相位發(fā)生變化時(shí)，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(shì)， 因 此，調(diào)制法應(yīng)用最為廣泛。所謂調(diào)

4、制法，就是把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào) Ut,把接收調(diào)制的信號(hào)作為載波Uc,通過信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的 PW快形。三相方波逆變器幅值關(guān)系：直流電壓利用率：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(gè)周期中閉 合180o （占空比為，因此，在任何時(shí)間，總有三個(gè)開關(guān)元件閉合。、3 4Ud .6Uabid Ud 0.78Ud,A2 U2b10.78 Ud三相PWMK變器提高直流電壓利用率的方法采用梯形波作為調(diào)制信號(hào)，可有效提高直流電壓利用率；當(dāng)梯形波幅值和 三角波幅值相等時(shí)，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(shí)，決定功率開關(guān)器件通斷的方法和用正弦波作

5、為調(diào)制信號(hào)時(shí) 完全相同。三相PWMK變器提高直流電壓利用率的方法梯形波的形狀用三角化率s =Ut/ Uto描述，Ut為以橫軸為底時(shí)梯形波的高， Uto為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長(zhǎng)后相交所形成的三角形的高；s =0時(shí)梯形波變?yōu)榫匦尾?，s =1時(shí)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。3逆變器主電路設(shè)計(jì)圖3-1是SPW逆變器的主電路設(shè)計(jì)圖。圖中Vl V6是逆變器的六個(gè)功率開 關(guān)器件，各由一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個(gè)逆變器由恒值直流電壓 U供電。一組 三相對(duì)稱的正弦參考電壓信號(hào)由參考信號(hào)發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的

6、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(hào)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(hào)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SPWMC沖序列波。Uda, Udb, U dc作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。當(dāng)Uru UunUd/2時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)Uun Ud/2,給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是 V1(V4)導(dǎo)通，也可能是 VD1(VD4后通。UdftUwn 的PW瞰形只有Ud/2兩種電平。當(dāng)Uru Uc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信 號(hào)，Uun Ud/2。Uuv的波形可由Uun U vn得出，當(dāng)1和6通時(shí)，

7、U uv Ud, 當(dāng)3和4通時(shí)，UuvUd ,當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，Uuv=0。輸出線電壓PWMfc由Ud和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓 PW隴由(2/3)5, (1/3)5和0共5 種電平組成。圖3-1 SPWM 逆變器的主電路設(shè)計(jì)圖防直通的死區(qū)時(shí)間同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，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(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWMfc帶來影響，使其稍稍偏離 正弦波。4軟件仿真Matlab軟件Matlab軟件提供的仿真工具箱Simulink是一個(gè)功能十分強(qiáng)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，

8、并且十分直觀，仿真精度高，結(jié) 果準(zhǔn)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(yùn)算環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本原件和系統(tǒng)仿真模型。 它由以下 6 個(gè)子模塊組成： 電源模塊庫、 連接模塊庫、 測(cè)量模塊庫、 電力電子模塊庫、 電機(jī)模塊庫、基本件模塊庫。在這6 個(gè)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

9、。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(fù)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電路部分。第二步再來構(gòu)造控制部分。選擇六個(gè) pulse generato板塊，第一個(gè)參數(shù)設(shè) 置如下圖： Block Parameters; Puhe GGnu3tQ之后，各模塊一次之后 6s,即相差60度。采用mux模塊將六路信號(hào)合成后加在三相橋的門極。

10、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(cè)及分析部分。在相應(yīng)模塊的測(cè)量選項(xiàng)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。通過串聯(lián)的電流表可 觀察直流電流的波形。分析仿真結(jié)果將仿真時(shí)間設(shè)為，在powergui 中這是為離散仿真模式，采樣時(shí)間為10-5s，運(yùn)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(shí)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(fù)載又關(guān)。改變負(fù)載參數(shù)，觀察電流波形的變化。當(dāng)負(fù)載參數(shù)如下圖所示時(shí)：A相，B相，C相電壓和電流波形如下圖： Ab ， bc， ca 電壓如圖：

11、5 總結(jié)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí) , 發(fā)現(xiàn) , 提出 , 分析和解決實(shí)際問題 , 鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié), 是對(duì)學(xué)生實(shí)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)展的日新日異，電力電子已經(jīng)成為當(dāng)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(jì)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。 回顧起此次課程設(shè)計(jì)， 至今我仍感慨頗多， 的確， 從選題到定稿， 從理論到實(shí)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(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)， 而且學(xué)到了很多在書 本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。 通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很 重要的， 只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的， 只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來， 從理論中得出結(jié)論， 才能真正為社會(huì)服務(wù)， 從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立 思考的能力。 在設(shè)計(jì)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(huì)遇到過各種各樣的問題， 同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處， 對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得