單相PWM逆變電路設(shè)計(jì)

1、 目 錄一 前言1.1 電力電子簡(jiǎn)介 (2)1.2 課題目的 (3)1.3 課題內(nèi)容及要求(3)1.4 課題意義(3)二 單相橋式逆變電路2.1 電壓型逆變電路.(4)2.2 電流型逆變電路.(6)三 單相橋式 PWM 逆變主電路設(shè)計(jì)3.1 逆變控制電路的設(shè)計(jì) (9)3.2 正弦波輸出變壓變頻電源調(diào)制方式(11)3. 3 種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分析(13)四 驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)4.14.2過(guò)電流保護(hù)(14)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) (14)五 使用的元件.(16)六 仿真實(shí)驗(yàn)(19)七 心得體會(huì)（ 24）八 參考文獻(xiàn)(24) 一 前言1.1 電力電子簡(jiǎn)介隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，正弦波輸出變

2、壓變頻電源已被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，與此同時(shí)對(duì)變壓變頻電源的輸出電壓波形質(zhì)量也提出了越來(lái)越高的要求。對(duì)逆變器輸出波形質(zhì)量的要求主要包括兩個(gè)方面：一是穩(wěn)態(tài)精度高；二是動(dòng)態(tài)性能好。因此，研究開(kāi)發(fā)既簡(jiǎn)單又具有優(yōu)良動(dòng)、靜態(tài)性能的逆變器控制策略，已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管（SCR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、晶體管（BJT）、絕緣柵晶體管（IGBT）等階段。目前正向著大容量、高頻率、易驅(qū)動(dòng)、低損耗、模塊化、復(fù)合化方向發(fā)展，與其他電力電子器件相比，IGBT 具有高可靠性、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、保護(hù)容易、不用緩沖電路和開(kāi)關(guān)頻率高等特點(diǎn)，為了達(dá)到這些高性能，采用了許多用于集成電路的工藝

3、技術(shù)，如外延技術(shù)、離子注入、精細(xì)光刻等。IGBT 最大的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論在導(dǎo)通狀態(tài)還是短路狀態(tài)都可以承受電流沖擊。它的并聯(lián)不成問(wèn)題，由于本身的關(guān)斷延遲很短，其串聯(lián)也容易。盡管 IGBT 模塊在大功率應(yīng)用中非常廣泛，但其有限的負(fù)載循環(huán)次數(shù)使其可靠性成了問(wèn)題，其主要失效機(jī)理是陰極引線焊點(diǎn)開(kāi)路和焊點(diǎn)較低的疲勞強(qiáng)度，另外絕緣材料的缺陷也是一個(gè)問(wèn)題。在現(xiàn)有的正弦波輸出變壓變頻電源產(chǎn)品中，為了得到 SPWM 波，一般都采用雙極性調(diào)制技術(shù)。該調(diào)制方法的最大缺點(diǎn)是它的 4個(gè)功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，從而產(chǎn)生了較大的開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)頻率越高，損耗越大。本次課程設(shè)計(jì)研究單相橋式 PWM 逆變電路，通過(guò)該電路實(shí)現(xiàn)

4、逆變電源變壓、變頻輸出。- 1 - 1.2 課題的目的1) 通過(guò)對(duì)單相橋式 PWM 逆變電路的設(shè)計(jì)，掌握單相橋式 PWM 逆變電路的工作原理，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行單相橋式全控整流電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。2) 了解與熟悉單相橋式 PWM 逆變電路拓?fù)?，控制方法?) 理解和掌握單相橋式 PWM 逆變電路及系統(tǒng)的主電路、控制電路和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法，掌握元器件的選擇計(jì)算方法。4) 具有一定的電力電子電路及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和調(diào)試的能力。1.3 課題的內(nèi)容及要求對(duì)單相橋式 PWM 逆變電路的主電路和控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：直流電壓為 100V；阻感負(fù)載；負(fù)載中 R=2 ，L=1mH；要求輸出頻率范圍：

5、10HZ100HZ。1.4 課題的意義電力系統(tǒng)變電站和調(diào)度所的繼電保護(hù)和綜合自動(dòng)化管理設(shè)備有的是單相交流供電的，其中有一部分是不能長(zhǎng)時(shí)間停電的。普通 UPS 設(shè)備因受內(nèi)置蓄電池容量的限制，供電時(shí)間比較有限，而直流操作電源所帶的蓄電池容量一般都比較大，所以需要一套逆變電源將直流電逆變成單相交流電。逆變電源的工作原理與 UPS 有以下兩點(diǎn)區(qū)別：1）逆變電源不需要與交流電網(wǎng)鎖相同步，因?yàn)槠湄?fù)載可以瞬間停電（幾秒以?xún)?nèi)）。2）逆變電源的輸入直流電壓為 180285V，而 UPS 內(nèi)置電池電壓為 12V 或 24V。- 2 - 根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同,逆變電路可分為：電壓型逆變電路電壓源型逆變電路和電流

6、型逆變電路，又稱(chēng)為電流源型逆變電路。(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(wú)脈動(dòng)。(2)交流側(cè)輸出電壓為矩形波，輸出電流和相位因負(fù)載阻抗不同而不同。(3)阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。2.1.2 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式：共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通 180。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過(guò)改變直流電壓 來(lái)實(shí)現(xiàn)。阻感負(fù)載時(shí)，還可U d 后（0 180 ）。V 、u3的柵極信號(hào)分別比 V 、2uut。前移 180 輸出電uuii ot

7、oo3tt1 2b交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè) IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。兩個(gè)二極管U的作用也是提供無(wú)功能量的反饋通道。 和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比為 1：1：1 時(shí)， 和 波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。此電路與全橋電路的比較：U3）必須有一個(gè)變壓器 。圖 3 1) 直流側(cè)串大電感，電流基本無(wú)脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源。2) 交流側(cè)輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。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(wú)功能量的作用，不必給開(kāi)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。此電路的工作原理如下：1）由四個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋

8、臂的晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器，用來(lái)限制晶閘管開(kāi)通i t時(shí)的 d /d 。4）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。 5）負(fù)載電路對(duì)基波呈現(xiàn)高阻抗而對(duì)諧波呈現(xiàn)低阻抗，故負(fù)載電壓波形接近正弦波。u1）t t ：VT 和VT 穩(wěn)定導(dǎo)14G1,OttuG2,OiiiVTTddOttittotttttttO146t57tt2)uoOtuVT 2,33)OtttuVT 1,4O4)uAOtttt在 時(shí)刻，即 i =i 時(shí)刻過(guò)零， 時(shí)刻大體位于 和 的中點(diǎn)。324t6)1 晶閘管需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使 VT 、VT 承145 4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。

9、=ut t - t時(shí)刻觸發(fā) VT 、VT 。為保證可靠換流，應(yīng)在 過(guò)零前 =2tu2o t2 2io4I11d354I 0.9Id：基波電流有效值dUU負(fù)載電壓有效值 和直流電壓 的關(guān)系（忽略 L 的損耗，忽略晶閘管壓降）：dUU1.11dd2 2 coso實(shí)際上如中頻加熱過(guò)程中，感應(yīng)線圈參數(shù)隨時(shí)間變化，必須使工作頻率適應(yīng)負(fù)載的變化而自動(dòng)調(diào)整，這種控制方式稱(chēng)為自勵(lì)方式；定工作頻率的控制方式稱(chēng)為他勵(lì)方式。自勵(lì)方式存在起動(dòng)問(wèn)題，解決方法： 1）先用他勵(lì)方式，系統(tǒng)開(kāi)始工作后再轉(zhuǎn)入自勵(lì)方式；2）附加預(yù)充電起動(dòng)電路，形成衰減振蕩后，再轉(zhuǎn)入自勵(lì)。三 單相橋式 PWM 逆變主電路設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)選擇單相橋式電壓型

10、逆變電路，采用 PWM 控制技術(shù)）：3.1 逆變控制電路的設(shè)計(jì)逆變電源控制電路的核心是 SPWM 發(fā)生器。SPWM 的實(shí)現(xiàn)包括分立電路、集成芯片和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。它們的電氣性能和成本有所不同，各有自己的優(yōu)勢(shì)和不足之處。逆變電源 SPWM 電路的調(diào)制頻率固定為 50Hz 不變，為了降低成本，這里用分立電路組成，如圖（3-1）所示。2V0IC1正弦波發(fā)生器IC354圖 6 單相 SPWM 逆變電源控制電路放大第一路 T ,T 輸出，第二路 T ,T 輸出 IC3 輸出正值比較 IC4r1 r4r2 r3輸出負(fù)值比較,圖中，正弦波發(fā)生器和三角波發(fā)生器分別見(jiàn)下兩圖 7、8。- 8 - CR22R4R3R6

11、R5圖 7 正弦波發(fā)生器C1=0.08、R1=10k,C2=0.08,R2=1.8k,R3=1.8k,R6=180k,R4=1.6k,R5=1.6kUot圖 8 三角波發(fā)生器上圖中 C1=0.2,C2=1,R1=100k,R2=22k,R3=10k,Rf=1M,R4=10k.以標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)為參考，將輸出電壓的反饋信號(hào)與之相比較，經(jīng)由 IC1及其外圍電路組成的 PI 型誤差放大器調(diào)節(jié)后得到一個(gè)控制信號(hào)，送到 IC2 去調(diào)制三角波，既可得到 SPWM 波形。IC3 和 IC4 分別為正負(fù)值比較器，它們的輸出信號(hào)分別 IC5 和 IC6，從而將 SPWM 交替地分成兩路，各自放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)

12、管對(duì)，控制主回路完成 SPWM 逆變。需要注意的是，驅(qū)動(dòng)電路要將每一路信號(hào)分成相互隔- 9 - 離的兩路，分別驅(qū)動(dòng)處于對(duì)角位置上的兩只開(kāi)關(guān)管。圖 3-4 為雙極性 SPWM 調(diào)制方式波形。以上控制電路的特點(diǎn)是不僅能控制正弦波輸出的有效值，還能調(diào)節(jié)輸出電壓的瞬時(shí)值，優(yōu)化波形，減小諧波失真，提高帶負(fù)載能力。圖9 雙極性 SPWM 調(diào)制方式波形隨著逆變器控制技水的發(fā)展電壓型逆變器出現(xiàn)了多種的變壓、變頻控制方法。目前采用較多的是正弦脈寬調(diào)制技術(shù)即 SPWM 控制技術(shù)。單相全橋式電壓型 SPWM 逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖（3-5）所示。圖 (3-5) 中S1S4 的通斷由正弦脈寬調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)控制。S

13、PWM 正弦脈寬調(diào)制可分為雙極性調(diào)制方式、單極性調(diào)制方式和單極性倍頻調(diào)制方式。 圖 10 拓?fù)渲麟娐穲D單極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開(kāi)關(guān)頻率互補(bǔ)開(kāi)關(guān)，保證可以得到理想的正弦輸出電壓：另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開(kāi)關(guān)損耗。但又不是固定其中一個(gè)橋臂始終為低頻(輸出基頻)，另一個(gè)橋臂始終為高頻載波頻率)，而是每半個(gè)輸出電壓周期切換工作，即同一個(gè)橋臂在前半個(gè)周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個(gè)橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對(duì)于選用同樣的功率管時(shí)，使其使用壽命均衡，對(duì)增加可靠性有利。雙極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是 4 個(gè)功率管都工作在較

14、高頻率(載波頻率)，雖然能得到正弦輸出電壓波形，但其代價(jià)是產(chǎn)生了較大的開(kāi)關(guān)損耗。3.2.4 單極性倍頻調(diào)制方式單極性倍頻調(diào)制方式的特點(diǎn)足輸出 SPWM 波的脈動(dòng)頻率是單極性的兩倍，4 個(gè)功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，因此，開(kāi)關(guān)管損耗與雙極性相同。 用 MathCAD 可推導(dǎo)出 3 種不同調(diào)制方式下逆變器輸出電壓各次諧波有效值與頻率的關(guān)系式。 3.3.2 對(duì)單極性調(diào)制方式如上公式（2）3.3.3 對(duì)單極性倍頻調(diào)制方式如上公式（3）式中：M 為調(diào)制比；N 為載波比；f 為正弦波輸出變頻變壓電源的輸出電壓頻率。03 種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓未經(jīng)濾波前，單極性調(diào)制方式及雙極性調(diào)制方式下逆變器輸

15、出電壓諧波分量主要集中在升關(guān)頻率及其倍頻附近，且單極性調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分量比雙極性要小。單極性倍頻調(diào)制方式下輸出電壓的諧波分量主要在 2 倍升關(guān)頻率及 4 倍開(kāi)關(guān)頻率附近。選擇 WPWM 逆變器的輸出LC 濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為開(kāi)關(guān)頻率的 II ，LC 濾波器對(duì)開(kāi)關(guān)頻率及其倍頻附近的0諧波具有明顯的衰減作用。四 驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)4.1過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流保護(hù)采用電流互感器作為電流檢測(cè)元件 ,其具有足夠快的響應(yīng)速度,能夠在 IGBT 允許的過(guò)流時(shí)間內(nèi)將其關(guān)斷,起到保護(hù)作用。如圖 11 所示,過(guò)流保護(hù)信號(hào)取自 CT2,經(jīng)分壓、濾波后加至電壓比較器的同相輸入端,如圖 11 所示。當(dāng)同相輸入端

16、過(guò)電流檢測(cè)信號(hào)比反相輸入端參考電平高時(shí),比較器輸出高電平,使 D2 從原來(lái)的反向偏置狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎驅(qū)?并把同相端電位提升為高電平,使電壓比較器一直穩(wěn)定輸出高電平。同時(shí),該過(guò)電流信號(hào)還送到 SG3525 的腳 10。當(dāng) SG3525 的腳 10 為高電平時(shí),其腳 11 及腳 14 上輸出的脈寬調(diào)制脈沖就會(huì)立即消失而成為零。- 13 - 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)既要考慮在功率管需要導(dǎo)通時(shí) ,能迅速地建立起驅(qū)動(dòng)電壓,又要考慮在需要關(guān)斷時(shí) ,能迅速地泄放功率管柵極電容上的電荷 ,拉低驅(qū)動(dòng)電壓。具體驅(qū)動(dòng)電路如圖 12 所示 其工作原理是：（1）當(dāng)光耦原邊有控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過(guò)時(shí),光耦導(dǎo)通,使 Q1 的基極

17、電位迅速上升,導(dǎo)致 D2 導(dǎo)通,功率管的柵極電壓上升,使功率管導(dǎo)通;（2）當(dāng)光耦原邊無(wú)控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過(guò)時(shí),光耦不導(dǎo)通,使 Q1 的基極電位拉低,而功率管柵極上的電壓還為高,所以導(dǎo)致 Q1 導(dǎo)通,功率管的柵極電荷通過(guò) Q1 及電阻 R3 迅速泄放,使功率管迅速可靠地關(guān)斷。當(dāng)然,對(duì)于功率管的保護(hù)同樣重要,所以在功率管源極和漏極之間要加一個(gè)緩沖電路避免功率管被過(guò)高的正、反向電壓所損壞。五 元件清單123456741111LC 濾波單元變壓器- 15 - 6.3 仿真所得波形 IGBT 觸發(fā)脈沖波形- 17 - 4. 波形分析從上圖中可以很清晰地看出產(chǎn)生的波形頻率為 10HZ，可以通過(guò)改變信號(hào)波的頻率來(lái)改變IGBT 的觸發(fā)脈沖，從而改變逆變交流電源的頻率，實(shí)現(xiàn)變頻逆變。七 心得體會(huì)通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，熟悉并掌握電力電子器件的實(shí)用，對(duì)一些常用的主電路或保護(hù)電路等有深入的了解。大致上了解了單相橋式 PWM 逆變電路的設(shè)計(jì)，基本掌握了單相橋式 PWM 逆變電路的工作原理，通過(guò)仿真對(duì)電路和工作原理進(jìn)一步理解，在設(shè)計(jì)以及仿真過(guò)程中所遇到的問(wèn)題能過(guò)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，或者在網(wǎng)上找些資料解決在單相橋式全控整流電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的