單相電壓型逆變電路的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、電力電子技術(shù)課程論文題目：?jiǎn)蜗嚯妷耗孀冸娐吩O(shè)計(jì) 摘要逆變器電路被廣泛使用。在現(xiàn)有的電源中，蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等都是直流電源。當(dāng)這些電源需要提供給交流負(fù)載時(shí)，需要一個(gè)逆變器電路。此外，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速用的變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子器件應(yīng)用廣泛，其電路的核心部分是逆變電路。有人說(shuō)，電力電子技術(shù)早期處于整流電路時(shí)代，后來(lái)進(jìn)入逆變器時(shí)代?？梢?jiàn)，逆變電路的作用很大，在實(shí)際生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。 PWM控制技術(shù)是逆變電路中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。大多數(shù)被廣泛使用的逆變器電路是PWM逆變器電路。為了分析PWM逆變電路，首先建立逆變控制所需的電路模型，采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，分析了單相

2、橋式電壓逆變電路和PWM控制電路的工作原理。 ，利用MATLAB中的SIMULINK對(duì)電路進(jìn)行仿真，給出仿真波形，利用MATLAB提供的powergui模塊對(duì)仿真波形進(jìn)行FFT分析（諧波分析）。仿真分析表明，采用PWM控制技術(shù)可以很好地實(shí)現(xiàn)逆變電路的工作要求。關(guān)鍵詞：逆變電路，PWM控制技術(shù)，換相。目錄TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 1方案介紹及主電路設(shè)計(jì)3TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 1.1題目要求3TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 1.

3、2項(xiàng)目概述3TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 1.3逆變電路及換相原理介紹3TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 1.4電壓逆變電路的特點(diǎn)和主要類(lèi)型4TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 2 SPWM 控制方式6TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 3主電路設(shè)計(jì)與說(shuō)明8TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 3.1 PWM控制的基本原理8TOC o 1-2 h z

4、u HYPERLINK l _Toc297402645 3.2 PWM逆變電路及其控制方法8TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 3.3主電路及其工作原理9TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 4 方案介紹及主電路設(shè)計(jì)10TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 4.1單極PWM控制產(chǎn)生電路模型10TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 單極PWM模式下的單相橋式逆變電路11TOC o 1-2 h z u HYPERL

5、INK l _Toc297402645 4.3仿真結(jié)果12 _TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 5總結(jié)經(jīng)驗(yàn) 13TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 6 參考文獻(xiàn)14單相電壓逆變電路的設(shè)計(jì)1方案介紹及主電路設(shè)計(jì)1.1 科目要求技術(shù)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)單相橋式逆變電路，采用SPWM調(diào)制方式，已知直流電源電壓為400V，要求輸出220V、50Hz的交流電，帶阻性負(fù)載，R值為20。1.2程序概述本課程設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)單相橋式電壓逆變電路。同時(shí)可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的觸發(fā)電路和過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路。根據(jù)電力電子技術(shù)的相關(guān)知

6、識(shí)，單相橋式電壓逆變電路是一種常見(jiàn)的逆變電路模型，在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。其電路結(jié)構(gòu)主要由四個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂有一個(gè)全控器件IGBT和一個(gè)反并聯(lián)續(xù)流二極管，直流側(cè)并聯(lián)兩個(gè)電容，負(fù)載接橋臂和電容器之間。 IGBT的導(dǎo)通控制需要觸發(fā)電路。通過(guò)數(shù)據(jù)查詢(xún)，找到相關(guān)的觸發(fā)電路圖，從中選擇，最終確定方案。該芯片可用于觸發(fā)，也可使用后面章節(jié)介紹的以D觸發(fā)器為主體設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路。根據(jù)D觸發(fā)器的特性，可以實(shí)現(xiàn)換相。最后設(shè)置 QUOTE 過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路，采用抑制電路和緩沖電路組成的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路。通過(guò)查閱資料，在仿真軟件中接好電路圖，接好觸發(fā)電路，設(shè)置好參數(shù)，仿真觀察波形。 ，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)計(jì)算。1.3

7、逆變電路及換相原理介紹與整流電路相比，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電路稱(chēng)為逆變電路。當(dāng)交流側(cè)接入電網(wǎng)時(shí)，稱(chēng)為有源逆變器；當(dāng)交流側(cè)直接與負(fù)載相連時(shí)，稱(chēng)為無(wú)源逆變器。無(wú)特別說(shuō)明時(shí)，逆變電路一般指無(wú)源逆變器。逆變器電路在現(xiàn)實(shí)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。在交流電路運(yùn)行期間，電流從一個(gè)支路轉(zhuǎn)移到另一個(gè)支路稱(chēng)為換向。換向是實(shí)現(xiàn)倒置編制依據(jù)。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)合來(lái)控制電流通過(guò)的支路，這是實(shí)現(xiàn)換相的基本原理。換相方式有很多種，主要分為設(shè)備換相、電網(wǎng)換相、負(fù)載換相和強(qiáng)制換相四種方式。1. 4 電壓逆變電路的特點(diǎn)和主要類(lèi)型根據(jù)直流側(cè)電源的性質(zhì)不同，可分為兩種：直流側(cè)為電壓源，稱(chēng)為電壓型逆變電路；直流側(cè)為電流源稱(chēng)為電流型逆

8、變電路。電壓型逆變電路具有以下特點(diǎn)：直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)一個(gè)大電容，相當(dāng)于一個(gè)電壓源。直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流電路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電壓源的鉗位效應(yīng)，交流側(cè)的輸出電壓波形為矩形波，與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。由于負(fù)載阻抗不同，交流側(cè)輸出電流波形和相位也不同。當(dāng)交流側(cè)為阻性和感性負(fù)載時(shí)，需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容器起到緩沖無(wú)功功率的作用。為了給交流側(cè)和直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋的每個(gè)臂都并聯(lián)了一個(gè)反饋二極管。也稱(chēng)為續(xù)流二極管。逆變器電路分為三相和單相兩類(lèi)。其中，單相逆變電路主要采用橋接方式。主要包括：?jiǎn)蜗喟霕蚝蛦蜗嗳珮蚰孀冸娐?。三相電壓逆變電路由三個(gè)單相逆變電路組成。最常用的是三相橋式逆

9、變電路。1. 5 電壓型單相橋式逆變電路主電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，主要采用單相橋式逆變電路作為設(shè)計(jì)的主電路。其主電路結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示：圖 1-1 單相橋式逆變電路如上圖所示，單相全橋逆變電路主要有四個(gè)橋臂，可以看成是兩個(gè)半橋電路的組合。橋臂1和4是一對(duì)，橋臂2和3是一對(duì)。每個(gè)橋臂由一個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的可控器件IGBT組成。一個(gè)足夠大的電容連接到直流側(cè)，負(fù)載連接在橋臂之間。其具體工作過(guò)程如下：在初始時(shí)刻， QUOTE 觸發(fā)信號(hào)給IGBT Q1和Q4，使其導(dǎo)通。然后電流通過(guò)橋臂1 、負(fù)載和橋臂4形成導(dǎo)電回路。此時(shí) QUOTE ，觸發(fā)信號(hào)至Q2和Q3，關(guān)閉信號(hào)至Q1和Q4。但由于負(fù)載電感較大，通過(guò)

10、它的電流不能突變，所以二極管D2和D3導(dǎo)通續(xù)流。當(dāng)電流逐漸減小到0時(shí)，橋臂1、4截止，橋臂2、3導(dǎo)通形成回路，實(shí)現(xiàn)換相。單相橋式逆變電路的工作波形如圖1-2所示。圖1-2 單相橋式逆變電路工作波形其工作過(guò)程分析：設(shè)置在 QUOTE t1時(shí)刻前導(dǎo)通，輸出電壓 QUOTE 為 QUOTE ，在 QUOTE t1時(shí)刻 QUOTE 柵極信號(hào)反相， QUOTE 關(guān) QUOTE 斷，由于負(fù)載電感中的電流不能突變 QUOTE ，不立即導(dǎo)通， QUOTE 導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)續(xù)流。因?yàn)槭?QUOTE 同時(shí) QUOTE ，輸出電壓為0 。 t2時(shí)刻， QUOTE 門(mén) QUOTE 極信號(hào)反相 QUOTE 關(guān)閉，但 QUOTE

11、 不能立即開(kāi)啟， QUOTE 續(xù)流， QUOTE 形成電流通道，輸出電壓- QUOTE 。當(dāng)負(fù)載電流過(guò)零并開(kāi)始反向時(shí)， QUOTE 總和 QUOTE 關(guān)閉， QUOTE 同時(shí)總和 QUOTE 開(kāi)始導(dǎo)通， QUOTE 仍然是- QUOTE 。 t3時(shí)刻 QUOTE ， QUOTE 門(mén)極信號(hào)再次反相 QUOTE 關(guān)閉，但 QUOTE 不能立即開(kāi)啟， QUOTE 續(xù)流電流開(kāi)啟，再次 QUOTE 為0 。后續(xù)過(guò)程與上一個(gè)類(lèi)似。2 SPWM控制方式SPWM（Sinusoidal PWM）方法是一種比較成熟且應(yīng)用廣泛的PWM方法。上面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：當(dāng)將具有相同脈沖和不同形狀的窄脈沖加

12、入到慣性鏈接中時(shí)，效果基本相同。 SPWM法就是基于這個(gè)結(jié)論，利用脈寬按正弦規(guī)律變化且等效于正弦波的PWM波形，即SPWM波形來(lái)控制逆變器中開(kāi)關(guān)器件的通斷。電路，使輸出脈沖電壓的面積與正弦波的面積相同。希望輸出正弦波在相應(yīng)區(qū)間的面積相等，通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值可以調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案。一級(jí)面積法該方案實(shí)際上是對(duì)SPWM方法原理的直接說(shuō)明。用相同數(shù)量的等幅但不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算出每個(gè)脈沖的寬度和間隔，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在微機(jī)中。以表格的方式產(chǎn)生PWM信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而達(dá)到預(yù)期的目的。由于該方法基于SPWM控制的基本原理，可

13、以準(zhǔn)確計(jì)算出各個(gè)開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)間，得到的波形非常接近正弦波，但計(jì)算復(fù)雜，占用量大數(shù)據(jù)量大，無(wú)法實(shí)時(shí)控制。缺點(diǎn)。兩種硬件調(diào)制方式為解決等面積法計(jì)算繁瑣，提出硬件調(diào)制法。以等腰三角波為載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，得到SPWM波形。實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路可由模擬電路組成，它們的交點(diǎn)可由比較器確定，開(kāi)關(guān)器件的通斷控制在交點(diǎn)，即可產(chǎn)生 SPWM 波。但這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確控制。三軟件生成方法由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟件生成SPWM波形變得更加容易，因此軟件生成方法應(yīng)運(yùn)而生。軟件生成法實(shí)際上是一種利用軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法。有兩種基本算法，即自然采樣法和常規(guī)采樣法。四種自

14、然采樣方式以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進(jìn)行比較，將開(kāi)關(guān)器件的通斷控制在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)處，即自然采樣法。優(yōu)點(diǎn)是得到的SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波與正弦波的交點(diǎn)是任意的，一個(gè)周期內(nèi)脈沖中心不等距，所以脈寬表達(dá)式為超越方程，計(jì)算復(fù)雜，難以實(shí)時(shí)控制。五次抽樣規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用廣泛的工程實(shí)用方法，一般以三角波為載體。其原理是利用三角波對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階躍波，然后在階躍波與三角波的交點(diǎn)處控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)SPWM方式。當(dāng)三角波僅在其頂點(diǎn)（或底部）對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)確定的脈沖寬度在一個(gè)載波周期（即采樣周期）的位置是對(duì)稱(chēng)的。這種方法稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)正則采樣。

15、三角波在頂點(diǎn)和最低點(diǎn)對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，階梯波與三角波的交點(diǎn)確定的脈沖寬度一般不在一個(gè)載波周期的位置（此時(shí)為采樣周期的兩倍）對(duì)稱(chēng)，這種方法稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)正則采樣。常規(guī)采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn)，其主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，便于在線(xiàn)實(shí)時(shí)操作。缺點(diǎn)是直流電壓利用率低，線(xiàn)性控制范圍小。3 主電路設(shè)計(jì)與說(shuō)明3.1 PWM控制的基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制是一種對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，可以等效地得到所需的波形。 PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)是面積等效原理，即在具有慣性的環(huán)節(jié)中加入脈沖相等、形狀不同的窄脈沖，效果基本相同。下面分析如何用一系列

16、等幅、不等寬的脈沖代替半正弦波。將正弦半波分成N等份，正弦半波可以看成是由N個(gè)脈沖串相互連接組成的波形。如果將這些脈沖序列換成相同數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖，則矩形脈沖的中點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的正弦波部分的中點(diǎn)重合，矩形脈沖的面積（脈沖）與對(duì)應(yīng)的正弦波部分相等，可得到下圖b所示的脈沖序列，即PWM波形。這種脈沖的寬度按照正弦規(guī)律變化，相當(dāng)于一個(gè)正弦波PWM波形，也稱(chēng)為SPWM波形。 SPWM 波形如圖 2-1 所示：ttOOUd-Ud圖 3-1 單極性 PWM 控制模式波形上圖中的波形稱(chēng)為單極性 PWM 波形。根據(jù)面積等效原理，正弦波也可以等效為下圖中的PWM波，即雙極性PWM波形，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)

17、用更為廣泛。OOtUd-Ud圖 3-2 雙極性 PWM 控制模式波形3.2 PWM逆變電路及其控制方法PWM逆變電路可分為電壓型和電流型兩種。目前，幾乎都是電壓型電路。因此，本節(jié)主要分析電壓型逆變電路的控制方法。獲得所需的PWM波形有兩種方法，即計(jì)算法和調(diào)制法。根據(jù)正弦波的頻率、幅值和半周脈沖個(gè)數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算出PWM波的脈寬和間隔，并據(jù)此控制逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，可以得到所需的PWM波形獲得。這種方法稱(chēng)為計(jì)算法。 .由于計(jì)算方法比較復(fù)雜，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位發(fā)生變化時(shí)，結(jié)果就會(huì)發(fā)生變化。與計(jì)算方式相對(duì)應(yīng)的是調(diào)制方式，即以所需的調(diào)制波形為調(diào)制信號(hào)，以調(diào)制后的信號(hào)為載波，通過(guò)對(duì)信號(hào)波的調(diào)

18、制得到所需的PWM波形。通常，使用等腰三角波作為載波。當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，得到SPWM波形。下面對(duì)單相橋式逆變電路的單極控制方式和雙極控制方式進(jìn)行詳細(xì)分析。圖（2-3）是采用IGBT 作為開(kāi)關(guān)器件的單相橋式電壓逆變器電路。3.3 主電路及其工作原理根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用單相半橋PWM逆變電路，工作方式為單極性PWM方式，開(kāi)關(guān)器件為IGBT，直流電源電壓為400V，采用阻感負(fù)載。本設(shè)計(jì)的主電路圖如圖 3-1 所示。圖 3-3 單相橋式 PWM 逆變電路采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的單相半橋電壓逆變電路。負(fù)載為阻性和感性負(fù)載，工作時(shí)V1和V2的通斷狀態(tài)互補(bǔ)。在輸出電壓u0的正半周，保持V1處于導(dǎo)通狀態(tài)

19、，V2處于截止?fàn)顟B(tài)；保持 V2 處于開(kāi)啟狀態(tài)，V1 處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)u co u tri，且-u co u tri時(shí)，觸發(fā)VTA+和VTB-導(dǎo)通，輸入電源U d 通過(guò)VTA+、負(fù)載和VTB-形成電流回路， u o=- U d，電流上升；當(dāng)u co u tri，且-u co u tri 時(shí)，VTB- 斷開(kāi)，VTB+ 被觸發(fā)。由于是感性負(fù)載，電流不能突變，所以負(fù)載電流繼續(xù)流過(guò)VTA+和VDB+，使VTB+不能導(dǎo)通， u o=0，同時(shí)電流下降；直到下一個(gè)周期觸發(fā)VTA+和VTB-的導(dǎo)通。因此，循環(huán)周期性地工作。4仿真模型的建立及各模塊的參數(shù)設(shè)置4.1 單極PWM控制產(chǎn)生電路模型單極性PWM控制產(chǎn)生的

20、電路模型圖如圖4所示。圖 4-1 單極 PWM 逆變器的觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路為了得到PWM輸出電壓，可以將所需的輸出電壓波形（稱(chēng)為調(diào)制波）與載波信號(hào)（通常是三角波或鋸齒波）進(jìn)行比較，即用調(diào)制波對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，然后將產(chǎn)生的信號(hào)用于比較，通過(guò)控制電力電子器件的開(kāi)啟和關(guān)閉，就可以得到所需的PWM控制產(chǎn)生電路。單極性PWM控制方式的仿真結(jié)果圖 4-2單極性 PWM 控制方式仿真結(jié)果4.2 單極性PWM方式的單相橋式逆變電路采用單相全橋PWM逆變電路，工作方式為單極性PWM方式，開(kāi)關(guān)器件為IGBT，直流電源電壓為400V，阻感負(fù)載為20歐，電感為1mA。按照?qǐng)D 4-3 所示的單相橋式逆變電路連接仿真電路。圖

21、 4-3 單相橋式逆變電路仿真電路4.3 仿真結(jié)果單極性PWM方式，開(kāi)關(guān)器件選用IGBT，直流電壓400V，電阻負(fù)載，電阻20歐，電感1mh，載波頻率fc=2000HZ，調(diào)制信號(hào)頻率fr=50HZ。將調(diào)制深度 m 設(shè)置為 0.4。運(yùn)行后，單相橋式逆變電路的仿真輸出電流和輸出電壓波形如圖4-4所示。根據(jù)調(diào)試過(guò)程中參數(shù)與波形的關(guān)系，改變調(diào)制比m和載波比N，例如增大m和N，可以有效降低輸出電壓和輸出電流的諧波分量。圖 4-4 單相橋式逆變電路仿真波形5 總結(jié)經(jīng)驗(yàn)通過(guò)本課程的設(shè)計(jì)，我對(duì)電力電子技術(shù)的知識(shí)有了更具體的認(rèn)識(shí)和直觀的認(rèn)識(shí)。通過(guò)設(shè)計(jì)單相橋式逆變電路，分析其工作原理和輸入輸出條件，將理論與實(shí)踐相結(jié)合。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要應(yīng)用的數(shù)據(jù)和電的知識(shí)