電壓型逆變電路課程設(shè)計(jì)

1、1 主電路設(shè)計(jì)逆變電路的作用是將直流電壓轉(zhuǎn)換成梯形脈沖波，經(jīng)低通濾波器濾波后，從而使負(fù)載上得到的實(shí)際電壓為正弦波。1.1 主電路圖 圖1三相電壓型橋式逆變電路1.1 主電路原理分析圖1是采用IGBT作為開光器件的電壓型三相橋式逆變電路，可以看成由三個半橋逆變電路組成。圖1的直流側(cè)通常只有一個電容就可以了，但為了分析方便，畫作串聯(lián)的兩個電容器并標(biāo)出假象中點(diǎn)N。和單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180°導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電角度為180°，同一相（即同一半橋）上下兩個臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度依次相差120°。這樣，在任一瞬

2、間，將有三個橋臂同時導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱為縱向換流1.2 工作波形分析和繪制 對于U相輸出來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時，。因此，的波形是幅值為的矩形波。V、W兩相的情況和U相相似，、的波形形狀和相同，只是相位依次相差120°。、的波形如圖2a、b、c所示。 圖2 三相電壓型橋式逆變電路的工作波形負(fù)載線電壓、可由下式求出 圖2d是依照上式畫出的波形。設(shè)負(fù)載中點(diǎn)N與直流電源假象點(diǎn)N之間的電壓為，則負(fù)載各相的相電壓分別為把上式各式相加并整理可求得 設(shè)負(fù)載為三相對稱負(fù)載，則有，

3、于是 所以也是矩形波，如圖2e所示，其頻率為的3倍，幅值為其，即。圖2f給出了利用式（2）和式（4）繪出的的波形，、的波形形狀和相同，僅相位依次相差120°。三相逆變輸出的電壓與電流分析類似，負(fù)載參數(shù)已知，以U相為例，負(fù)載的阻抗角不一樣，的波形形狀和相位都有所不同，圖2g給出的事阻感負(fù)載下 時的波形。橋臂1中的從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時，因負(fù)載電感中電流不能突變，小橋4中的先導(dǎo)通續(xù)流，待負(fù)載電流降為零，橋臂4中電流反相時，才開始導(dǎo)通。負(fù)載阻抗角越大，導(dǎo)通時間越長。在時，時為導(dǎo)通，時為導(dǎo)通；在時，時導(dǎo)通，時為導(dǎo)通。、的波形與形狀相同，相位一次相差。將三個橋臂電流相加可得到直流側(cè)電流。把橋臂1、

4、3、5的電流加起來，就可得到直流側(cè)電流的波形，如圖2h所示?？梢钥闯?，每隔60°脈動一次，而直流側(cè)電壓是基本無脈動的，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的，且脈動的情況和脈動情況大體相同。這也是電壓型逆變電路的一個特點(diǎn)。1.3 參數(shù)計(jì)算下面對三相橋式逆變電路的輸出電壓進(jìn)行定量分析。把輸出線電壓 展開成傅里葉級數(shù)得：式中，為自然數(shù)。輸出線電壓有效值為基波幅值和基波有效值分別為；接下來，我們再對負(fù)載相電壓進(jìn)行分析。把展開成傅里葉級數(shù)得式中，k為自然數(shù)。負(fù)載相電壓有效值為基波幅值和基波有效值分別為；在上述導(dǎo)電方式逆變器中，我們采用“先斷后通”的方法來防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同

5、時導(dǎo)通而引起直流側(cè)電壓短路，使得在通斷信號之間留有一個短暫的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短要視器件的開關(guān)速度而定，器件的開關(guān)速度越快，所留的死區(qū)時間就越短。1.4 元件清單 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）本質(zhì)上是一個場效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個 P 型層。根據(jù)國際電工委員會的文件建議，其各部分名稱基本沿用場效應(yīng)晶體管的相應(yīng)命名。 IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖3所示。它在結(jié)構(gòu)上類似于MOSFET ，其不同點(diǎn)在于IGBT是在N溝道功率MOSFET 的N+基板（漏極）上增加了一個P+ 基板（IGBT 的集電極），形成PN結(jié)j1 ，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與MOSFET相似。圖3 IGBT結(jié)

6、構(gòu)剖面圖由圖可以看出，IGBT相當(dāng)于一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)GTR ，其簡化等效電路如圖3所示。圖中Rdr是厚基區(qū)GTR的擴(kuò)展電阻。IGBT是以GTR 為主導(dǎo)件、MOSFET 為驅(qū)動件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)為：1）IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損耗??；2）在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力；3）IGBT的通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域；4) 與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時可以保持開關(guān)頻率高。2 PWM控制電路設(shè)計(jì)PWM控制技術(shù)實(shí)際上就是斬波控制技術(shù)

7、，就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即是通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效獲得所需要的波形(如正弦波、頻率和幅值)。PWM控制技術(shù)涉及調(diào)制法和控制法兩方面內(nèi)容：就調(diào)制法而言，有單脈沖調(diào)制和多脈沖調(diào)制；有同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段同步調(diào)制；還有單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制三大類。而就控制法而言，則有等脈寬PWM法、正弦波PWM法、磁鏈跟蹤PWM法和電流跟蹤PWM法四大類。它在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻?，F(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路，幾乎都是PWM型逆變電路。所以在設(shè)計(jì)逆變電路時，就必須了解并掌握PWM控制技術(shù)及SPWM波的產(chǎn)生方法。 圖4 三相橋式PWM逆變電路三相電壓型PWM逆變電

8、路只要實(shí)現(xiàn)功能就是將直流電壓變換成交流電壓。圖4中U、V、M三相的PWM控制通常公用一個三角波載波，三相調(diào)制信號、一次相差。U、V、W各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例。當(dāng)時，給上橋臂以導(dǎo)通信號，給下橋臂以關(guān)斷信號，則U相相對于直流電源假想中點(diǎn)輸出電壓。當(dāng)時，給以導(dǎo)通信號，給以關(guān)斷信號，則。但與的驅(qū)動信號始終是互補(bǔ)的，當(dāng)給（）加以導(dǎo)通信號時，可能（）導(dǎo)通，也可能是二極管續(xù)流導(dǎo)通，這是有阻感負(fù)載中電流方向決定，這就是三相橋式電路的雙極型調(diào)制特性。由上分析，的波形是幅值為的矩形波，V、M兩相情況跟U相類似。電路的波形如圖4所示。圖5 三相橋式PWM逆變電路波形3 仿真3.1 Matlab

9、軟件Matlab軟件提供的仿真工具箱Simulink是一個功能十分強(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，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個子模塊組成：電源模塊庫、連接模塊庫、測量模塊庫、電力電子模塊庫、電機(jī)模塊庫、基本件模塊庫。在這6個基本模塊庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要還

10、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。3.2 建模仿真PWM控制方式下的三相逆變電路主電路如圖6所示：圖6 三相逆變電路主電路運(yùn)行仿真圖形，并點(diǎn)擊示波器可得輸出交流電壓，交流電流波形如圖7、圖8所示：圖7 PWM方式下三相交流電壓輸出波形圖8 PWM方式下三相電流輸出波形 從仿真結(jié)果可以得出，本次課程設(shè)計(jì)基本達(dá)到任務(wù)要求，三相輸出電壓約為180V，40HZ，交流電為正弦波滿足條件。4 關(guān)于逆變電路各項(xiàng)注意4.1 提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)直流電壓利用率逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值和直流電壓之比。提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出

11、能力；減少器件的開關(guān)次數(shù)可以降低開關(guān)損耗；正弦波調(diào)制的三相PWM逆變電路，調(diào)制度a為1時，輸出相電壓的基波幅值為，輸出線電壓的基波幅值為，即直流電壓利用率僅為0.866。這個值是比較低的，其原因是正弦調(diào)制信號的幅值不能超過三角波幅值，實(shí)際電路工作時，考慮到功率器件的開通和關(guān)斷都需要時間，如不采取其他措施，調(diào)制度不可能達(dá)到1。采用這種調(diào)制方法實(shí)際能得到的直流電壓利用率比0.866還要低。4.2 線電壓控制方式（疊加3次諧波）對兩個線電壓進(jìn)行控制，適當(dāng)?shù)乩枚嘤嗟囊粋€自由度來改善控制性能。目標(biāo)使輸出線電壓不含低次諧波的同時盡可能提高直流電壓利用率，并盡量減少器件開關(guān)次數(shù)。在相電壓調(diào)制信號中疊加3次

12、諧波，使之成為鞍形波，輸出相電壓中也含3次諧波，且三相的三次諧波相位相同。合成線電壓時，3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波。鞍形波的基波分量幅值大。除疊加3次諧波外，還可疊加其他3倍頻的信號，也可疊加直流分量，都不會影響線電壓。4.3 電路的保護(hù)與散熱對于單相橋式電壓型逆變電路需要對電路提供保護(hù)與散熱，因?yàn)殡娐反嬖诤芏嗖淮_定的外界因素，所以要裝過載保護(hù)和短路保護(hù)還有就是過電流保護(hù)。對于驅(qū)動晶體管需要提供散熱器來讓它散熱，且晶體管必須隔離。5 結(jié)論P(yáng)WM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了PWM技術(shù)。逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場合，隨著全控型電力電子器

13、件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。 逆變電路的應(yīng)用相當(dāng)普及，在已有的各種電源中，蓄電池、干電池，太陽能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時，就需要逆變電路。另外交流電機(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使用非常廣泛，其電路的核心部分都是逆變電路，本文結(jié)合PWM控制技術(shù)的原理和一系列的技術(shù)要求，并通過具體的例子說明了PWM逆變電路的工作過程，較詳細(xì)地總結(jié)了各種PWM控制方法的原理，并簡單說明了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)之一。參考文獻(xiàn)【1】 王兆安 劉進(jìn)軍 電力電子技術(shù) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 200