三相方波逆變電路的設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目 錄1 引言11.1設(shè)計(jì)要求11.2逆變的概念11.3三相逆變22 三相電壓源型SPWM逆變器22.1 PWM的基本原理22.2 SPWM逆變電路及其控制方法22.3 三相方波逆變器32.3 三相PWM逆變器提高直流電壓利用率的方法32.4 三相PWM逆變器提高直流電壓利用率的方法33 逆變器主電路設(shè)計(jì)54軟件仿真64.1 Matlab軟件64.2 建模仿真75 總結(jié)12參考文獻(xiàn)131 引言1.1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(guò)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

2、波逆變電路的仿真，開(kāi)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(wú)功功率為100Var。1.2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(guò)整流技術(shù)變成直流電， 然后通過(guò)逆變技術(shù)， 將直流變成 高頻交流， 再通過(guò)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。1.3三相逆變?nèi)嗄孀兗夹g(shù)廣泛應(yīng)用于交流傳動(dòng)、無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng) 域。在三相PWM 交流伺服系統(tǒng)中，一般采用三個(gè)橋臂的結(jié)構(gòu)，即逆變橋主電路有6 個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件（功率MOSFET 或IGBT）構(gòu)成，若每個(gè)開(kāi)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

3、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SPWM逆變器2.1 PWM的基本原理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(guò)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形。PWM控制技術(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。SPWM控制技術(shù)是PWM控制技術(shù)的主要應(yīng)用，即輸出脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效。2.2 SPWM逆變電路及其控制方法SPWM逆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S

4、PWM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(guò)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(lái)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PWM逆變電路,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(guò)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(wú)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)制法，就是把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接收調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。2.3 三相方波逆變器電路結(jié)構(gòu)相同，只是控制

5、方式不同。每一開(kāi)關(guān)元件在輸出電壓的一個(gè)周期中閉合180o (占空比為0.5),因此，在任何時(shí)間，總有三個(gè)開(kāi)關(guān)元件閉合。幅值關(guān)系：直流電壓利用率：2.3 三相PWM逆變器提高直流電壓利用率的方法2.3.1梯形波調(diào)制采用梯形波作為調(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(guò)三角波幅值。采用這種調(diào)制方式時(shí)，決定功率開(kāi)關(guān)器件通斷的方法和用正弦波作為調(diào)制信號(hào)時(shí)完全相同。2.4 三相PWM逆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

6、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ǎ惶菪尾ê痛沃C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。utriucAucBucCuuaNOwtOwtOwtOwtubNuab圖2-1：梯形波為調(diào)制信號(hào)的PWM控制圖2-2 180導(dǎo)電型三相方波逆變器輸出電壓波形 圖2-3 120導(dǎo)電型三相方波逆變器輸出電壓波形3 逆變器主電路設(shè)計(jì)圖3-1是SPWM逆變器的主電路設(shè)計(jì)圖。圖中VlV6是逆變器的六個(gè)功率開(kāi)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(chēng)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

7、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)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SPWM脈沖序列波。，作為逆變器功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。當(dāng)時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，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)導(dǎo)通。和的PWM波形只有兩種電平。當(dāng)時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，。的波形可由得出，當(dāng)1和6通時(shí)，當(dāng)3和4通時(shí)，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，=0。輸出線電壓PWM波由和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓PWM波由(2/3)，(1/3)和0共5種電平組成。圖

8、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(kāi)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PWM波帶來(lái)影響，使其稍稍偏離正弦波。4軟件仿真4.1 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(hù)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(kù)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Matl

9、ab中的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)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(kù)、連接模塊庫(kù)、測(cè)量模塊庫(kù)、電力電子模塊庫(kù)、電機(jī)模塊庫(kù)、基本件模塊庫(kù)。在這6個(gè)基本模塊庫(kù)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(kù)中，為電力系統(tǒng)的研究和仿真帶來(lái)更多的方便。4.2 建模仿真 第一步先建立主電路仿真模型。在simpowersystems的electrical sources庫(kù)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(kāi)關(guān)器

10、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(lái)構(gòu)造控制部分。選擇六個(gè)pulse generator模塊，第一個(gè)參數(shù)設(shè)置如下圖： 之后，各模塊一次之后0.02/6s，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(mén)極。 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(guò)串聯(lián)的電流表可觀察直流電流的波形。4.3分析仿真結(jié)果 將仿真時(shí)間設(shè)為0.1s，在powergui

11、中這是為離散仿真模式，采樣時(shí)間為s，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： 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(wèn)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(guò)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(shuō)得是無(wú)處不在。因此作為二十一世紀(jì)的大學(xué)來(lái)說(shuō)掌握電力電子

12、的開(kāi)發(fā)技術(shù)是十分重要的?；仡櫰鸫舜握n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(shuō)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(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)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(lái)，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(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不