三相恒壓恒頻橋式逆變器設(shè)計(jì)

1、摘要由于電力電子學(xué)和微電子技術(shù)的發(fā)展，使變頻調(diào)速技術(shù)近年來(lái)獲得了飛速的發(fā)展，各種變頻調(diào)速控制方式、PWM脈寬調(diào)制技術(shù)以及MCU微處理器和以大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)的全數(shù)字化控制技術(shù)等均在變頻調(diào)速中獲得了成功應(yīng)用。在電力電子技術(shù)中，PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(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，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。SPWM正弦脈寬調(diào)制法這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，具有開(kāi)關(guān)頻率固定，控制和調(diào)節(jié)性能好，能消除諧波使輸出電壓只含有固定頻率的高次諧波分量，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一種比較好的波形改善法。它的出現(xiàn)為中小型逆

2、變器的發(fā)展起了重要的推動(dòng)作用。SPWM技術(shù)成為目前應(yīng)用最為廣泛的逆變用PWM技術(shù)。而這次課程設(shè)計(jì)的主要目的就是設(shè)計(jì)1KW三相恒壓恒頻橋式逆變器，通過(guò)運(yùn)用了Matlab/Simulink和AutoCAD軟件對(duì)電力系統(tǒng)模塊進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和計(jì)算。關(guān)鍵詞：SPWM 三相逆變器 波形三相恒壓恒頻橋式逆變器設(shè)計(jì)1PWM技術(shù)簡(jiǎn)介 PWM又稱(chēng)脈沖寬度調(diào)制，控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變逆變輸出頻率。PWM控制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要

3、波形（含形狀和幅值）理論基礎(chǔ):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。沖量指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同 f (t)d (t)tOabcdtOtOtOf (t)f (t)f (t)圖1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖PWM波形可等效的各種波形，例如：直流斬波電路可以等效直流波形；PWM波可以等效正弦波形；還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理 。用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波的方法：正弦半波N等分，可看成N個(gè)彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩

4、形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等。這樣就可得到PWM 波形。由上方法可知各脈沖的幅值相等，而寬度按正弦規(guī)律變化 。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱(chēng)SPWM波形。要改變等效輸出正弦波幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。2 SPWM調(diào)制算法 2.1自然采樣法 按照SPWM控制的基本原理，在正弦波與三角波的交點(diǎn)進(jìn)行脈沖寬度和間隙的采樣，去生成SPWM波形，成為自然采樣法。如圖2所示圖2 自然采樣法原理圖2.2規(guī)則采樣法為使采樣法的效果既接近自然采樣法，沒(méi)有過(guò)多的復(fù)雜運(yùn)算，又提出了規(guī)

5、則采樣法。其出發(fā)點(diǎn)是設(shè)法使SPWM波形的每個(gè)脈沖都與三角波中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)。這樣，圖3中的法。計(jì)算就大大簡(jiǎn)化了。圖3 規(guī)則采樣法原理圖2.3雙極性正弦波等面積法正弦波等面積算法的基本原理為:將一個(gè)正弦波等分成H個(gè)區(qū)段，區(qū)段數(shù)一定是6的整數(shù)倍，因?yàn)槿嗾也?，各?xiàng)相位互差，要從一相正弦波方便地得到其他兩相，必須把一個(gè)周期分成6的整數(shù)倍。越大，輸出波形越接近正弦波。在每一個(gè)區(qū)段，等分成若干個(gè)等寬脈沖(N)，使這N個(gè)等寬脈沖面積等于這一區(qū)段正弦波面積。采用這種方法既可以提高開(kāi)關(guān)頻率，改善波形，又可以減少計(jì)算新脈沖的數(shù)量，節(jié)省計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間。正弦波面積為： 輸出頻率與區(qū)段數(shù)，每個(gè)區(qū)段脈沖數(shù)及脈沖周期之間的關(guān)

6、系： 。3 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SPWM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。所為調(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

7、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。本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)SPWM三相逆變電路，輸出PWM電壓波形等效為正弦波，因而信號(hào)波采用正弦波，載波采用最常用的等腰三角形。單相橋式電路既可以采取單極性調(diào)制，也可以采用雙極性調(diào)制，而三相橋式PWM逆變電路，一般采用雙極性控制方式。（1）如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。（2）如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。圖4雙極性PWM控制方式其中：載波比載波頻率 fc與

8、調(diào)制信號(hào)頻率 fr 之比N，既 N = fc / fr 調(diào)制度調(diào)制波幅值A(chǔ)r與載波幅值A(chǔ)c之比，即MaAr/Ac同步調(diào)制N 等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步。1基本同步調(diào)制方式，fr 變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定；2三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取 N 為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱(chēng)； 3為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱(chēng)，N應(yīng)取奇數(shù)；4 fr 很低時(shí)，fc 也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除；5 fr 很高時(shí)，fc 會(huì)過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件難以承受。異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式。1通常保持 fc 固定不變，當(dāng) fr 變化時(shí)，載波比 N 是變化的；2 在信號(hào)波的半周

9、期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈 沖不對(duì)稱(chēng)，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱(chēng)；3當(dāng)fr 較低時(shí)，N 較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的不利影響都較?。?當(dāng) fr 增高時(shí)，N 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM 脈沖不對(duì)稱(chēng)的影響就變大。4 IGBT簡(jiǎn)介4.1 IGBT的基本工藝和原理絕緣門(mén)極雙極型晶體管（IGBT）本質(zhì)上是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè) P 型層。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)的文件建議，其各部分名稱(chēng)基本沿用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相應(yīng)命名。 IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖5所示。它在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于MOSFET ，其不同點(diǎn)在于IGBT是在N溝道功率MOS

10、FET 的N+基板（漏極）上增加了一個(gè)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5 IGBT結(jié)構(gòu)剖面圖由圖可以看出，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR ， 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(dòng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。4.2 IGBT的動(dòng)態(tài)特性分析 圖6 IGBT的動(dòng)態(tài)圖  與MOSFET的相似，因?yàn)殚_(kāi)通過(guò) 程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行uCE的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程；tfv2MOS

11、FET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程 。 電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較快；tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較慢IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來(lái)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于電力MOSFET。4.3 IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)1）IGBT開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)損耗小，開(kāi)關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng),無(wú)二次擊穿現(xiàn)象；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

12、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(shí)可以保持開(kāi)關(guān)頻率高;5) 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類(lèi)似。5系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖跟據(jù)三相恒壓恒頻橋式逆變器的具體涉及面要求，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。圖7 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖6 三相PWM逆變器的工作原理和結(jié)構(gòu)電路6.1 三相橋式PWM逆變電路用三個(gè)單相逆變電路可以組合成一個(gè)三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應(yīng)用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路。采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖8所示，可以看成是由三個(gè)半橋逆變電路組成。圖8 三相電壓型橋式逆變電

13、路電路的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了方便分析，畫(huà)作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想中點(diǎn)。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導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度以此相差。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。可能是上面一個(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱(chēng)為縱向換流。6.2 逆變器的工作原理在三相橋式逆變電路中，各管的導(dǎo)通次序同整流電路一樣，也是T1、T2、T3T6各管的觸發(fā)信號(hào)依次互差60°。根據(jù)各管的導(dǎo)通時(shí)間可

14、以分為180° 導(dǎo)通型和120°導(dǎo)通型兩種工作方式，在180°導(dǎo)通型的逆變電路中，任意瞬間都有三只管子導(dǎo)通，各管導(dǎo)通時(shí)間為180°，同一橋臂中上下兩只管子輪流導(dǎo)通，稱(chēng)為互補(bǔ)管。在120°導(dǎo)通型逆變電路中，各管導(dǎo)通120°，任意瞬間只有不同相的兩只管子導(dǎo)通，同一橋臂中的兩只管子不是瞬時(shí)互補(bǔ)導(dǎo)通，而是有60°的間隙時(shí)間，當(dāng)某相中沒(méi)有逆變管導(dǎo)通時(shí)，其感性電流經(jīng)該相中的二極管流通。6.3逆變電路的波形和電壓分析以下分析三相電壓型橋式逆變電路的工作波形。對(duì)于U相輸出來(lái)說(shuō)，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，；當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)，。因此，的波形是幅值為的矩形波

15、。V、W兩相的情況和U相類(lèi)似，、的波形形狀和相同，只是相位依次差120°。負(fù)載線(xiàn)電壓可由下式求出：設(shè)負(fù)載中點(diǎn)N與直流電源假想中點(diǎn)之間的電壓為。則負(fù)載各相的相電壓分別為：三相電壓型橋式逆變電路的工作波形如圖9所示：圖9 三相電壓型橋式逆變電路的工作波形下面對(duì)三相橋式逆變電路的輸出電壓進(jìn)行定量分析。把輸出線(xiàn)電壓 展開(kāi)成 傅里葉級(jí)數(shù)得：式中，為自然數(shù)。輸出線(xiàn)電壓有效值為基波幅值和基波有效值分別為；接下來(lái)，我們?cè)賹?duì)負(fù)載相電壓進(jìn)行分析。把展開(kāi)成傅里葉級(jí)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；7.三相電壓源SPWM逆變器的建模與仿真7.1三相電壓源SPWM逆變器的建

16、模 圖10 SPWM逆變器的仿真模型7.2仿真模型中主要模塊的提取路徑 多功能橋式整流電路Universal Bridge Simulink/SimPoweSystem/Power Electronics/Universal Bridge 脈寬調(diào)制PWM脈沖發(fā)生器 Simulink/SimPoweSystem/Extra Library/Control Blocks/PWM Generator 有效測(cè)量模塊RMS Simulink/SimPoweSystem/Measurements/Continuous Measuremants/RMS 7.3主要參數(shù)設(shè)置 7.3.1 PWM Generat

17、or的參數(shù)設(shè)置圖11 PWM Generator的參數(shù)設(shè)置7.3.2 Universal Bridge的參數(shù)設(shè)置 圖12 Universal Bridge的參數(shù)設(shè)置7.3.3萬(wàn)用表MultimeterMultimeter其參數(shù)設(shè)置如圖13所示：圖13 萬(wàn)用表MultimeterMultimeter1其參數(shù)設(shè)置如下：圖14 Multimeter1其參數(shù)設(shè)置Multimeter2的參數(shù)設(shè)置同Multimeter1設(shè)置。7.3.4其它參數(shù)設(shè)置 有效值測(cè)量模塊RMS設(shè)置其參數(shù)Fundamental frequency（Hz）為50 電壓設(shè)置為220 阻感性負(fù)載R=2，L=0.01.三負(fù)載設(shè)置相同。7.

18、4仿真結(jié)果下面是輸出交流f=50Hz調(diào)制度m=0.8時(shí)的仿真曲線(xiàn)圖14逆變器的輸出電壓波形圖15逆變器輸出電流波形8 總結(jié) 經(jīng)過(guò)這次的電力電子課程設(shè)計(jì)后，我從中學(xué)到了很多東西。在我們學(xué)了電路、電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之后，對(duì)專(zhuān)業(yè)課程基礎(chǔ)知識(shí)已經(jīng)有了最基本的掌握和接觸。在經(jīng)過(guò)獨(dú)立設(shè)計(jì)，我成功的完成了本次設(shè)計(jì)。對(duì)于我個(gè)人而言，我熟練的掌握了設(shè)計(jì)三相恒壓恒頻逆變電路的一般方法，還進(jìn)一步熟悉了其原理。開(kāi)始拿到課題難免會(huì)感到陌生，不過(guò)經(jīng)過(guò)自己親手實(shí)踐后才發(fā)現(xiàn)，只有經(jīng)過(guò)實(shí)踐運(yùn)用得來(lái)的知識(shí)，才是真正屬于自己的東西。通過(guò)這次仿真的確收獲了很多，感覺(jué)自己對(duì)于電力電子技術(shù)這門(mén)課程有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。因?yàn)榘哑綍r(shí)所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐真的會(huì)遇到很多問(wèn)題，當(dāng)然也會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多樂(lè)趣在其中。可以說(shuō)整個(gè)設(shè)計(jì)中最麻煩的就是把一些在課本中學(xué)到的知識(shí)在Matlab中進(jìn)行仿真得到正確的結(jié)果。這個(gè)過(guò)程是十分繁瑣的，也是很鍛煉人的。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了使用Matlab軟件仿真集成環(huán)境Simulink進(jìn)行仿真的基本操作方法，也對(duì)逆變器和SPWM有了進(jìn)一步的理解。在使用Matlab的Simulink進(jìn)行仿真時(shí)，很多時(shí)候波形不一定能夠快速正確的出現(xiàn)，這個(gè)時(shí)候就要好好研究其深層次的原理，同時(shí)要注意Matlab的仿真的一些細(xì)節(jié)，例如哪里可以接線(xiàn)哪里不行，電路接不接地，仿真時(shí)間的設(shè)定，采用自動(dòng)定標(biāo)器Autoscale觀察波形等。這些軟件的使