电压型逆变电路课程设计样本.doc

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1 主电路设计
逆变电路的作用是将直流电压转换成梯形脉冲波, 经低通滤波器滤波后, 从而使负载上得到的实际电压为正弦波。
1.1 主电路图

图1三相电压型桥式逆变电路

1.1 主电路原理分析
图1是采用IGBT作为开光器件的电压型三相桥式逆变电路, 能够看成由三个半桥逆变电路组成。图1的直流侧一般只有一个电容就能够了, 但为了分析方便, 画作串联的两个电容器并标出假象中点N′。和单相半桥、 全桥逆变电路相同, 三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180°导电方式, 即每个桥臂的导电角度为180°, 同一相( 即同一半桥) 上下两个臂交替导电, 各相开始导电的角度依次相差120°。这样, 在任一瞬间, 将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂, 也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行, 因此也被称为纵向换流

1.2 工作波形分析和绘制
对于U相输出来说, 当桥臂1导通时, , 当桥臂4导通时, 。因此, 的波形是幅值为的矩形波。V、 W两相的情况和U相相似, 、 的波形形状和相同, 只是相位依次相差120°。、 、 的波形如图2a、 b、 c所示。

图2 三相电压型桥式逆变电路的工作波形
负载线电压、 、 可由下式求出

图2d是依照上式画出的波形。
设负载中点N与直流电源假象点N′之间的电压为, 则负载各相的相电压分别为

把上式各式相加并整理可求得

设负载为三相对称负载, 则有, 于是

因此也是矩形波, 如图2e所示, 其频率为的3倍, 幅值为其, 即。
图2f给出了利用式( 2) 和式( 4) 绘出的的波形, 、 的波形形状和相同, 仅相位依次相差120°。
三相逆变输出的电压与电流分析类似, 负载参数已知, 以U相为例, 负载的阻抗角不一样, 的波形形状和相位都有所不同, 图2g给出的事阻感负载下
时的波形。桥臂1中的从通态转换到断态时, 因负载电感中电流
不能突变, 小桥4中的先导通续流, 待负载电流降为零, 桥臂4中电流反相时, 才开始导通。负载阻抗角越大, 导通时间越长。在时, 时为导通, 时为导通; 在时, 时导通, 时为导通。
、 的波形与形状相同, 相位一次相差。将三个桥臂电流相加可得到直流侧电流。把桥臂1、 3、 5的电流加起来, 就可得到直流侧电流的波形, 如图2h所示。能够看出, 每隔60°脉动一次, 而直流侧电压是基本无脉动的, 因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的, 且脉动的情况和脉动情况大致相同。这也是电压型逆变电路的一个特点。

1.3 参数计算
下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出线电压 展开成傅里叶级数得:

式中, , 为自然数。
输出线电压有效值为

基波幅值和基波有效值分别为
;

接下来, 我们再对负载相电压进行分析。把展开成傅里叶级数得

式中, , k为自然数。
负载相电压有效值为

基波幅值和基波有效值分别为
;

在上述导电方式逆变器中, 我们采用”先断后通”的方法来防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电压短路, 使得在通断信号之间留有一个短暂的死区时间。死区时间的长短要视器件的开关速度而定, 器件的开关速度越快, 所留的死区时间就越短。

1.4 元件清单

绝缘栅双极晶体管( IGBT) 本质上是一个场效应晶体管, 只是在漏极和漏区之间多了一个 P 型层。根据国际电工委员会的文件建议, 其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。
IGBT的结构剖面图如图3所示。它在结构上类似于MOSFET , 其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET 的N+基板( 漏极) 上增加了一个P+ 基板( IGBT 的集电极) , 形成PN结j1 , 并由此引出漏极、 栅极和源极则完全与MOSFET相似。

图3 IGBT结构剖面图

由图能够看出, IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR , 其简化等效电路如图3所示。图中Rdr是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT是以GTR 为主导件、 MOSFET 为驱动件的复合结构。
IGBT的特性和参数特点能够总结为:
1) IGBT开关速度高, 开关损耗小;
2) 在相同电压和电流定额的情况下, IGBT的安全工作区比GTR大, 而且具有耐脉冲电流冲击的能力;
3) IGBT的通态压降比VDMOSFET低, 特别是在电流较大的区域;
4) 与电力MOSFET和GTR相比, IGBT的耐压和通流能力还能够进一步提高, 同时能够保持开关频率高。

2 PWM控制电路设计
PWM控制技术实际上就是斩波控制技术, 就是对脉冲宽度进行调制的技术, 即是经过对一系列脉冲的宽度进行调制, 来等效获得所需要的波形(如正弦波、 频率和幅值)。PWM控制技术涉及调制法和控制法两方面内容: 就调制法而言, 有单脉冲调制和多脉冲调制; 有同步调制、 异步调制和分段同步调制; 还有单极性调制和双极性调制三大类。而就控制法而言, 则有等脉宽PWM法、 正弦波PWM法、 磁链跟踪PWM法和电流跟踪PWM法四大类。它在逆变电路中的应用最为广泛, 对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路, 几乎都是PWM型逆变电路。因此在设计逆变电路时, 就必须了解并掌握PWM控制技术及SPWM波的产生方法。

图4 三相桥式PWM逆变电路
三相电压型PWM逆变电路只要实现功能就是将直流电压变换成交流电压。图4中U、 V、 M三相的PWM控制一般公用一个三角波载波, 三相调制信号、 、 一次相差。U、 V、 W各相功率开关器件的控制规律相同, 现以U相为例。
当时, 给上桥臂以导通信号, 给下桥臂以关断信号, 则U相相对于直流电源假想中点输出电压。
当时, 给以导通信号, 给以关断信号, 则。但与的驱动信号始终是互补的, 当给( ) 加以导通信号时, 可能( ) 导通, 也可能是二极管续流导通, 这是有阻感负载中电流方向决定, 这就是三相桥式电路的双极型调制特性。由上分析, 的波形是幅值为的矩形波, V、 M两相情况跟U相类似。电路的波形如图4所示。

图5 三相桥式PWM逆变电路波形

3 仿真
3.1 Matlab软件
Matlab软件提供的仿真工具箱Simulink是一个功能十分强大的仿真软件, 它能够根据用户的需要方便的为系统建立模型, 而且十分直观, 仿真精度高, 结果准确。特别是其电力系统模块库PSB中包含了大量的电力电子功能模块, 为我们仿真提供了极大的便利。
Matlab提供了系统模型图形输入工具——Simulink工具箱。在Matlab中的电力系统模块库PSB以Simulink为运算环境, 涵盖了电路、 电力电子、 电气传动和电力系统等电工学科中常见的基本原件和系统仿真模型。它由以下6个子模块组成: 电源模块库、 连接模块库、 测量模块库、 电力电子模块库、 电机模块库、 基本件模块库。在这6个基本模块库的基础上, 根据需要还能够组合出常见的、 复杂的其它模块添加到所需的模块库中, 为电力系统的研究和仿真带来更多的方便。

3.2 建模仿真
PWM控制方式下的三相逆变电路主电路如图6所示:

图6 三相逆变电路主电路
运行仿真图形, 并点击示波器可得输出交流电压, 交流电流波形如图7、 图8所示:

图7 PWM方式下三相交流电压输出波形

图8 PWM方式下三相电流输出波形
从仿真结果能够得出, 本次课程设计基本达到任务要求, 三相输出电压约为180V, 40HZ, 交流电为正弦波满足条件。

4 关于逆变电路各项注意

4.1 提高直流电压利用率和减少开关次数
直流电压利用率——逆变电路输出交流电压基波最大幅值和直流电压之比。
提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力; 减少器件的开关次数能够降低开关损耗; 正弦波调制的三相PWM逆变电路, 调制度a为1时, 输出相电压的基波幅值为, 输出线电压的基波幅值为, 即直流电压利用率仅为0.866。这个值是比较低的, 其原因是正弦调制信号的幅值不能超过三角波幅值, 实际电路工作时, 考虑到功率器件的开通和关断都需要时间, 如不采取其它措施, 调制度不可能达到1。采用这种调制方法实际能得到的直流电压利用率比0.866还要低。

4.2 线电压控制方式( 叠加3次谐波)
对两个线电压进行控制, 适当地利用多余的一个自由度来改进控制性能。
目标——使输出线电压不含低次谐波的同时尽可能提高直流电压利用率, 并尽量减少器件开关次数。
在相电压调制信号中叠加3次谐波, 使之成为鞍形波, 输出相电压中也含3次谐波, 且三相的三次谐波相位相同。合成线电压时, 3次谐波相互抵消, 线电压为正弦波。鞍形波的基波分量幅值大。
除叠加3次谐波外, 还可叠加其它3倍频的信号, 也可叠加直流分量, 都不会影响线电压。

4.3 电路的保护与散热
对于单相桥式电压型逆变电路需要对电路提供保护与散热, 因为电路存在很多不确定的外界因素, 因此要装过载保护和短路保护还有就是过电流保护。对于驱动晶体管需要提供散热器来让它散热, 且晶体管必须隔离。
5 结论
PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛, 当前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合, 随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展, PWM控制技术才真正得到应用。
逆变电路的应用相当普及, 在已有的各种电源中, 蓄电池、 干电池, 太阳能电池等都是直流电源, 当需要这些电源向交流负载供电时, 就需要逆变电路。另外交流电机调速用变频器、 不间断电源、 感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛, 其电路的核心部分都是逆变电路, 本文结合PWM控制技术的原理和一系列的技术要求, 并经过具体的例子说明了PWM逆变电路的工作过程, 较详细地总结了各种PWM控制方法的原理, 并简单说明了各种方法的优缺点。PWM控制技术以其控制简单、 灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式, 也是人们研究的热点之一。

参考文献
【1】 王兆安 刘进军 电力电子技术 北京: 机械工业出版社
【2】 康华光 电子技术基础数字部分 北京: 高等教育出版社
【3】 刘凤君 现代逆变技术及应用 北京: 电子工业出版社
【4】 李宏 王崇武 现代电力电子技术基础 北京: 机械工业出版社
【5】 陈国呈 PWM逆变技术及应用 北京: 中国电力出版社
【6】 陈国呈 PWM电力电子变换技术 北京: 中国电力出版社
【7】 洪乃刚 电力电子技术基础 北京: 清华大学出版社