三相恒压恒频桥式逆变器设计概要Word下载.docx
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PWM波形可等效的各种波形,例如:
直流斩波电路可以等效直流波形;
PWM波可以等效正弦波形;
还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,也基于等效面积原理。
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波的方法:
正弦半波N等分,可看成N个彼此相连的脉冲序列,宽度相等,但幅值不等;
用矩形脉冲代替,等幅,不等宽,中点重合,面积(冲量)相等。
这样就可得到PWM波形。
由上方法可知各脉冲的幅值相等,而宽度按正弦规律变化。
对于正弦波的负半周,也可用同样的方法得到PWM波形。
像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称SPWM波形。
要改变等效输出正弦波幅值时,只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。
2SPWM调制算法
2.1自然采样法
按照SPWM控制的基本原理,在正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度和间隙的采样,去生成SPWM波形,成为自然采样法。
如图2所示
图2自然采样法原理图
2.2规则采样法
为使采样法的效果既接近自然采样法,没有过多的复杂运算,又提出了规则采样法。
其出发点是设法使SPWM波形的每个脉冲都与三角波中心线对称。
这样,图3中的
法。
计算就大大简化了。
图3规则采样法原理图
2.3双极性正弦波等面积法
正弦波等面积算法的基本原理为:
将一个正弦波等分成H个区段,区段数
一定是6的整数倍,因为三相正弦波,各项相位互差
,要从一相正弦波方便地得到其他两相,必须把一个周期分成6的整数倍。
越大,输出波形越接近正弦波。
在每一个区段,等分成若干个等宽脉冲(N),使这N个等宽脉冲面积等于这一区段正弦波面积。
采用这种方法既可以提高开关频率,改善波形,又可以减少计算新脉冲的数量,节省计算机计算时间。
正弦波面积为:
输出频率
与区段数
,每个区段脉冲数
及脉冲周期
之间的关系:
。
3SPWM逆变电路及其控制方法
SPWM逆变电路属于电力电子器件的应用系统,因此,一个完整的SPWM逆变电路应该由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。
由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号,通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断,来完成整个系统的功能。
目前应用最为广泛的是电压型PWM逆变电路,脉宽控制方法主要有计算机法和调制法两种,但因为计算机法过程繁琐,当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位发生变化时,结果都要变化,而调制法在这些方面有着无可比拟的优势,因此,调制法应用最为广泛。
所为调制法,就是把希望输出的波形作为调制信号
,把接收调制的信号作为载波
,通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。
本次课程设计任务要求设计SPWM三相逆变电路,输出PWM电压波形等效为正弦波,因而信号波采用正弦波,载波采用最常用的等腰三角形。
单相桥式电路既可以采取单极性调制,也可以采用双极性调制,而三相桥式PWM逆变电路,一般采用双极性控制方式。
(1)如果在正弦调制波的半个周期内,三角载波只在正或负的一种极性范围内变化,所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内,叫做单极性控制方式。
(2)如果在正弦调制波半个周期内,三角载波在正负极性之间连续变化,则SPWM波也是在正负之间变化,叫做双极性控制方式。
图4双极性PWM控制方式
其中:
载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比N,既N=fc/fr
调制度――调制波幅值Ar与载波幅值Ac之比,即Ma=Ar/Ac
同步调制——N等于常数,并在变频时使载波和信号波保持同步。
1基本同步调制方式,fr变化时N不变,信号波一周期内输出脉冲数固定;
2三相电路中公用一个三角波载波,且取N为3的整数倍,使三相输出对称;
3为使一相的PWM波正负半周镜对称,N应取奇数;
4fr很低时,fc也很低,由调制带来的谐波不易滤除;
5fr很高时,fc会过高,使开关器件难以承受。
异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式。
1通常保持fc固定不变,当fr变化时,载波比N是变化的;
2在信号波的半周期内,PWM波的脉冲个数不固定,相位也不固定,正负半周期的脉冲不对称,半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称;
3当fr较低时,N较大,一周期内脉冲数较多,脉冲不对称产生的不利影响都较小;
4当fr增高时,N减小,一周期内的脉冲数减少,PWM脉冲不对称的影响就变大。
4IGBT简介
4.1IGBT的基本工艺和原理
绝缘门极双极型晶体管(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5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5IGBT结构剖面图
由图可以看出,IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR,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。
4.2IGBT的动态特性分析
图6IGBT的动态图
与MOSFET的相似,因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。
tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程;
tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。
电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。
tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程,iC下降较快;
tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程,iC下降较慢IGBT中双极型PNP晶体管的存在,虽然带来了电导调制效应的好处,但也引入了少子储存现象,因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。
4.3IGBT的特性和参数特点
1)IGBT开关速度快,开关损耗小,开关损耗只有GTR的1/10,与电力MOSFET相当,无二次击穿现象;
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可以进一步提高,同时可以保持开关频率高;
5)输入阻抗高,输入特性与MOSFET类似。
5系统总体设计框图
跟据三相恒压恒频桥式逆变器的具体涉及面要求,系统总体设计框图如图7所示。
图7系统总体设计框图
6三相PWM逆变器的工作原理和结构电路
6.1三相桥式PWM逆变电路
用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。
但在三相逆变电路中,应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。
采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图8所示,可以看成是由三个半桥逆变电路组成。
图8三相电压型桥式逆变电路
电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了,但为了方便分析,画作串联的两个电容器并标出假想中点
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
导电方式,即每个桥臂的导电角度为
,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以此相差
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。
6.2逆变器的工作原理
在三相桥式逆变电路中,各管的导通次序同整流电路一样,也是T1、T2、T3……T6各管的触发信号依次互差60。
根据各管的导通时间可以分为180导通型和120导通型两种工作方式,在180导通型的逆变电路中,任意瞬间都有三只管子导通,各管导通时间为180,同一桥臂中上下两只管子轮流导通,称为互补管。
在120导通型逆变电路中,各管导通120,任意瞬间只有不同相的两只管子导通,同一桥臂中的两只管子不是瞬时互补导通,而是有60的间隙时间,当某相中没有逆变管导通时,其感性电流经该相中的二极管流通。
6.3逆变电路的波形和电压分析
以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。
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相类似,
、
的波形形状和
相同,只是相位依次差120°
负载线电压可由下式求出:
设负载中点N与直流电源假想中点
之间的电压为
则负载各相的相电压分别为:
三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图9所示:
图9三相电压型桥式逆变电路的工作波形
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
7.三相电压源SPWM逆变器的建模与仿真
7.1三相电压源SPWM逆变器的建模
图10SPWM逆变器的仿真模型
7.2仿真模型中主要模块的提取路径
多功能桥式整流电路UniversalBridge
Simulink/SimPoweSystem/PowerElectronics/UniversalBridge
脉宽调制PWM脉冲发生器
Simulink/SimPoweSystem/ExtraLibrary/ControlBlocks/PWMGenerator
有效测量模块RMS
Simulink/SimPoweSystem/Measurements/ContinuousMeasuremants/RMS
7.3主要参数设置
7.3.1PWMGenerator的参数设置
图11PWMGenerator的参数设置
7.3.2UniversalBridge的参数设置
图12UniversalBridge的参数设置
7.3.3万用表Multimeter
Multimeter其参数设置如图13所示:
图13万用表Multimeter
Multimeter1其参数设置如下:
图14Multimeter1其参数设置
Multimeter2的参数设置同Multimeter1设置。
7.3.4其它参数设置
有效值测量模块RMS设置其参数Fundamentalfrequency(Hz)为50
电压设置为220
阻感性负载R=2,L=0.01.三负载设置相同。
7.4仿真结果
下面是输出交流f=50Hz调制度m=0.8时的仿真曲线
图14逆变器的输出电压波形
图15逆变器输出电流波形
8总结
经过这次的电力电子课程设计后,我从中学到了很多东西。
在我们学了《电路》、《电力电子技术基础》之后,对专业课程基础知识已经有了最基本的掌握和接触。
在经过独立设计,我成功的完成了本次设计。
对于我个人而言,我熟练的掌握了设计三相恒压恒频逆变电路的一般方法,还进一步熟悉了其原理。
开始拿到课题难免会感到陌生,不过经过自己亲手实践后才发现,只有经过实践运用得来的知识,才是真正属于自己的东西。
通过这次仿真的确收获了很多,感觉自己对于电力电子技术这门课程有了更加深刻的认识。
因为把平时所学的知识应用于实践真的会遇到很多问题,当然也会发现有很多乐趣在其中。
可以说整个设计中最麻烦的就是把一些在课本中学到的知识在Matlab中进行仿真得到正确的结果。
这个过程是十分繁琐的,也是很锻炼人的。
通过本次课程设计,我学会了使用Matlab软件仿真集成环境Simulink进行仿真的基本操作方法,也对逆变器和SPWM有了进一步的理解。
在使用Matlab的Simulink进行仿真时,很多时候波形不一定能够快速正确的出现,这个时候就要好好研究其深层次的原理,同时要注意Matlab的仿真的一些细节,例如哪里可以接线哪里不行,电路接不接地,仿真时间的设定,采用自动定标器Autoscale观察波形等。
这些软件的使用技巧在仿真的时候显得尤为重要。
以后自己一定要多多注重培养自己的实践能力,对于一些常用的软件也要更加努力的学习,以求熟练掌握使用。
参考文献
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机械工业出版社,2009
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清华大学出版社,2006
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- 三相 恒压恒频桥式 逆变器 设计 概要