電力電子課程設計-單相pwm逆變電路設計

1、<p>　　電力電子技術課程設計</p><p>　　題目：單相PWM逆變電路設計</p><p><b>　　姓 名：</b></p><p><b>　　學 號：</b></p><p><b>　　院 系：</b></p><

2、;p><b>　　班 級：</b></p><p><b>　　指導老師：</b></p><p><b>　　日 期：</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　一 前言</b&

3、gt;</p><p>　　1.1 電力電子簡介…………………………………… (2)</p><p>　　1.2 課題目的……………………………………………………………… (3)</p><p>　　1.3 課題內容及要求…………………………………………………(3)</p><p>　　1.4 課題意義……………………………………………………

4、………(3)</p><p>　　二 單相橋式逆變電路</p><p>　　2.1 電壓型逆變電路……………………………………………………..(4)</p><p>　　2.2 電流型逆變電路………………………………………………………..(6)</p><p>　　三 單相橋式PWM逆變主電路設計</p><p>　　

5、3.1 逆變控制電路的設計………………………………………………… (9)</p><p>　　3.2 正弦波輸出變壓變頻電源調制方式…………………………………(11)</p><p>　　3. 3種調制方式下逆變器輸出電壓諧波分析……………………………(13)</p><p>　　四 驅動和保護電路的設計</p><p>　　4.1 

6、; 過電流保護………………………………………………………(14) </p><p>　　4.2  驅動電路的設計 ………………………………………………(14)   </p><p>　　五 使用的元件…………………………………………………………….(16)</p><p>　　六 仿真實驗…………

7、…………………………………………………(19)</p><p>　　七 心得體會……………………………………………（24）</p><p>　　八 參考文獻……………………………………………………………(24)</p><p><b>　　一 前言</b></p><p>　　1.1 電力電子簡介</p>

8、<p>　　隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，正弦波輸出變壓變頻電源已被廣泛應用在各個領域中，與此同時對變壓變頻電源的輸出電壓波形質量也提出了越來越高的要求。對逆變器輸出波形質量的要求主要包括兩個方面：一是穩(wěn)態(tài)精度高；二是動態(tài)性能好。因此，研究開發(fā)既簡單又具有優(yōu)良動、靜態(tài)性能的逆變器控制策略，已成為電力電子領域的研究熱點之一。電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管（SCR）、可關斷晶閘管（GTO）、晶體管（BJT）、絕緣柵晶體管（IGBT）

9、等階段。目前正向著大容量、高頻率、易驅動、低損耗、模塊化、復合化方向發(fā)展，與其他電力電子器件相比，IGBT具有高可靠性、驅動簡單、保護容易、不用緩沖電路和開關頻率高等特點，為了達到這些高性能，采用了許多用于集成電路的工藝技術，如外延技術、離子注入、精細光刻等。IGBT最大的優(yōu)點是無論在導通狀態(tài)還是短路狀態(tài)都可以承受電流沖擊。它的并聯(lián)不成問題，由于本身的關斷延遲很短，其串聯(lián)也容易。盡管IGBT模塊在大功率應用中非常廣泛，但其有限的負載循環(huán)

10、次數(shù)使其可靠性成了問題，其主要失效機理是陰極引線焊點開路和焊點較低的疲勞強度，另外絕緣材料的缺陷也是一個問題。在現(xiàn)有的正弦波輸出變壓變頻電源產(chǎn)</p><p><b>　　1.2 課題的目的</b></p><p>　　1) 通過對單相橋式PWM逆變電路的設計，掌握單相橋式PWM逆變電路的工作原理，綜合運用所學知識，進行單相橋式全控整流電路和系統(tǒng)設計的能力。</

11、p><p>　　2) 了解與熟悉單相橋式PWM逆變電路拓撲，控制方法。</p><p>　　3) 理解和掌握單相橋式PWM逆變電路及系統(tǒng)的主電路、控制電路和保護電路的設計方法，掌握元器件的選擇計算方法。</p><p>　　4) 具有一定的電力電子電路及系統(tǒng)實驗和調試的能力。</p><p>　　1.3課題的內容及要求</p>&l

12、t;p>　　對單相橋式PWM逆變電路的主電路和控制電路進行設計，設計參數(shù)如下：</p><p>　　直流電壓為100V；</p><p><b>　　阻感負載；</b></p><p>　　負載中R=2，L=1mH；</p><p>　　要求輸出頻率范圍：10HZ~100HZ。</p><p&g

13、t;<b>　　1.4 課題的意義</b></p><p>　　電力系統(tǒng)變電站和調度所的繼電保護和綜合自動化管理設備有的是單相交流供電的，其中有一部分是不能長時間停電的。普通UPS設備因受內置蓄電池容量的限制，供電時間比較有限，而直流操作電源所帶的蓄電池容量一般都比較大，所以需要一套逆變電源將直流電逆變成單相交流電。</p><p>　　逆變電源的工作原理與UPS有以

14、下兩點區(qū)別：</p><p>　　1）逆變電源不需要與交流電網(wǎng)鎖相同步，因為其負載可以瞬間停電（幾秒以內）。</p><p>　　2）逆變電源的輸入直流電壓為180～285V，而UPS內置電池電壓為12V或24V。</p><p>　　二 單相橋式逆變電路</p><p>　　根據(jù)直流側電源性質的不同,逆變電路可分為：</p>

15、<p>　　電壓型逆變電路——電壓源型逆變電路和電流型逆變電路，又稱為電流源型逆變電路。</p><p>　　2.1 電壓型逆變電路</p><p>　　2.1.1 電壓型逆變電路的特點：</p><p>　　(1)直流側為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側電壓基本無脈動。</p><p>　　(2)交流側輸出電壓為矩形波，輸出電流和相位因

16、負載阻抗不同而不同。</p><p>　　(3)阻感負載時需提供無功功率。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。</p><p>　　2.1.2 單相全橋逆變電路的移相調壓方式：</p><p>　　共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導通180°。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。<

17、/p><p>　　改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)。阻感負載時，還可采用移相的方式來調節(jié)輸出電壓 ——移相調壓。</p><p><b>　　圖1</b></p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　2.1.3 帶中心抽頭變壓器的逆變電路</p>&

18、lt;p>　　交替驅動兩個IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負載加上矩形波交流電壓。兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。Ud和負載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1時，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。此電路與全橋電路的比較：</p><p>　　1）比全橋電路少用一半開關器件。</p><p>　　2）器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高一倍。</p><

19、p>　　3）必須有一個變壓器 。</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　2.2 電流型逆變電路</p><p>　　2.2.1電流型逆變電路主要特點：</p><p>　　1) 直流側串大電感，電流基本無脈動，相當于電流源。</p><p>　　2)

20、0;交流側輸出電流為矩形波，與負載阻抗角無關。輸出電壓波形和相位因負載不同而不同。</p><p>　　3)直流側電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關器件反并聯(lián)二極管。</p><p>　　電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應用較多。換流方式有負載換流、強迫換流。</p><p>　　2.2.2 單相電流型逆變電路</p><p>　　

21、圖4單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路</p><p>　　此電路的工作原理如下：</p><p>　　1）由四個橋臂構成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用來限制晶閘管開通時的di/dt。</p><p>　　2）工作方式為負載換相。</p><p>　　3）電容C和L、R構成并聯(lián)諧振電路。</p><p>　　

22、4）輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。</p><p>　　5）負載電路對基波呈現(xiàn)高阻抗而對諧波呈現(xiàn)低阻抗，故負載電壓波形接近正弦波。</p><p><b>　　工作分析</b></p><p>　　一個周期內有兩個導通階段和兩個換流階段。</p><p>　　圖5并聯(lián)諧振式逆變電路工作

23、波形</p><p>　　5) iｏ在t3時刻，即iVT1=iVT2時刻過零，t3時刻大體位于t2和t4的中點。</p><p>　　6) t= t4時，VT1、VT4電流減至零而關斷，換流階段結束。t4-t2= t??稱為換流時間。</p><p>　　2.2.3保證晶閘管的可靠關斷及有關參數(shù)計算。</p><p>　　晶閘管需一段時間才能

24、恢復正向阻斷能力，換流結束后還要使VT1、VT4承受一段反壓時間t，t?= t5- t4應大于晶閘管的關斷時間tq。</p><p>　　為保證可靠換流，應在uo過零前t?= t5- t2時刻觸發(fā)VT2、VT3 。. </p><p>　　t??為觸發(fā)引前時間 ： </p><p>　　io超前于uo的時間??：

25、???????????????????????表示為電角度 ： </p><p>　　為電路工作角頻率；?、?分別是t?、t?對應的電角度。</p><p>　　忽略換流過程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級數(shù)：</p><p>　　

26、基波電流有效值 ： </p><p>　　負載電壓有效值Uo和直流電壓Ud的關系（忽略Ld的損耗，忽略晶閘管壓降）： </p><p>　　實際上如中頻加熱過程中，感

27、應線圈參數(shù)隨時間變化，必須使工作頻率適應負載的變化而自動調整，這種控制方式稱為自勵方式；定工作頻率的控制方式稱為他勵方式。自勵方式存在起動問題，解決方法：</p><p>　　1）先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉入自勵方式；</p><p>　　2）附加預充電起動電路，形成衰減振蕩后，再轉入自勵。</p><p>　　三 單相橋式PWM逆變主電路設計</p&g

28、t;<p>　　（設計選擇單相橋式電壓型逆變電路，采用PWM控制技術）：</p><p>　　3.1 逆變控制電路的設計</p><p>　　逆變電源控制電路的核心是SPWM發(fā)生器。SPWM的實現(xiàn)包括分立電路、集成芯片和單片機實現(xiàn)。它們的電氣性能和成本有所不同，各有自己的優(yōu)勢和不足之處。逆變電源SPWM電路的調制頻率固定為50Hz不變，為了降低成本，這里用分立電路組成，如圖（

29、3-1）所示。</p><p>　　圖6單相SPWM逆變電源控制電路</p><p>　　放大第一路Tr1,Tr4輸出，第二路Tr2,Tr3輸出 IC3輸出正值比較 IC4輸出負值比較,圖中，正弦波發(fā)生器和三角波發(fā)生器分別見下兩圖7、8。</p><p><b>　　圖7正弦波發(fā)生器</b></p><p>　　C

30、1=0.08µ、R1=10k,C2=0.08µ,R2=1.8k,R3=1.8k,R6=180k,R4=1.6k,R5=1.6k</p><p>　　上圖中C1=0.2µ,C2=1µ,R1=100k,R2=22k,R3=10k,Rf=1M,R4=10k.</p><p>　　以標準的正弦波信號為參考，將輸出電壓的反饋信號與之相比較，經(jīng)由IC1及其外圍電

31、路組成的PI型誤差放大器調節(jié)后得到一個控制信號，送到IC2去調制三角波，既可得到SPWM波形。IC3和IC4分別為正負值比較器，它們的輸出信號分別IC5和IC6，從而將SPWM交替地分成兩路，各自放大后驅動相應的開關管對，控制主回路完成SPWM逆變。需要注意的是，驅動電路要將每一路信號分成相互隔離的兩路，分別驅動處于對角位置上的兩只開關管。圖3-4為雙極性SPWM調制方式波形。</p><p>　　以上控制電路的

32、特點是不僅能控制正弦波輸出的有效值，還能調節(jié)輸出電壓的瞬時值，優(yōu)化波形，減小諧波失真，提高帶負載能力。</p><p>　　圖9 雙極性SPWM調制方式波形</p><p>　　3.2 正弦波輸出變壓變頻電源調制方式</p><p>　　3.2.1 正弦脈寬調制技術</p><p>　　隨著逆變器控制技水的發(fā)展．電壓型逆變器出現(xiàn)了多種的變壓

33、、變頻控制方法。目前采用較多的是正弦脈寬調制技術即SPWM控制技術。</p><p>　　單相全橋式電壓型SPWM逆變器電路拓撲結構圖如圖（3-5）所示。圖 (3-5) 中S1~S4的通斷由正弦脈寬調制產(chǎn)生的信號來控制。 SPWM正弦脈寬調制可分為雙極性調制方式、單極性調制方式和單極性倍頻調制方式。</p><p>　　3.2.2單極性調制方式</p><p&g

34、t;　　單極性調制方式的特點是在一個開關周期內兩只功率管以較高的開關頻率互補開關，保證可以得到理想的正弦輸出電壓：另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開關損耗。但又不是固定其中一個橋臂始終為低頻(輸出基頻)，另一個橋臂始終為高頻[載波頻率)，而是每半個輸出電壓周期切換工作，即同一個橋臂在前半個周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對于選用同樣的功率管時，使其使用壽命均

35、衡，對增加可靠性有利。</p><p>　　3.2.3 雙極性調制方式  雙極性調制方式的特點是4個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，雖然能得到正弦輸出電壓波形，但其代價是產(chǎn)生了較大的開關損耗。</p><p>　　3.2.4 單極性倍頻調制方式</p><p>　　單極性倍頻調制方式的特點足輸出SPWM波的脈動頻率是單極性的兩倍，4個功率管都工作

36、在較高頻率(載波頻率)，因此，開關管損耗與雙極性相同。</p><p>　　3.3 3種調制方式下逆變器輸出電壓諧波分析</p><p>　　用MathCAD可推導出3種不同調制方式下逆變器輸出電壓各次諧波有效值與頻率的關系式。</p><p>　　3.3.1單極性調制方式</p><p>　　3.3.2對單極性調制方式如上公式（2）&l

37、t;/p><p>　　3.3.3對單極性倍頻調制方式如上公式（3）</p><p>　　式中：M為調制比；N為載波比；      f0為正弦波輸出變頻變壓電源的輸出電壓頻率。</p><p>　　3種調制方式下逆變器輸出電壓未經(jīng)濾波前，單極性調制方式及雙極性調制方式下逆變器輸出電壓諧波分量主要集中在升關頻率及其倍頻附近

38、，且單極性調制方式下逆變器輸出電壓諧波分量比雙極性要小。單極性倍頻調制方式下輸出電壓的諧波分量主要在2倍升關頻率及4倍開關頻率附近。選擇WPWM逆變器的輸出LC濾波器的轉折頻率為開關頻率的I／I0，LC濾波器對開關頻率及其倍頻附近的諧波具有明顯的衰減作用。</p><p>　　四 驅動和保護電路的設計 </p><p>　　4.1   過電流保護 </p

39、><p>　　過電流保護采用電流互感器作為電流檢測元件,其具有足夠快的響應速度,能夠在IGBT允許的過流時間內將其關斷,起到保護作用。     </p><p>　　如圖11所示,過流保護信號取自CT2,經(jīng)分壓、濾波后加至電壓比較器的同相輸入端,如圖11所示。當同相輸入端過電流檢測信號比反相輸入端參考電平高時,比較器輸出高電平,使D2從原來的反

40、向偏置狀態(tài)轉變?yōu)檎驅?并把同相端電位提升為高電平,使電壓比較器一直穩(wěn)定輸出高電平。同時,該過電流信號還送到SG3525的腳10。當SG3525的腳10為高電平時,其腳11及腳14上輸出的脈寬調制脈沖就會立即消失而成為零。   </p><p>　　圖11         過電流保護電路 </p&

41、gt;<p>　　4.2驅動電路的設計     </p><p>　　驅動電路的設計既要考慮在功率管需要導通時,能迅速地建立起驅動電壓,又要考慮在需要關斷時,能迅速地泄放功率管柵極電容上的電荷,拉低驅動電壓。具體驅動電路如圖12所示   </p><p>　　圖12  

42、0;      驅動電路 </p><p><b>　　其工作原理是： </b></p><p>　　（1）當光耦原邊有控制電路的驅動脈沖電流流過時,光耦導通,使Q1的基極電位迅速上升,導致D2導通,功率管的柵極電壓上升,使功率管導通; </p><p>　?。?）當光耦原邊無控制電路的驅動脈沖

43、電流流過時,光耦不導通,使Q1的基極電位拉低,而功率管柵極上的電壓還為高,所以導致Q1導通,功率管的柵極電荷通過Q1及電阻R3迅速泄放,使功率管迅速可靠地關斷。 </p><p>　　當然,對于功率管的保護同樣重要,所以在功率管源極和漏極之間要加一個緩沖電路避免功率管被過高的正、反向電壓所損壞。</p><p><b>　　五 元件清單</b></p>

44、<p><b>　　六 仿真實驗</b></p><p>　　6.1 單相橋式PWM逆變主電路原理圖</p><p><b>　　圖13</b></p><p>　　6.2 控制電路原理圖</p><p><b>　　圖14</b></p><

45、;p>　　6.3 仿真所得波形</p><p>　　IGBT觸發(fā)脈沖波形</p><p><b>　　圖15</b></p><p><b>　　圖16</b></p><p><b>　　DC/AC逆變波形</b></p><p><b&g

46、t;　　圖17</b></p><p>　　當f=20Hz時，波形如圖18所示</p><p><b>　　圖18</b></p><p>　　當f=30Hz時，波形如圖19所示</p><p><b>　　圖19</b></p><p>　　當f=40Hz時，波

47、形如圖20所示</p><p><b>　　圖20</b></p><p>　　當f=50Hz時，波形如圖21所示</p><p><b>　　圖21</b></p><p>　　當f=60Hz時，波形如圖22所示</p><p><b>　　圖22</b&g

48、t;</p><p>　　當f=70Hz時，波形如圖23所示</p><p><b>　　圖23</b></p><p>　　當f=80Hz時，波形如圖24所示</p><p><b>　　圖24</b></p><p>　　當f=90Hz時，波形如圖25所示</p&g

49、t;<p><b>　　圖25</b></p><p>　　當f=100Hz時，波形如圖26所示</p><p><b>　　圖26</b></p><p><b>　　4. 波形分析</b></p><p>　　從上圖中可以很清晰地看出產(chǎn)生的波形頻率為10HZ，

50、可以通過改變信號波的頻率來改變IGBT的觸發(fā)脈沖，從而改變逆變交流電源的頻率，實現(xiàn)變頻逆變。</p><p><b>　　七 心得體會</b></p><p>　　通過此次實驗設計，熟悉并掌握電力電子器件的實用，對一些常用的主電路或保護電路等有深入的了解。大致上了解了單相橋式PWM逆變電路的設計，基本掌握了單相橋式PWM逆變電路的工作原理，通過仿真對電路和工作原理進

51、一步理解，在設計以及仿真過程中所遇到的問題能過綜合運用所學知識，或者在網(wǎng)上找些資料解決在單相橋式全控整流電路和系統(tǒng)設計中的一些問題，因此對單相橋式PWM逆變電路的拓撲，控制的方法，系統(tǒng)的主電路、控制電路和保護電路的設計方法，元器件的選擇計算方法等有比較深刻的體會，間接培養(yǎng)了一定的電力電子電路及系統(tǒng)實驗和調試的能力。</p><p><b>　　八 參考文獻</b></p>&

52、lt;p>　　【1】 孫樹樸等、電力電子技術（第一版）、中國礦業(yè)大學出版社、1999</p><p>　　【2】 邵丙衡、電力電子技術（第一版）、鐵道出版社、1997</p><p>　　【3】 王兆安，黃俊、電力電子技術（第四版）、機械工業(yè)出版社、2008</p><p>　　【4】 葉斌、電力電子技術習題集（第一版）、鐵道出版社、1995</p>