单相逆变电路的PWM控制设计与研究资料.docx

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单相逆变电路的PWM控制设计与研究资料

扬州大学水利与能源动力工程学院

本科生课程设计

题目单相逆变电路的PWM控制设计与研究

课程电力电子技术

专业电气工程及其自动化

班级

学号

姓名

指导老师刘大年

完成日期2016年1月

1绪论

1.1课程题目

单相逆变电路的PWM控制设计与研究

1.2设计目的及要求

1、通过对单相桥式PWM逆变电路的设计，掌握单相桥式PWM逆变电路的工作原理，综合运用所学知识，进行单相桥式全控整流电路和系统设计的能力。

2、了解与熟悉单相桥式PWM逆变电路拓扑，控制方法。

3、理解和掌握单相桥式PWM逆变电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。

4、具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。

1.5日程安排

本次课程设计时间共一周，进度安排如下：

1、设计准备，熟悉课题设计要求及内容。

（1天）

2、分析控制要求、电路方案设计。

（1天）

3、绘制电路接线图。

（2天）

4、电路分析、计算。

（2天）

5、整理计算书及图纸、写课程设计报告。

（1天）

1.6主要参考书

1、孙树朴等、电力电子技术（第一版）、中国矿业大学出版社、1999

2、邵丙衡、电力电子技术（第一版）、铁道出版社、1997

3、王兆安，黄俊、电力电子技术（第四版）、机械工业出版社、2008

4、叶斌、电力电子技术习题集（第一版）、铁道出版社、1995

5、赵良炳、现代电力电子技术基础（第一版）、清华大学出版社、1995

2单相桥式逆变电路

单相全桥逆变电路主要由逆变电路和控制电路组成。

逆变电路包括逆变全桥和滤波电路，其中逆变全桥完成直流到交流的变换．滤波电路滤除谐波成分以获得需要的交流电；控制电路完成对逆变桥中开关管的控制并实现部分保护功能。

单相桥式逆变电路S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。

S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电。

改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。

图2逆变电路及其波形

电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。

阻感负载时，io滞后于uo，波形也不同。

t1前：

S1、S4通，uo和io均为正。

 t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向。

 io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大 

2.1电压型逆变电路

2.1.1电压型逆变电路的特点：

1、直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。

2、交流侧输出电压为矩形波，输出电流和相位因负载阻抗不同而不同。

3、阻感负载时需提供无功功率。

为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。

2.1.2单相全桥逆变电路的移相调压方式：

共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。

两对桥臂交替导通180°。

输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。

改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。

阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压——移相调压。

V3的基极信号比V1落后θ（0＜θ＜180°）。

V3、V4的栅极信号分别比V2、V1前移180°－θ。

输出电压是正负各为θ的脉冲。

改变θ就可调节输出电压。

故移相调压就是调节输出电压的脉宽。

2.1.3带中心抽头变压器的逆变电路

交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。

两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。

Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：

1：

1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。

此电路与全桥电路的比较：

1）比全桥电路少用一半开关器件。

2）器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高一倍。

3）必须有一个变压器。

图2.1带中心抽头变压器的逆变电路

2.2电流型逆变电路

2.2.1电流型逆变电路主要特点：

1、直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。

2、交流侧输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。

输出电压波形和相位因负载不同而不同。

3、直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。

电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。

换流方式有负载换流、强迫换流。

2.2.2单相电流型逆变电路

图2.2单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路

此电路的工作原理如下：

1、由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。

2、工作方式为负载换相。

3、电容C和L、R构成并联谐振电路。

4、输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。

5、负载电路对基波呈现高阻抗而对谐波呈现低阻抗，故负载电压波形接近正弦波。

工作分析

一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段

1、t1~t2：

VT1和VT4稳定导通阶段，iｏ=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。

t2~t4：

t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段。

2、LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程。

VT2、VT3电流有一个增大过程。

3、4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。

4、LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。

5、iｏ在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点。

6、t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。

t4-t2=t称为换流时间。

图5并联谐振式逆变电路工作波形

2.2.3保证晶闸管的可靠关断及有关参数计算。

晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间t，t=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq。

为保证可靠换流，应在uo过零前t=t5-t2时刻触发VT2、VT3。

.

t为触发引前时间：

io超前于uo的时间：

表示为电角度：

ω为电路工作角频率；γ、β分别是对应的电角度。

忽略换流过程，io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数：

基波电流有效值：

负载电压有效值Uo和直流电压Ud的关系（忽略Ld的损耗，忽略晶闸管压降）：

实际上如中频加热过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式；定工作频率的控制方式称为他励方式。

自励方式存在起动问题，解决方法：

1）先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式；

2）附加预充电起动电路，形成衰减振荡后，再转入自励。

3单相桥式PWM逆变主电路设计

3.1逆变控制电路的设计

逆变电源控制电路的核心是SPWM发生器。

SPWM的实现包括分立电路、集成芯片和单片机实现。

它们的电气性能和成本有所不同，各有自己的优势和不足之处。

逆变电源SPWM电路的调制频率固定为50Hz不变，为了降低成本，这里用分立电路组成，如图所示。

图3.1单相SPWM逆变电源控制电路

放大第一路Tr1,Tr4输出，第二路Tr2,Tr3输出IC3输出正值比较IC4输出负值比较,图中，正弦波发生器和三角波发生器分别见下两图。

图3.2正弦波发生器

C1=0.08µ、R1=10k,C2=0.08µ,R2=1.8k,R3=1.8k,R6=180k,R4=1.6k,R5=1.6k

图3.3三角波发生器

上图中C1=0.2µ,C2=1µ,R1=100k,R2=22k,R3=10k,Rf=1M,R4=10k.

以标准的正弦波信号为参考，将输出电压的反馈信号与之相比较，经由IC1及其外围电路组成的PI型误差放大器调节后得到一个控制信号，送到IC2去调制三角波，既可得到SPWM波形。

IC3和IC4分别为正负值比较器，它们的输出信号分别IC5和IC6，从而将SPWM交替地分成两路，各自放大后驱动相应的开关管对，控制主回路完成SPWM逆变。

需要注意的是，驱动电路要将每一路信号分成相互隔离的两路，分别驱动处于对角位置上的两只开关管。

图3.4为双极性SPWM调制方式波形。

以上控制电路的特点是不仅能控制正弦波输出的有效值，还能调节输出电压的瞬时值，优化波形，减小谐波失真，提高带负载能力。

3.2正弦波输出变压变频电源调制方式

3.2.1正弦脉宽调制技术

随着逆变器控制技水的发展．电压型逆变器出现了多种的变压、变频控制方法。

目前采用较多的是正弦脉宽调制技术即SPWM控制技术。

单相全桥式电压型SPWM逆变器电路拓扑结构图如图3.5所示。

图3.5中S1~S4的通断由正弦脉宽调制产生的信号来控制。

SPWM正弦脉宽调制可分为双极性调制方式、单极性调制方式和单极性倍频调制方式。

图3.5主电路拓扑图

3.2.2单极性调制方式

单极性调制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：

另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。

但又不是固定其中一个桥臂始终为低频（输出基频），另一个桥臂始终为高频[载波频率），而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。

3.2.3双极性调制方式

 双极性调制方式的特点是4个功率管都工作在较高频率（载波频率），虽然能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。

在ur半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负。

在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平，仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件通断。

ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同，当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号，如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通， uo=Ud，当ur0，VD2和VD3通，uo=-Ud

图3.4双极性SPWM调制方式波形

3.2.4单极性倍频调制方式

单极性倍频调制方式的特点足输出SPWM波的脉动频率是单极性的两倍，4个功率管都工作在较高频率（载波频率），因此，开关管损耗与双极性相同。

4驱动和保护电路的设计

4.1 过电流保护

过电流保护采用电流互感器作为电流检测元件,其具有足够快的响应速度,能够在IGBT允许的过流时间内将其关断,起到保护作用。

如图11所示,过流保护信号取自CT2,经分压、滤波后加至电压比较器的同相输入端,如图11所示。

当同相输入端过电流检测信号比反相输入端参考电平高时,比较器输出高电平,使D2从原来的反向偏置状态转变为正向导通,并把同相端电位提升为高电平,使电压比较器一直稳定输出高电平。

同时,该过电流信号还送到SG3525的脚10。

当SG3525的脚10为高电平时,其脚11及脚14上输出的脉宽调制脉冲就会立即消失而成为零。

 图4.1过电流保护电路

4.2驱动电路的设计     

驱动电路的设计既要考虑在功率管需要导通时,能迅速地建立起驱动电压,又要考虑在需要关断时,能迅速地泄放功率管栅极电容上的电荷,拉低驱动电压。

具体驱动电路如图4.2所示   

 图4.2驱动电路

其工作原理是：

1、当光耦原边有控制电路的驱动脉冲电流流过时,光耦导通,使Q1的基极电位迅速上升,导致D2导通,功率管的栅极电压上升,使功率管导通;

2、当光耦原边无控制电路的驱动脉冲电流流过时,光耦不导通,使Q1的基极电位拉低,而功率管栅极上的电压还为高,所以导致Q1导通,功率管的栅极电荷通过Q1及电阻R3迅速泄放,使功率管迅速可靠地关断。

当然,对于功率管的保护同样重要,所以在功率管源极和漏极之间要加一个缓冲电路避免功率管被过高的正、反向电压所损坏。

5仿真实验

5.1单相桥式PWM逆变主电路原理图

图5.1单相桥式PWM逆变主电路原理图

5.2单极性控制电路原理图

图5.2控制电路原理图

5.3仿真所得波形

IGBT触发脉冲波形

图5.3IGBT1/4触发脉冲波形

图5.4IGBT1/4触发脉冲波形

DC/AC逆变波形

图5.5DC/AC逆变波形

当f=20Hz时，波形如图5.6所示

图5.6

当f=30Hz时，波形如图5.7所示

图5.7

当f=40Hz时，波形如图5.8所示

图5.8

当f=50Hz时，波形如图5.9所示

图5.9

当f=60Hz时，波形如图5.10所示

图5.10

当f=70Hz时，波形如图5.11所示

图5.11

当f=80Hz时，波形如图5.12所示

图5.12

当f=90Hz时，波形如图5.13所示

图5.13

当f=100Hz时，波形如图5.14所示

图5.14

7小结

经过一周的课程设计，我学会了matlab进行simulink仿真的功能，并且又重新温习了电力电子关于桥式逆变电路和PWM控制电路的内容，对以往上课的内容有了更加深刻的认识。

一开始本来打算用Ocard软件进行仿真设计的，但是无奈我们小组的电脑都是win8系统，在学校折腾了一下午都没有装上，无奈用了之前安装好的matlab，但是我们都已经忘了如何用matlab进行simulink仿真，于是又花了半天时间进行对matlab的学习。

我们选的课题并不难，在书上就有一模一样的电路，但是我们一开始的波形并不对，后来琢磨了一下，发现是载波不对，又重新调整载波的函数，但是无论如何都无法调对，后来上网查了相关电路，但是波形还是不对，后来在老师的帮助下，终于做出了波形。

通过此次实验设计，熟悉并掌握电力电子器件的实用，对一些常用的主电路或保护电路等有深入的了解。

大致上了解了单相桥式PWM逆变电路的设计，基本掌握了单相桥式PWM逆变电路的工作原理，通过仿真对电路和工作原理进一步理解，在设计以及仿真过程中所遇到的问题能过综合运用所学知识，或者在网上找些资料解决在单相桥式全控整流电路和系统设计中的一些问题，因此对单相桥式PWM逆变电路的拓扑，控制的方法，系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，元器件的选择计算方法等有比较深刻的体会。

 同时也进一步学习运用了matlab软件，学会了使用scop观察波形，而不是使用out模块在MATLAB中调用，而且使用simulink对单相桥式PWM逆变电路仿真结果进行了详细分析，验证了仿真结果的正确性。

应用matlab进行仿真，在仿真过程中可以领过改变仿真参数，并且能直观地观察到仿真结果随参数变化情况，适合电力电子的研究，也为我日后的电路设计与研究打下了坚实的基础。

在本次实验中，在此次课程设计中，我学习到了matlab和单相逆变电路的使用方式，也进一步深化的对电力电子的认识和学习，使我在平时在课堂上学习到的知识进行了一个系统的综合的运用。

使得平日学习的内容不再是简单的文字知识，而是可以自己动手调试并做出结果，可以运用的知识。

感谢老师给我这次机会，也感谢同组成员的帮助和努力。

8参考文献

1、孙树朴等、电力电子技术（第一版）、中国矿业大学出版社、1999

2、邵丙衡、电力电子技术（第一版）、铁道出版社、1997

3、王兆安，黄俊、电力电子技术（第四版）、机械工业出版社、2008

4、叶斌、电力电子技术习题集（第一版）、铁道出版社、1995

5、赵良炳、现代电力电子技术基础（第一版）、清华大学出版社、1995