前言
電力電子技術是跨越電力技術、電子技術和控制理論三個領域的一門新興交叉學科，它主要研究應用于電力領域的各種電力半導體器件及其裝置，以實現對電能的變換和控制。它可以看成是弱電控制強電的技術，是弱電和強電之間的接口。電力電子技術廣泛應用于一般工業、交通運輸、電力系統、通信系統、計算機系統、新能源系統等。該課程已成為電氣工程與自動化、自動化、電力系統自動化等電類專業的重要專業基礎課。三相橋式 SPWM 逆變電路是電力電子技術中應用最廣泛的電路之一，因而也是電力電子技術課程中非常重要的一部分內容。掌握和深刻理解該電路原理有助于正確設計和使用實際的三相 SPWM 逆變電路。由于此電路較為復雜，理解較為困難，所以借助仿真手段，容易得到其復雜的動態變化的波形。為此，本文建立三相SPWM 逆變電路仿真模型，仿真分析其典型電流、電壓波形，分析其工作過程。
摘要
本文設計了一個三相橋式PWM控制的逆變電路。PWM控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術,如果脈沖的寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形,也稱為SPWM波形。該設計包括主電路、驅動電路、SPWM信號產生電路等方面的設計。該逆變器主電路采用的開關器件是IGBT；控制電路采用三個“sine wave”環節生成三相正弦調制信號，再與”triangular wave”環節產生的三角波比較產生三路驅動信號。反相后接入主電路。
目錄
前言
摘要
1、課題背景.................................................................1
2、三相橋式 SPWM 逆變器設計內容及要求.............2
3、SPWM 逆變器工作原理.........................................3
4、MATlAB 仿真設計..................................................4
5、結果分析................................................................6
6、個人總結................................................................8
一、課題背景
正弦逆變電源作為一種可將直流電能有效地轉換為交流電能的電能變換裝置被廣泛地應用于國民經濟生產生活中 ,其中有:針對計算機等重要負載進行斷電保護的交流不間斷電源 UPS (Uninterruptle Power Supply) ;針對交流異步電動機變頻調速控制的變頻調速器;；針對智能樓宇消防與安防的應急電源EPS ( Emergence Power Supply) ;針對船舶工業用電的岸電電源 SPS(Shore Power Supply) ;還有針對風力發電、太陽能發電等而開發的特種逆變電源等等. 隨著控制理論的發展與電力電子器件的不斷革新 ,特別是以絕緣柵極雙極型晶體管 IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor) 為代表的自關斷可控型功率半導體器件出現 ,大大簡化了正弦逆變電源的換相問題 ,為各種 PWM 型逆變控制技術的實 現提供了新的實現方法 ,從而進一步簡化了正弦逆變系統的結構與控制. 電力電子器件的發展經歷了晶閘管（SCR）、可關斷晶閘管（GTO）、晶體管（BJT）、場效應管（MOSFET)、絕緣柵晶體管（IGBT）等階段。目前正向著大容量、高頻率、易驅動、低損耗、模塊化、復合化方向發展。隨著電力電子技術的飛速發展，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：一是穩態精度高；二是動態性能好。因此，研究開發既簡單又具有優良動、靜態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。本文針對雙極性PWM調制的三相橋式逆變電路進行MATLAB仿真，電路采用大功率的IGBT器件。
二、三相橋式 SPWM 逆變器的設計內容及要求
對三相橋式PWM逆變電路的主電路及控制電路進行設計，參數要求如下：主電路的兩個直流電壓為100 V。三相阻感負載，負載中R=1Ω ,L=10mH。
理論設計：了解掌握三相橋式PWM逆變電路的工作原理，設計三相橋式PWM逆變電路的主電路和控制電路。包括：（1）IGBT相關參數的計算和器件的選擇;（2）驅動電路的設計;（3）畫出主電路原理圖和控制原理圖。
仿真試驗：利用MATLAB仿真軟件對三相橋式PWM逆變電路的主電路及控制電路進行仿真建模，并進行仿真試驗。
三、SPWM 逆變器的工作原理
由于期望的逆變器輸出是一個正弦電壓波形，可以把一個正弦半波分作 N 等分。 然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合。這樣，由N個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形為正弦的半周等效。同樣，正弦波的負半周也可用相同的方法來等效。 這一系列脈沖波形就是所期望的逆變器輸出 SPWM 波形。由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，也就是說，這種交一直一交變頻器中的整流器采用不可控的二極管整流器就可以了。逆變器輸出脈沖的幅值就是整流器的輸出電壓。當逆變器各開關器件都是在理想狀態下工作時，驅動相應開關器件的信號也應為與形狀相似的一系列脈沖波形，這是很容易推斷出來的。 從理論上講，這一系列脈沖波形的寬度可以嚴格地用計算方法求得，作為控制逆變器中各開關器件通斷的依據。 但較為實用的辦法是引用通信技術中的“調制”這一概念，以所期望的波形(在這里是正弦波) 作為調制波 (ModulationWave )，而受它調制的信號稱為載波(Carrier Wave )。在 SPWM中用三角波作為載波，因為三角波是上下寬度線性對稱變化的波形，當它與任何一個光滑的曲線相交時，在交點的時刻控制開關器件的通斷，即可得到一組等幅而脈沖寬度正比于該曲線函數值的矩形脈沖，這正是 SPWM 所需要的結果.
圖1三相橋式PWM逆變電路原理圖
四、MATlAB 仿真設計
三相橋式PWM逆變電路仿真模型如圖2所示，主電路中兩個直流電源電壓均為100V。經由六只IGBT構成的橋式逆變電路與三廂電阻電感負載連接（電阻R=1,電感L=10mh)。控制電路采用三個“sine wave”環節生成三相正弦調制信號，頻率為50Hz，調制信號與”triangular wave”環節產生的三角波(頻率為1000Hz）比較產生三路驅動信號分別連接到IGBT/diode、IGBT/diode1和IGBT/diode2,同時三路驅動經反相后連接到IGBT/diode5、IGBT/diode4和IGBT/diode3。當正弦調制信號幅值為0.7（即調制度為0.7）時，電路的仿真波形圖如圖3。U、V、W三相的PWM控制公用一個三角波載波，三相的調制信號依次相差120°。U、V、W各相功率開關器件的控制規律相同，現以U相為例來說。當U相調制信號大于三角波時，給上橋臂IGBT/diode以導通信號，給下橋臂V2以關斷信號，則U相相對于直流電源假想中點N’的輸出電壓uUN’=Ud/2。當U相調制信號小于三角波時，給IGBT/diode5以導通信號，給IGBT/diode以關斷信號，則uUN’=-Ud/2。IGBT/diode與IGBT/diode5的驅動信號始終是互補的。當給IGBT/diode(IGBT/diode5)加導通信號時，可能是IGBT/diode(IGBT/diode5)導通，也可能是二極管續流導通，這要由阻感負載中電流的方向來決定，這和單項橋式PWM逆變電路在雙極性控制時的情況相同。V相及W相的控制方式都與U相相同。
圖2三相橋式PWM逆變電路仿真模型
五、結果分析
仿真結果如圖3所示，可以看到三個互差120°的正弦波與高頻三角波進行比較再對結果進行反相的控制波，控制IGBT的導通與關斷，進而產生下面的波形，電壓UN’、 VN’、 WN’的PWM波形都只有正負Ud/2兩種電平，線電壓UV的波形可以由電壓UN’-VN’得出�？梢钥闯霎敇虮�1和4導通時，電壓UV=Ud,當橋臂1和3導通或2和4導通時，電壓UV=0。因此逆變器輸出線電壓PWM波由正負Ud和0三種電平構成。負載相電壓的PWM波則由正負2/3Ud、正負1/3Ud和0五種電平組成。由圖中的波形可以看出，通過對脈沖寬度的調制等效成正弦波。在電壓型逆變PWM控制中，同一相連接的兩個橋臂的驅動信號是互補的。但是實際上為了防止上下兩個橋臂直通而造成的短路，在上下兩橋臂通斷切換時要留一小段上下橋臂都施加關斷信號的死區時間。死區時間的長短主要由功率開關器件決定。這個死區時間將會給輸出PWM波形帶來一定的影響，使0其稍微偏離正弦波。圖3中PWM波形里面正的脈沖代表正弦波的正半周負的脈沖即代表正弦波的負半周期從而組成正弦波的一個周期，不同的脈沖寬度模擬成正弦波不同的幅值。
經過對波形的分析我們可以看出：1)SPWM控制逆變器可以很好的把直流電逆變成我們所需要的交流電；2) 負載或者電源的變化會影響逆變的輸出電壓。
圖3三相橋式PWM逆變電路仿真模型
將正弦波頻率增加一倍，發現上下PWM波形依照正選的脈沖寬度的調制的波形周期也縮小了一倍，如圖4.
圖4正弦波頻率增加一倍后三相橋式PWM逆變電路仿真模型
圖5將直流電源電壓增加一倍后的三相橋式PWM逆變電路仿真模型
六、個人總結
通過對課題的研究，使我進一步深化了對電力電子技術的認識，首先對電力電子器件的使用有了一定的了解，例如：晶閘管，GTO、GTR、MOSFET、IGBT等，對電力電子器件的發展與未來趨勢有了一定的認識，其次我對PWM技術的原理與電路的構造、搭建進行了深入的學習，這也使我對PWM技術有了一些比較基礎的認識，最后，通過這次用MATLAB對三相橋式PWM逆變電路的仿真，使我對MATLAB仿真產生了濃厚的興趣，通過學習，我認識了一些SIMLINK庫里面的元器件，以及電路搭建的方法�；仡櫞舜坞娏﹄娮蛹夹g課程設計，感慨頗多，先是選題，然后查閱各種資料，重新溫習課本，再在網上尋找相關論文參考，在腦海里有一個清晰的構架，然后利用MATLAB仿真，中間也遇到了很多的小問題，先是破解版的無法運行，后來發現元器件庫里面都是英文的，然后花時間去網上查每個器件的英文名稱，后來搭建電路運行出現錯誤，然后查閱資料發現缺少了powergui，添加了以后又發現有錯誤，The block diagram 'three phase inverter pwm' uses bus signals. However, the 'Mux blocks used to create bus signals' diagnostic is not configured to 'error'. To prevent modeling errors:，然后運行Upgrade Advisor進行檢查然后又對其重新進行配置電路才成功的運行出波形，為了把電路搭建的整齊，經過幾次調整，最終搭建成功，雖說是苦多于甜，但是可以學到很多的東西，不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多只有在實踐中才能學習到的知識。在設計的過程中遇到很多問題，甚至可以說是困難重重，畢竟第一次做，難免會遇到各種各樣的問題，比如有時候被一些微不足道的小問題，細節上的問題困住了，最后解決這些小問題就花費了不少的時間。最后在網上找相關的資料去查閱，再經過自己的摸索最終解決。我在做設計的過程中發現有很多東西，也知道自己的很多不足之處，知道自己對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。在經歷了實踐后才發現認真仔細的研究課本中的基礎，吃透了最基礎的東西才能對更深層次的東西有一定的認識，之前不在意的原理，后來都要自己再去自學，再補回來。“有志者，事竟成”，在一次又一次的失敗中堅持下來，我也學到了很多東西。概而言之，萬事開頭難，剛選定課題后，思緒全無，感覺無從下手，最后還是重新溫習課本，然后查閱課外書籍，才有了思緒，所謂書到用時方恨少。經過了對原理的深入研究，對網上查到的論文進行認真的閱讀，思路積累的差不多的時候，境況有了質的改變，有了一定的思路，有了下一步的計劃，知道從何下手、怎么去做。在設計中遇到很多問題，最后在努力下終于迎刃而解。同時發現還有很多工具及理論以后亟待學習。實踐培養了我們嚴謹科學的思維方式，這種思維方式又是溝通理論與實踐的橋梁，加強和鞏固了所學的知識，加深對理論知識的理解；培養了查閱、學習文獻的能力，特別是利用互聯網尋找我們需要的學術論文與資料，如何充分利用學校的電子圖書館，查閱中國知網上面的文獻和論文；總得來說這次結課設計使我做到了一下幾點的提高：提高了對電力電子技術知識的掌握水平；提高了綜合分析問題、發現問題和解決問題的能力；提高了綜合運用知識的能力和設計能力；提高了運用仿真軟件能力；也提高了論文寫作水平。
|
QQ好友和群
QQ空間
騰訊微博
騰訊朋友
收藏
淘帖
頂
踩
