基于MATLAB的三相桥式PWM逆变电路资料

1、交流调速系统课程设计题目： 三相桥式SPWM逆变器的仿真设计班级：_0姓名：学号：指导老师：目录摘要2关键词2绪论2三相桥式SPWM逆变器的设计内容及要求3SPWM逆变器的工作原理31工作原理52限制方式63正弦脉宽调制的算法9MAT1AB仿真设计12硬件实验19实验总结23附录 Matab简介24参考文献2418三相桥式SPWM逆变电路设计摘要:随着电力电子技术的飞速开展,正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在 各个领域中,与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的 要求.对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是 动态性能好.因此,研究开发既简单乂具有优

2、良动、静态性能的逆变器限制策略, 已成为电力电子领域的研究热点之一.在现有的正弦波输出变压变频电源产品中,为了得到SPWM波,一般都采用 双极性调制技术.该调制方法的最大缺点是它的6个功率管都工作在较高频率 载波频率,从而产生了较大的开关损耗,开关频率越高,损耗越大.本实验针 对正弦波输出变压变频电源SPWM调制方式及数字化限制策略进行了研究,以 SG3525为主控芯片,以期得到一种较理想的调制方法,实现逆变电源变压、变 频输出.关键词:逆变器SPWM逆变器的丄作原理正弦脉宽调制的调制算法 单极性正弦脉宽调制 双极性正弦脉宽调制自然采样法规那么采样法双极性正弦波等面积法一、绪论正弦逆变电源作为

3、一种可将直流电能有效地转换为交流电能的电能变换装 置被广泛地应用于国民经济生产生活中,其中有:针对计算机等重要负载进行断 电保护的交流不间断电源UPS Uninterruptle Power Supply;针对交流异步电动 机变频调速限制的变频调速器;针对智能楼宁消防与安防的应急电源EPS Emergence Power Supply;针对船舶工业用 电的岸电电源SPSShore Power Supply;还有针对风力发电、太阳能发电等而开发的特种逆变电源等等.随着限制 理论的开展与电力电子器件的不断革新,特别是以绝缘栅极双极型晶体管 IGBT Insulated Gate Bipolar T

4、ransistor为代表的自关断可控型功率半导体器件岀 现,大大简化了正弦逆变电源的换相问题,为各种PWM型逆变限制技术的实 现提供了新的实现方法,从而进一步简化了正弦逆变系统的结构与限制.电力电子器件的开展经历了晶闸管SCR、可关断晶闸管GT0、晶体管BJT、 绝缘栅晶体管IGBT等阶段.口前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、 模块化、复合化方向开展,与其他电力电子器件相比,IGBT具有高可鼎性、驱 动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点,为了到达这些高性能, 采用了许多用于集成电路的工艺技术,如外延技术、离子注入、精细光刻等.IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可

5、以承受电流冲击.它 的并联不成问题,山于本身的关断延迟很短,其串联也容易.尽管IGBT模块在 大功率应用中非常广泛,但其有限的负载循环次数使其可鼎性成了问题,其主要 失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度,另外,绝缘材料的缺陷也 是一个问题.二、三相桥式SPWM逆变器的设计内容及要求对三相桥式spwm逆变电路的主电路及限制电路进行设计,参数要求如下：直 流电压为100 V.三相阻感负载,负载中R二2.,L二ImH,要求频率范围：10Hz、100Hz. 设计要求：1.理论设计：了解掌握三相桥式PWM逆变电路的工作原理,设计三相 桥式PWM逆变电路的主电路和限制电路.包括：IGBT电流,电

6、压额定的选择驱动保护电路的设讣画出完整的主电路原理图和限制原理图列出主电路所用元器件的明细表2. 仿真试验：利用MATLAB仿真软件对三相桥式spwm逆变电路的主电路及控 制电路进行仿真建模,元件管脚数,并进行仿真试验.3. 实际制作：利m PROTEL软件绘出原理图,结合具体所用外型尺寸,考虑散 热和抗干扰等因素,设ti PCB印刷电路板.最后完成系统电路组装,调试.三、SPWM逆变器的工作原理山于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形,可以把一个正弦半波分作X等 分.然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高 矩形脉冲来代替,矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合.这

7、样,由N 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效.同样,正弦波的负半 周也可用相同的方法来等效.这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形.山于各脉冲的幅值 相等,所以逆变器可山恒定的直流电源供电,也就是说,这种交一直一交变频器 中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了见图2-1, 2-2, 2-3 .逆变 器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压.当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时,驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形,这是 很容易推断出来的.从理论上讲,这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得,作为控 制逆变器中各开关器件通断的依据.但较为实

8、用的方法是引用通信技术中的“调 制这一概念,以所期望的波形在这里是正弦波作为调制波 ModulationWave ,而受它调制的信号称为载波Carrier Wave .在SPWM中 常用等腰三角波作为载波,由于等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形,当 它与任何一个光滑的曲线相交时,在交点的时刻限制开关器件的通断,即可得到 一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲,这正是SPWM所需要的结 果50HZ调压调频2-1可控整流器调压、六拍逆变器变频ACDC y斬波器DCA50HZ不可控整流j调压调频2-2不控整流、斩波器调压、六拍逆变器变频调压调频2-3不控整流.PWM逆变器调压调频1.工作

9、原理图2-4是SPWM变频器的主电路,图中VTVT6是逆变器的六个功率开关器 件(在这里画的是IGBT),各由一个续流二极管反并联,整个逆变器由恒值直流 电压U供电.图2-5是它的限制电路,一组三相对称的正弦参考电压信号 由参 考信号发生器提供,其频率决定逆变器输出的基波频率,应在所要求的输出频率 范围内可调.参考信号的幅值也可在一定范围内变化,决定输出电压的大小.三 角载波信号"u是共用的,分别与每相参考电压比拟后,给出“正或"零的 饱和输出,产生SPWM脉冲序列波U肿U上 作为逆变器功率开关器件的 驱动限制信号.当匕舁加=一匕/2时,给V4导通信号,给VI关断信号uUN

10、.=-Ud/2 给VI (V4)加导通信号时,可能是VI (V4)导通,也可能是VD1 (VD4)导通.匕和 叭的的PWM波形只有±Ud/2两种电平.当urU>uc时,给VI导通信号,给V4 关断信号,uUN,=-Ud/2O Uuv波形可由UUN. -UVN.得出,当1和6通时, 11 uv =Ud ,当3和4通时,二一匕,当1和3或4和6通时,Uuv =0.输出 线电压PWM波由土Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(±2/3)匕、(±1/3) «和0共5种电平组成.防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补,为预防上下臂直通而造 成短路,

11、留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间.死区时间的长短主要山开 关器件的关断时间决定.死区时间会给输出的PWM波带来影响,使其稍稍偏离正 弦波.三相正弦波发生器驱动逆 变器的 开关元 件三角波发生器2-5限制电路2.限制方式脉宽调制的限制方式从调制脉冲的极性上看,可分为单极性和双极性之分: 参加调制的载波和参考信号的极性不变,称为单极性调制;相反,三角载波信号 和正弦波信号具有正负极性,那么称为双极性调制.(1)单极性正弦脉宽调制单极性正弦脉宽调制用幅值为匕的参考信号波匕与幅值为频率为fo的 三角波/比拟,产生功率开关信号.其原理波形如图2-6所示.图2-6是用单 相正弦波全波整流电压信号与单

12、向三角形载波交截,再通过倒相产生功率开关驱 动信号.参考波频率fr决定了输出频率fo,每半周期的脉冲数P决定于载波频率fco 即：(2-1)用参考电压信号的幅值Ur,与三角形载波信号的幅值Uc的比值,即调制度 m = Ur/Uc,来限制输出电压变化.当调制度由01变化时,脉宽由0几/p变化, 输出电压III 0" E变化.如果每个脉冲宽度为0,那么输出电压的傅里叶级数展开 式为：oo(0 = 2L (A? cos “3.+ sin ncoO)H-I(2-2)系数An和Bn山每个脉宽为0,起始角为a的正脉冲来决定和对应的负脉 冲起始角n + a来决定.如果笫j个脉冲的起始角为«

13、;j那么有人 匕4EnOA = > sincosy = l U712(23a)= > sin sin n cr + 台"2 LI山式(2-3a)、式(2-3b)可讣算输出电压的傅里叶级数的系数.f2E.4 = L S1sin n (cij + 0) - sin na-F cosna; -cos0.(2-3b)(2 - 4a)(2-4b)( e a, + 7 22-6 单极性正选脉宽调制SPWM原理波形(2)双极性正弦脉宽调制双极性正弦脉宽调制的输出电压uO(t)波形在02八区间关于中央对称、在000J区间关于轴对称,其傅里叶级数展开式为t/o(0= Z Bn Sin nC

14、Ot几=1.3.5(2-5)B如 sinmxd(dx) 式(2-5)中输出电压uO (t)可看成是幅值为E,频率为f.的方波与幅值为2E、频率为fc的负脉冲序列(起点和终点分别为色心2,勺°2“"勺卩的叠加.因此j E sin ncotd () - j* E sin ncotd (cot)(2-6)4Enn1 -为(cos na- cos na2,)-f 4Esinna)td(cot)f Esinncatd(a)t)那么输出电压为x 4F5(甘z兰1 -,( COS Hd、 - COS Ha2 j ) sisin ncot (27)输岀电圧基波分量l(t)为sin ncot

15、(2-8)4E卩 /、t/01 (f)= 1 _ 力(cosna2 一 _cos na2 J n 兀j-i需要注意的是,从主回路上看,对于双极性调制,由于同一桥臂上的两个开 关元件始终轮流交替通断,因此容易引起电源短路,造成环流.为预防环流,就 必须增设延时触发环节,设置死区.3正弦脉宽调制的调制算法三角波变化一个周期,它与正弦波有两个交点,限制逆变器中开关元件导 通和关断各一次.要准确的生成SPWM波形,就要精确的计算出这两个点的时间. 开关元件导通时间是脉冲宽度,关断时间是脉冲间隙.正弦波的频率和幅值不同 时,这些时间也不同,但对计算机来说,时间山软件实现,时间的限制山定时器 完成,是很方

16、便的,关键在于调制算法.调制算法主要有自然采样法、规那么采样 法、等面积法等.1. 自然采样法根据SPWM限制的根本原理,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2-8所示图2-8自然采样法原理图2. 规那么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,乂提出了规那么 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央线对称.这样, 图2-9中的法.计算就大大简化了.3. 双极性正弦波等面积法正弦波等面积算法的根本原理为:将一个正弦波等分成h,个区段,区段数a 一定是6的整数倍,由于三相正弦波,各项相位互差120.,要从

17、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.由图2-10可见,乩越大, 输出波形越接近正弦波.在每一个区段,等分成假设干个等宽脉冲(N),使这'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升开关频率,改 善波形,乂可以减少计算新脉冲的数量,节省计算机计算时间川山.如图2-10所 示其正弦波面积为A=J Un sincatdcot =U“ (coscotx - coscot2)J、1图2-10正弦波等面积法生成SPWM输岀频率/与区段数乩,每个区段脉冲数N及脉冲周期7；讪之间的关/ =h(ntE四、MAT1AB仿真设计1主电路整个三相桥式PWM逆变电路的

18、设计分为两块一一主电路局部和限制电路部 分.据原理图1,在Simulink中搭建系统主电路如下列图所示.主要用到了 simpowersystems匸具箱和Simulink工具箱.图中的逆变主电路用Universal Bridge那么更加简单.图中的变圧器起到隔离作用,使得spwm波和负载波形同时 能测取.主电路原理图如下:图211 主电路原理图2限制电路设计限制电路原理如下：据自然釆样法,三个互差120.的正弦波与高频三角载 波进行比拟,每路结果再经反相器产生与原信号相反的限制波,分别限制上下桥 臂IGBT的导通与关断.这样产生的六路spwm波分别限制六个IGBT的通断,从 而在负载端产生与调

19、制波同频的三相交流电.图中的三角载波用S函数产生.产生频率为30HZ时的实验将限制电路中的三相正弦波函数发生器Sine Wave的频率调为30HZ,即在频率 参数栏中输入60：pi,那么系统输出频率也应为30HZ.仿真运行系统,显示如图2-13所示.图2-13频率为30HZ仿貞模型从图2-13可以看出,系统输出正弦波周期为0. 033s左右,即频率约为30H乙前 三路波形分别为.Uz 第四路为滤波前的g,第五路为滤波后的Uv,o 产生频率为50HZ时的实验从图2-14可以看出,系统输出正弦波周期为0.02s,即频率为50HZ.产生频率为100HZ时的实验从图2-15可以看出,系统输出正弦波周期

20、为0.01s,即频率为lOOHZo4滤波装置图216 LC滤波装置L为工频电感,电感量可选为12mH.为减小噪声,选闭合铁芯,如0D型硅钢铁芯(400Hz)或铁粉芯铁芯C为工频电容,可以选CBB61-10MF-250VAC.带滤波频率为三正弦波源电压幅值0. 8V时逆变波形图图2-17带滤波的电流J电压朋带滤波,为50/thz,三正弦波源电压幅值0.8V时逆变波形图11-X /'jr!/ : / / / f.J.Kf/图2-18带滤波的电流,电压 %、% 图加LC滤波装置后发现输岀电流匚电压"沖加为标准正弦波通过调节信调节信号波波的fo,化影响SPWM的频率和脉宽改变IGBT

21、导通时间,从而可 改变输出电压电流频率幅值.六、心得体会这次课程设计历时三个星期多左右,通过这三个星期的学习,发现了自己的 很多缺乏,自己知识的很多漏洞,看到了自己的实践经验还是比拟缺乏,理论联 系实际的水平还急需提升.课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提岀, 分析和解决实际问题锻炼实践水平的重要环节,是对学生实际工作水平的具体训 练和考察过程.回忆此次课程设计,至今我们仍感慨颇多,确实,从选题到定稿,从理论 到实践,在整整三星期的日子里,可以说得是苦多于甜,但是可以学到很多很多 的的东西,同时不仅可以稳固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书本上所 没有学到过的知识.在设计的过程中遇

22、到问题,可以说得是困难重重,这毕竟笫 一次做的,难免会遇到过各种各样的问题,比方有时候被一些小的,细的问题挡 住前进的步伐,让我们总是为了解决一个小问题而花费很长的时间.最后还要查 阅其他的书籍才能找出解决的方法.自己看起来多完美的设计在实践下就漏洞白 出了.并且我在做设计的过程中发现有很多东西,也知道自己的很多缺乏之处, 知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固.以前认为学了 没用的课程现在也用到了.所谓“态度决定一切S于是偶然乂必然地收获了诸多,概而言之,大约以 下儿点：奩故而知新.课程设计开始的时候思绪全无,举步维艰,对于理论知识学习 不够扎实的我们深感“书到用时方恨少S

23、于是想起圣人之言“温故而知新S便 重拾教材与实验手册,对知识系统而全面进行了梳理,遇到难处先是苦思冥想再 向同学请教,终于熟练掌握了根本理论知识,而且领悟诸多平时学习难以理解掌 握的较难知识,学会了如何思考的思维方式,找到了设计的灵感.思路即出路.当初没有思路,诚如举步维艰,茫茫大地,不见道路.在对理 论知识梳理掌握之后,茅塞顿开实践岀真知.到今天,课程设计根本告成,才切身领悟“实践是检验真理的 唯一标准学海无涯,学无止境.尽管课程设计是在本学期开始,我们的教材学 习完毕,掌握许多知识,但是还有很多地方理解领悟不到位,山于SPWM限制信 号的产生比拟复杂,我们查阅很多资料,尝试过用不同方法设计

24、产生,比方分立 元件,集成芯片,最终选择了用SG3524集成芯片,电路接线虽很复杂,但其能 实现的功能很强大,以后还需进一步学习运用.最后我们还尝试用PROTEL DXP 设计画出局部的实际电路板图,要考虑更多的问题提出了更高要求.这次课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多问题,最后在努力下 终于迎刃而解.同时发现了还有很多工具及理论以后亟待学习.它培养了我们严 严谨科学的思维,通过它架起理论与实践桥梁.附录 Matab简介MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开 发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环 境,主要包括MATLAB和Simulink两大局部.MATLAB 是矩阵实验室Matrix Laboratory的简称,和 Mathemati ca>