单极性SPWM逆变电路电力电子课设

1、电力电子技术课程设计 单极性 SPWM 单相桥式逆变电路的设计与仿真 院、 部： 电气信息工程学院 学生姓名： 李旺 指导教师： 杨万里职称助教 专 业： 自动化 班 级： 1401 班 学 号： 1430740107 完成时间： 2017.6 湖南工学院电力电子技术课程设计课题任务书 指导教师 杨万里 学生姓名 李旺 课题名称 单极性 SPWM 单相桥式逆变电路的设计和仿真 内 容 及 任 务 一、 设计任务 设计一个单极性 SPWM 单相桥式逆变电路，已知直流输入电压 100V，负载 自拟，要求交流输出电压频率为 50Hz，并仿真载波比 N = 15 和 33，调制度a 为 0.5 和1

2、时相关波形。 二、 设计内容 1、 关于本课程学习情况简述； 2、 主电路的设计、原理分析和器件的选择； 3、 控制电路的设计； 4、 保护电路的设计； 主要参考资料 1 王兆安电力电子技术M.第四版.北京：机械工业出版社，2004.1. 2 贾立柱，刘晓龙.基于 MATLAB 的升降压斩波电路的仿真.北京：华北 电力大学，2001. 3 曲永印.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2013. 4 陈治明.电力电子器件基础M.北京：机械工业出版社，1992. 教 研 室 意 见 教研室主任：（签字） 年 月曰 学院：电气与信息工程学院 专业：自动化 20世纪80年代以来，信息电子技术和电力电

3、子技术在各自发展的基础上 相结合而产生了一代高频化、全控型的电力电子器件，典型代表有门极可关断晶 闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管。 逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。这里在研究单相桥式 PWM逆变电路的理论基础上，采用 Matlab的可视化仿真工具Simulink建立单 相桥式单极性控制方式下PWM逆变电路的仿真模型，通过动态仿真，研究了调 制深度、载波度对输出波形的影响。仿真结果表明建模的正确性，并证明了该模 型具有快捷、灵活、方便、直观等一系列特点，从而为电力电子技术教学和研究 中提供了一种较好的辅助工具。 关键词：PWM控制技术；逆变电路；单极性 SPW

4、M ； SimulinkAbstract Since 1980s, the electr onic in formati on tech no logy and power electr onics tech no logy comb ined to produce a gen erati on of high freque ncy phase in their developme nt, full con trolled power electro nic devices, a typical gate turn off thyristor, power tran sistor, power

5、 MOSFET and in sulated gate bipolar tran sistor. The inverter circuit is one of the most important applications of PWM control tech no logy. Here in the theoretical basis of the sin gle-phase bridge inv erter circuit of the PWM, the simulation model of PWM inverter using Matlab visual simulation too

6、l Simuli nk to establish the sin gle-phase bridge un ipolar con trol mode, through dyn amic simulation, studied the modulation depth, the carrier frequency of the output voltage. In flue nee of load curre nt; and an alyzes the harm onic characteristics of output voltage, load current. The simulation

7、 results show that the model is correct, and it is proved that the model is fast, flexible, convenient, intuitive and a series of characteristics, so as to power electr onic tech no logy teach ing Study and research provides an effective tool. Key words: PWM con trol tech no logy; inv erter circuit;

8、 SPWM waveform; Simuli nk1 绪言 . 1 1.1电力电子技术的概况. 1 1.2课程学习情况简介 . 1 1. 3设计要求及总体方案设计 . 2 2 主电路设计 . 3 2. 1主电路原理图及原理分析 . 3 2. 2器件选择及参数计算 . 4 3控制与驱动电路设计 . 5 3. 1控制电路设计. 5 3. 2驱动电路设计 . 6 4保护电路设计 . 7 4. 1过电流保护 . 7 4. 2过电压保护 . 7 5 仿真分析 . 8 5. 1仿真软件介绍. 8 5. 2仿真模型的建立 . 8 5. 3仿真结果分析 . 10 6 设计总结 . 13 参考文献 . 14 致

9、谢 . 15 附录 . 161 绪言 1.1 电力电子技术的概括 随着电力电子技术的高速发展， 逆变电路的应用非常广泛， 蓄电池、 干电 池、太阳能电池等都是直流电源， 当我们使用这些电源向交流负载供电时， 就需 要用到逆变电路了。另外，交流电动机调速用变频器，不间断电源，感应加热电 源等电力电子设备使用非常广泛， 其电路的核心部分都是逆变电路。 有人甚至说， 电力电子技术早起曾处于整流器时代，后来则进入逆变器时代。 随着各行各业对电气设备控制性能要求的提高， 逆变电路在许多领域获得了 越来越广泛的应用。下面例举的是其几个方面的主要应用。 （1）光伏发电 能源危机和环境污染是目前全世界面临的重

10、大问题， 开发利用新能源和可再 生能源是 21 世纪经济发展中最具有决定性影响的技术之一，充分开发利用太阳 能世界各国可持续发展的能源战略决策， 其中光伏发电最受瞩目。 太阳能光伏发 电就是将由太阳电池阵列产生的直流电， 通过逆变电路变换为交流电供给负载或 并入电网，供用户使用。 （2）不间断电源系统 在通信设备、医疗设备等对电源持续供电要求高的设备中都需要采用不间断 电源UPS UPS的主要构件有充电器和逆变器。在电网有电时，充电器为蓄电池 充电，负载由电网供电； 在电网停电时， 逆变器将蓄电池提供的直流电逆变成交 流电供给用电设备。 （3） 交流电动机变频调速 采用逆变技术将普通交流电网电

11、压变化成电压、 频率都可调的交流电， 供给 交流电动机，以便调节电动机的转速。 （4） 直流输电 由于交流输电架线复杂、 损耗大、电磁波污染环境， 所以直流输电是一个发 展方向，首先把交流电整流成高压直流电， 再进行远距离输送， 然后再逆变成交 流电供给用电设备。 （5） 风力发电 风力发动机因受风力变化的影响， 发出的交流电很不稳定， 并网或供给用电 设备都不安全， 可以将其整成直流， 然后再逆变成比较稳定的交流， 就能安全的 并到交流电网上或直接供给用电设备。 1. 2 课程学习情况简介 通过本课程的学习，对电力电子技术有了初步的了解和认识， 主要体现在以 下四大方面： 第一，电力电子器件

12、的学习。包括电力二极管，普通晶闸管，以门极关断晶 闸管、双极晶体管、功率场效应管为代表的全控型器件。 第二，基本电力电子电路的学习。整流电路，逆变电路，直流 -直流变流电 路，交流-交流变流电路。 第三，PWM技术和软开关技术。其中PWM技术是本课程设计的重要理论 基础。 第四，电力电子装置的应用。 1. 3 设计要求及总体方案设计 设计一个单极型SPWM单相桥式逆变电路，已知直流输入电压 100V，负载 自拟，要求交流输出电压频率为50Hz,并仿真载波比N= 15和33,调制度a为 0.5和1时相关波形。 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以 电力电子器件为核心

13、的主电路组成一个系统。 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，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱 动电力电子开关时就无需驱动电路。根据功能要求，该系统应包括逆变主电路、 SPWM信号产生电路、过电流保护、驱动电路、直流稳压电源和滤波输出电路 等模块，系统总体框图如图1所示。 图 1 总体设计方案框图 2主电路的设计 2. 1 主电路原理图及原理分析 图2所示是采用IGBT为开关器件的单极型SPWM单相桥式逆变电路的原 理图： 图 2 单极型 SPWM 单相桥式逆变电路原理图 该电路的基本工作原

14、理： V1和V 2通断状态互补，V 4和V 3通断状态也互 在Ur和Uc的交点时刻控制IGBT的通断。Ur正半周，Vi保持通，V 保持 断。当Ur Uc时使V4通，V3断，Uo Ud。当Ur Uc时使V4断，V3通，U。0。 Ur负半周，V2保持通，V 1保持断。当Ur Uc时使V3通，7 4断，U。 Ud ；当 Ur Uc时使V3断，V4通，Uo 0。这样就得到了单极性的SPWM波形。 2. 2 器件选择与参数分析 2.2. 1器件选择 （1） 电力电子器件的选择 考虑安全裕度则IGBT的额定电压为2-3倍峰值电压，所以额定电压可为 200V-300V,额定电流22A-33A。选择IGBT的

15、型号为IRH4PC40U， 其额定电压 为600V，额定电流为40A。 选择续流二极管的型号为 HFA25TB60，其额定电压为600V，额定电流25Aask) (lirik) Ideal DC vultafe source. ParaneterE Amplitude (V：: IOO| Heasurevents None 控制电路仿真图如图8所示: 具体参数设置如下: 图 9 电压参数设置 (2)电阻R值设为7Q,电感L值设为14*e-3H，如图10所示。 Block Parameters： Rl X Series KLC Branch (link) Inqileneiits a serie

16、s branch of RLC elements. Use the 3 Bumch type* parameter to wdd or remove el events from the bunchH Paramsters Branch tyri 肛匚 T esit-aiLce (Okn?); * ” Induct, ance (H): 14*le-3 I I Set. ths initial inductor current Cpacit-ance F)； 图 10 电阻，电感参数设置5. 3 仿真结果分析 (1)当调制度m=0.5,载波比N=15时，触发脉冲波形如图11所示，单极性SPWM

17、 方式下的逆变电路输出波形如图12所示： File Took Vieu Sinnjlahtn Hep t T TraGE Se leulion 7 X Sine Wave 1 T Cui soi IM htisui ements 巾 x settings T M?33Uf&nwnts Time Valus 11 4(B 1 4 974-01 2； 4.0S5 W3e-0l AT 20.243 ms AY 2 上 34e-曲 T/S 1/iT 49 400 Hz AY MT 12：.當曲岂 图 11 m=0. 5，N=15 时触发脉冲波形 Scopel 口 X File TDOI IS

18、Sin uldLion Help 图 12 m=0.5，N=15 时输出波形 (2)当调制度m=0.5,载波比N=33时，触发脉冲波形如图13所示，单极性SPWM 方式下的逆变电路输出波形如图14所示： X Pre duel T Trace Selection Time Value 4.&5fifO1 11 272S 2745 AT 19.550 ma AY 工&吃胡 1 1 /AT $11S1 Hz 13.3E9(/a) * * Cui&ruf Sellmgib * f/sasuremeits 图 13 m=0.5，N=33 时触发脉冲波形 图 14 m=0. 5，N

19、=33 时输出波形 (3)当调制度m=1，载波比N=15时，触发脉冲波形如图15所示，单极性SPWM 方式下的逆变电路输出波形如图16所示： 图 16 m=1，N=15 时输出波形 图 15 m=1，N=15 时触发脉冲波形 * Seeped Rik Toole Uiwf Sirnulition Help 补嚼苫一丸匚5 * Cunor M caMirGmentfi Sen nys vMMSUOirKjrts Time Vgkig 11 2-752 b.Ollel 2 im T,75Qe-01 AT 2O.TG5ms iV 2 739(01 MAT 49.fS2H; AY MT 口 582 阀

20、Hl. ooli 常fw siini.laror Hflp nis Sellin ys T kkasuTieds _ne 2.725 也T 15.550 ms iY (4)当调制度m=1，载波比N=33时，触发脉冲波形如图17所示，单极性SPWM 方式下的逆变电路输出波形如图18所示： 图 18 m=1，N=33 时输出波形 图 17 m=1，N=33 时触发脉冲波形 Scopel 二 X File Tools V?cw Sirmilflsn Help 9 -港 14豈”百 t T Troc Seteclicn 丁 x Cursor MeoAUTements 朿址 SeHioQs * Mu(

21、(em ris Time Value 11 2.725 4 556e-0l 2； ?745 7JG8e-ai HT 13.550 m AY 26121 T/S 1 / AT 51 151 Hz AY MT 13 359 (吗 喘*|浄.语* r * Cursor MeMiir&menrs 虽 x Seiring G： Tiime Wils 11| 2 rs? Te-01 2! 2772 4(K1e-01 fiT 20.165 AY 4.0a3s-0l VAT +9 5 唸 Ft AY/ AT 20-2S3(JS PrariucJ 仿真结果分析：输出电压为单极性的 SPWM波，脉冲宽度变

22、化符合正弦波 变化规律，输出电流变化规律接近正弦波。由以上仿真波形图对比可知，当调制 度m不变时，载波比N越大时，负载电流的正弦度越好；由仿真波形图可知， 当载波比N不变时，调制度m越大时，负载电流的正弦度越好。由此可见，适 当增大载波比和调制度，可有效减小输出电流和输出电压的谐波分量。 6. 设计总结 回顾起此次电力电子课程设计， 至今我仍感慨颇多，从选题到定稿，从理论 到实践，在整整两星期的日子里，遇到了许许多多的困难，在克服困难的过程中， 不仅巩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。 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的， 只有理论知识是远 远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来， 从理论中得出