单相方波逆变

1、绪论电力电子简介电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，是一门 实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电 路的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析的方法来研究。仿真技术 为电力电子电路的分析提供了崭新的方法。我们在电力电子技术课程的教学中引入 了仿真，对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法， 学生的想法可以通过仿真来验证，对培养学生的创新能力很有意义，并且可以调动 学生的积极性。实验实训是本课程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有 限的，也受到学时的限制。而仿真实训不受时间、空间和物质条件的限制，学生

2、可 以在课外自行上机。仿真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推 动作用。PWM控制技术是逆变电路中应用最为广泛的技术，现在大量应用的逆变电路中， 绝大部分都是PWM型逆变电路。为了对PWM型逆变电路进行分析，首先建立了逆变 器控制所需的电路模型，采用IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路 和PWM控制电路的工作原理进行了分析，运用MATLAB中的SIMULINK对电路进行了 仿真，给出了仿真波形，并运用MATLAB提供的powergui模块对仿真波形进行了 FFT分析(谐波分析)。通过仿真分析表明，运用PWM控制技术可以很好的实现逆 变电路的运行要求。matlab 的简

3、介MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称，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两大部分。MATLAB和Mathematical Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软 件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实 现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制 设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它

4、的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分第1页共11页相似，故用MATLAB来解算问题要比用C, FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多， 并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软 件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用， 用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此 外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以 用。基本任务本文设计了一单相桥式方波逆变电路。单相方波逆变电路，开关器件选用 IGBT，直流电压为300V，阻感负载， 电阻1

5、 ，电感2mh。完成上述方波逆变电路的设计，并进行计算机仿真，观察输出电压波形、 系统输入电流波形、电压电流波形的谐波情况。主电路图工作原理说明2.1逆变电路逆变概念：逆变直流电变成交流电，与整流相对应。主要内容：换流方式，电压型逆变电路，电流型逆变电路，多重逆变电路和多 电平逆变电路。无源逆变逆变电路的应用：蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路。 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都 是逆变电路。2.2逆变电路的基本工作原理单相桥式逆变电路为例：SS是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S、S闭合， 1414S、S

6、断开时，负载电压u为正S ； S、S断开，S、S闭合时，u为负，把直流电 23o11423o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3-1逆变电路及其波形举例电阻负载时，负载电流i。和u。的波形相同，相位也相同。阻感负载时，i。滞后 于u。，波形也不同（图3-1b）。t前：S、S通，u和i均为正。114o ot时刻断开S、S，合上S、S，u变负，但i不能立刻反向。11423 ooi。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，i。 逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大。2.3电压型逆变电路逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路

7、或电压源型逆变电 路。bl图3-3电压型逆变电路举例(全桥逆变电路)电压型逆变电路的特点直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆 变桥各臂并联反馈二极管。半桥逆变电路电路结构：见图3-4工作原理：V1和七栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。u。为矩形波，幅值为Um=Ud/2, i波形随负载而异，感性负载时，图5-6b，V或V通时，i和u同方向，直流侧向 o12o o负载提供能量，VD或VD通时，i和u反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD、VD12o o12称为反馈二极管，还使

8、io连续，又称续流二极管。a)b)图3-4单相半桥电压型逆变电路及其工作波形优点：简单，使用器件少缺点：交流电压幅值U/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用 d于几kw以下的小功率逆变电源。单相全桥、三相桥式都可看成若十个半桥逆变电路的组合。全桥逆变电路电路结构及工作情况：图3-3,两个半桥电路的组合。1和4 一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通， 交替各导通180。u。波形同图3-4b。半桥电路的*，幅值高出一倍Um=Ud。io波形 和图3-4b中的io相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。输出电压定量分析uo成傅里叶级数”阳4J7 (11=-血曷+ 血3曷+ 血汹+ A

9、35写=竺1 =.四基波幅值西叽=点=置基波有效值阳uo为正负各180时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。移相调压方式(图3-5 )。可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180正偏，180反偏，且V和V互补，V和V互补关系不变。V的基极信号只比V落123431后q ( 0q 180)，V、V的栅极信号分别比V、V的前移180-q，u成为正负各3421o为q的脉冲，改变q即可调节输出电压有效值。图3-5单相全桥逆变电路的移相调压方式计算机仿真3.1单项桥式方波逆变电路仿真设计单相方波逆变电路，开关管选择IGBT，单相方波逆变电路直流电压为300V，阻感负载，电

10、阻1 ，电感2Mh；单项桥式方波逆变电路图4-1单项桥式方波逆变电路单相方波逆变仿真结果分析将仿真时间设为0.1s，选择ode45的仿真算法，将误差设为1e-5，运行后可得 仿真结果。途中自上而下位逆变器输出的交流电压，电流和直流侧电流波形。交流电压为 正负300V的方波电压，周期与驱动信号同为50Hz。交流电流和直流电流波形有阻 感负载的特性所决定。直流电流为负的期间，电流通过反并联二极管流向电源，负 载电感的磁场储能向直流母线馈送；直流电流为正的期间，电流通过IGBT流向负 载。若为纯电阻负载，则直流电流无波动。图4-2单相方波逆变电路仿真波形根据傅里叶模块，逆变器输出的交流基波电压幅值为

11、381.4V，与理论值相符。交流电压THD为48.4%。可见，单相方波逆变器输出电压的基波幅值大于直流电压， 其电压利用率较高，但同时谐波含量较大，难以满足多数负载的要求。电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，是一门 实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电 路的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析的方法来研究。仿真技术 为电力电子电路的分析提供了崭新的方法。我们在电力电子技术课程的教学中引入 了仿真，对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法， 学生的想法可以通过仿真来验证，对培养学生的创新能力很有意义，并

12、且可以调动 学生的积极性。实验实训是本课程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有 限的，也受到学时的限制。而仿真实训不受时间、空间和物质条件的限制，学生可 以在课外自行上机。仿真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推 动作用。参考文献1宏乃刚，电力电子技术基础，清华大学出版社，20072王兆安，电力电子技术，电子工业出版社，20033谢卫，电力电子与交流传动系统仿真，机械工业出版社，20094电力电子应用技术的MAYLAB仿真，中国电力出版社，2009体会短短一个周的课程设计就要结束了，在老师细心指导下终于完成任务，虽然在 整个课程设计的过程中花费了很多时间和精力，而是在这个过程中学到了很多知 识。课设的时间很短，但是这个过程中学到了很多东西，好多原来在课堂上没有学 到的知识在这次课设中巩固和加深。这次课设中最大的收获就是发现了光了解课本知识是不够的，还要善于利用各 种工具获得需要的资源，而且加深了对各种知识的理解，也对将来走向社会积累了 经验。由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的