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： 电气信息工程学院同学姓名：杨万里李旺助教指导老师：职称专业：自动化班级：1401 班学号：107完成时间：2022. 6I / 24 湖南工学院电力电子技术课程设计课题任务书学院 :电气与信息工程学院 专业：自动化指导老师 杨万里 同学姓名 李旺课题名称 单极性 SPWM 单相桥式逆变电路的设计和仿真一、设计任务内 容 及任 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,要求沟通输出电压频率为50Hz,并仿真载波比N15 和 33,调制度为 0.5 和 1 时相关波形；二、设计内

2、容1、关于本课程学习情形简述；2、主电路的设计、原理分析和器件的挑选；3、掌握电路的设计；4、爱护电路的设计；5、利用 MATLAB软件对自己的设计进行仿真；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, 2022. 1. 2 贾立柱,刘晓龙. 基于 MA TLAB的升降压斩波电路的仿真 J. 北京：华北电力高校, 2022. 3 曲永印 . 电力电子技术 M . 北京 : 机械工业出版社,2022. 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）年月日/ 24 摘 要

3、20 世纪 80 岁月以来,信息电子技术和电力电子技术在各自进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 掌握技术最为重要的应用场合；这里在讨论单相桥式 PWM 逆变电路的理论基础上,采纳 Matlab 的可视化仿真工具 Simulink 建立单相桥式单极性掌握方式下PWM 逆变电路的仿真模型, 通过动态仿真, 讨论了调制深度、载波度对输出波形的影响； 仿真结果说明建模的正确性,并证明白该模 型具有快捷、敏捷、便利、直观等一系列特点,从而为电力电子技术教学和讨论 中供应了一种较

4、好的帮助工具；关键词 :PWM 掌握技术；逆变电路；单极性SPWM；SimulinkI / 24 Abstract Since 1980s, the electronic information technology and power electronics technology combined to produce a generation of high frequency phase in their development, full controlled power electronic devices, a typical gate turn off thyristor, po

5、wer transistor, power MOSFET and insulated gate bipolar transistor. The inverter circuit is one of the most important applications of PWM control technology. Here in the theoretical basis of the single-phase bridge inverter circuit of the PWM, the simulation model of PWM inverter using Matlab visual

6、 simulation tool Simulink to establish the single-phase bridge unipolar control mode, through dynamic simulation, studied the modulation depth, the carrier frequency of the output voltage. Influence of load current; and analyzes the harmonic characteristics of output voltage, load current. The simul

7、ation 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 electronic technology teaching Study and research provides an effective tool. Key words: PWM control technology; inverter circuit; SP

8、WM waveform; Simulink II / 24 1目录1绪言 . 1. 1 电力电子技术的概况 . 11. 2 课程学习情形简介 . 11. 3 设计要求及总体方案设计 . 22 主电路设计 . 32. 1 主电路原理图及原理分析 . 32. 2 器件挑选及参数运算 . 43 掌握与驱动电路设计 . 53. 1 掌握电路设计 . 53. 2 驱动电路设计 . 64 爱护电路设计 . 74. 1 过电流爱护 . 74. 2 过电压爱护 . 75 仿真分析 . 85. 1 仿真软件介绍 . 85. 2 仿真模型的建立 . 85. 3 仿真结果分析 . 106 设计总结 . 13参考文献

9、 . 14致谢 . 15附录 . 16/ 24 1 绪言1. 1 电力电子技术的概括随着电力电子技术的高速进展,逆变电路的应用特别广泛,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沟通负载供电时,就需要用到逆变电路了；另外,沟通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特别广泛, 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,后来就进入逆变器时代；随着各行各业对电气设备掌握性能要求的提高,逆变电路在很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大问题,

10、开发利用新能源和可再生能源是 21 世纪经济进展中最具有打算性影响的技术之一,充分开发利用太阳能世界各国可连续进展的能源战略决策,电就是将由太阳电池阵列产生的直流电,并入电网,供用户使用；（2）不间断电源系统其中光伏发电最受瞩目； 太阳能光伏发 通过逆变电路变换为沟通电供应负载或在通信设备、医疗设备等对电源连续供电要求高的设备中都需要采纳不间断 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, 逆变器将蓄电池供应的直流电逆变成交 流电供应用电设备；（3）沟通电动机变频调速采纳逆变技术将一般沟通电网电压变化成电压、沟通电动机,以

11、便调剂电动机的转速；（4）直流输电频率都可调的沟通电, 供应由于沟通输电架线复杂、 损耗大、 电磁波污染环境, 所以直流输电是一个发展方向,第一把沟通电整流成高压直流电,流电供应用电设备；（5）风力发电再进行远距离输送, 然后再逆变成交风力发动机因受风力变化的影响,发出的沟通电很不稳固, 并网或供应用电设备都担心全, 可以将其整成直流, 然后再逆变成比较稳固的沟通,就能安全的并到沟通电网上或直接供应用电设备；0 / 24 1. 2 课程学习情形简介 通过本课程的学习, 对电力电子技术有了初步的明白和熟识,主要表达在以 下四大方面：第一,电力电子器件的学习；包括电力二极管,一般晶闸管,以门极关断

12、晶 闸管、双极晶体管、功率场效应管为代表的全控型器件；其次,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,沟通 - 沟通变流电路；第三, PWM 技术和软开关技术；其中 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PWM 技术是本课程设计的重要理论设计一个单极型SPWM 单相桥式逆变电路,已知直流输入电压100V,负载自拟,要求沟通输出电压频率为 0.5 和 1 时相关波形；50Hz,并仿真载波比 15 和 33,调制度 为电力电子器件在实际应用中, 一般是由掌握电路, 驱动电路, 爱护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统；由信息电子电路组成

13、的掌握电路按照系统的工作要求形成掌握信号, 通过驱动电路去掌握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,当掌握电路所产生的掌握信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路；依据功能要求,该系统应包括逆变主电路、SPWM 信号产生电路、过电流爱护、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1 / 24 2 主电路的设计2. 1 主电路原理图及原理分析图 2 所示是采纳 IGBT 为开关器件的单极型 理图：SPWM 单相桥式逆变电路的原图 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理：V 和V2通断状态互补,

14、V 和V 通断状态也互补；在ru 和cu 的交点时刻掌握IGBT 的通断；ru 正半周,V 保持通,V2保持断；当u ruc时使V4通,V 断,u0Ud；当u ruc时使V 断,V 通,ou0；ru 负半周,V2保持通,V 保持断；当uru c时使V 通,V4断,u0Ud; 当u ruc时使V 断,V4通,ou0；这样就得到了单极性的SPWM 波形；2 / 24 2. 2 器件挑选与参数分析2. 2. 1 器件挑选（1）电力电子器件的挑选考虑安全裕度就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 ；挑选 IGBT 的型号为 IRH4PC

15、40U,其额定电压 为 600V,额定电流为 40A；挑选续流二极管的型号为（2）电压源的挑选HFA25TB60,其额定电压为 600V,额定电流 25A；挑选电压为 100V 的直流电压源；（3）其他器件挑选电阻挑选阻值为 7的电阻,电感挑选14mH 的电感；2. 2. 1 参数分析在 PWM 掌握电路中,载波频率cf 和调制信号频率rf 之比： 1 Nfc f/r称为载波比；而调制波幅值 A 与载波幅值 A 之比： A r A c 2 称为调制度,调制度 0 1；在本设计中信号频率 rf 设为 50Hz,调制度和载波比可调,依据设计要求载波比 N 取 15 和 33,调制度 取 0. 5

16、和 1；3 / 24 3 掌握与驱动电路的设计 3. 1 掌握电路的设计 PWM（Pulse Width Modulation）掌握就是对脉冲的宽度进行调制的技术,即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要的波形；PWM 掌握技术的重要理论基础是面积等效原理,即：冲量相等而外形不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时, 其成效基本相同； 下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波；把正弦半波分成N 等分,就可以把正弦半波看成由N 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形； 假如把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替, 使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲

17、和相应的正弦波部分面积（冲量）相等,所得到的脉冲序列,就是 PWM 波形；像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 极性 PWM 波形；PWM 波形,被称作单本设计就是采纳 SPWM 法对 IGBT 进行掌握, 从而实现直流 - 沟通的逆变过程；掌握电路的原理框图如图U d O-U d 3 所示,波形图如图 4 所示：图 3 掌握电路原理框图图 4 掌握电路波形图4 / 24 3. 2 驱动电路设计 IGBT 是电力电子器件,掌握电路产生的掌握信号一般难以以直接驱动IGBT；因此需要信号放大的电路；详细来讲IGBT 的驱动要求有一下几点：1）动态驱动才能强,能为 IGBT 栅极供应具有陡

18、峭前后沿的驱动脉冲；否就 IGBT 会 在开通及关延时,同时要保证当 件不会被损坏；IGBT 损坏时驱动电路中的其他元2）能向 IGBT 供应适当的正向和反向栅压,一般取 +15 V 左右的正向栅压比较恰当,取 -5V 反向栅压能让 IGBT 牢靠截止；3）具有栅压限幅电路,爱护栅极不被击穿；20 V,驱动 信号超出此范畴可能破坏栅极；4）当 IGBT 处于负载短路或过流状态时,能在IGBT 栅极极限电压一般为土IGBT 答应时间内通过逐步降低栅压自动抑制故障电流,实现IGBT 的软关断；驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消逝而受到影响；5 / 24 4 爱护电路设计4. 1 过电流爱护常见

19、的过电流爱护有： 快速熔断器爱护, 过电流继电器爱护, 直流快速开关过电流爱护；快速熔断器爱护是最有效的爱护措施；过电流继电器爱护中过电流继电器开关时间长（只有在短路电流不大时才有用）直流快速开关过电流爱护功能很好,但造价高,体积大,不宜采纳；因此,正确方案是用快速熔断器爱护；F VD 图 5 快速熔断器4. 2 过电压爱护用非线性元件限制过电压的幅度,用电阻消耗生产过电压的能量,用储能元件吸取生产过电压的能量；对于非线性元件, 不是额定电压小, 使用麻烦, 就是不宜用于抑制频繁显现 过电压的场合；所以我们选用储能元件吸取生产过电压的能量的爱护；使用 RC 吸取电路,这种爱护可以把变压器绕组中

20、释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来； 由于电容两端电压不能突变,所以能有效抑制过电压, 串联电阻消耗部分产生过电压的能量,并抑制 LC 回路的震惊；爱护电路如图；R C L R过电压爱护电路图 66 / 24 5 仿真分析5. 1 仿真软件简介此次仿真使用的是 MATLAB 软件；Simulink 是 MATLAB最重要的组件之一,它供应一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境； 在该环境中, 无需大量书写方程, 而只需通过简洁直观 的鼠标操作,就可构造出复杂的系统；Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具, 是一种基于 MATLAB 的框 图设计环境, 是实现

21、动态系统建模、 仿真和分析的一个软件包, 被广泛应用于线 性系统、非线性系统、 数字掌握及数字信号处理的建模和仿真中；为了创建动态 系统模型, Simulink 供应了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI）,这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成,它供应了一种更快捷、 直接明白的方式,而且用户可以立刻看到系统的仿真结果；5. 2 建立仿真模型主电路仿真图如图7 所示：图 7主电路仿真电路图7 / 24 掌握电路仿真图如图 8 所示：图 8 掌握电路仿真电路图详细参数设置如下：（1）直流电压值为 100V,设置如图 9 所示；图 9 电压参数设置8 / 24 （2）电阻 R 值设为 7,

22、电感 L 值设为 14*e-3H,如图 10 所示；图 10 电阻,电感参数设置9 / 24 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 方式下的逆变电路输出波形如图 12 所示：T/S 图 11 m=0. 5,N=15 时触发脉冲波形图 12 m=0. 5,N=15 时输出波形10 / 24 （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：图 13 m=0. 5,N=33 时触发脉冲波形图 14 m=0. 5,N=33 时输出

23、波形11 / 24 （3）当调制度 m=1,载波比 N=15 时,触发脉冲波形如图 方式下的逆变电路输出波形如图 16 所示：U/V 图 15 m=1,N=15 时触发脉冲波形图 16 m=1,N=15 时输出波形12 / 24 15 所示,单极性 SPWMT/S （4）当调制度 m=1,载波比 N=33 时,触发脉冲波形如图 方式下的逆变电路输出波形如图 18 所示：图 17 m=1,N=33 时触发脉冲波形图 18 m=1,N=33 时输出波形13 / 24 17 所示,单极性 SPWMT/S 仿真结果分析：输出电压为单极性的SPWM 波,脉冲宽度变化符合正弦波变化规律, 输出电流变化规律

24、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重量；14 / 24 6. 设计总结回忆起此次电力电子课程设计,至今我仍感叹颇多, 从选题到定稿,从理论到实践,在整整两星期的日子里, 遇到了许很多多的困难, 在克服困难的过程中,不仅巩固了以前所学过的学问,而且学到了很多在书本上所没有学到过的学问；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,只有理论学问是远远不够的, 只有把所学的理论学问与实践相结合起来,从理论中得出结论, 才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手才能和独立摸索的才能；通过对电力电子技术的运算机仿真,