单相电压型逆变电路的设计说明

1、电力电子技术课程论文题目：单相电压逆变电路设计 摘要逆变器电路被广泛使用。在现有的电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源。当这些电源需要提供给交流负载时，需要一个逆变器电路。此外，交流电动机调速用的变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子器件应用广泛，其电路的核心部分是逆变电路。有人说，电力电子技术早期处于整流电路时代，后来进入逆变器时代。可见，逆变电路的作用很大，在实际生产生活中得到了广泛的应用。 PWM控制技术是逆变电路中应用最广泛的技术。大多数被广泛使用的逆变器电路是PWM逆变器电路。为了分析PWM逆变电路，首先建立逆变控制所需的电路模型，采用IGBT作为开关器件，分析了单相

2、桥式电压逆变电路和PWM控制电路的工作原理。 ，利用MATLAB中的SIMULINK对电路进行仿真，给出仿真波形，利用MATLAB提供的powergui模块对仿真波形进行FFT分析（谐波分析）。仿真分析表明，采用PWM控制技术可以很好地实现逆变电路的工作要求。关键词：逆变电路，PWM控制技术，换相。目录TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 1方案介绍及主电路设计3TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 1.1题目要求3TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 1.

3、2项目概述3TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 1.3逆变电路及换相原理介绍3TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 1.4电压逆变电路的特点和主要类型4TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 2 SPWM 控制方式6TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 3主电路设计与说明8TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 3.1 PWM控制的基本原理8TOC o 1-2 h z

4、u HYPERLINK l _Toc297402645 3.2 PWM逆变电路及其控制方法8TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 3.3主电路及其工作原理9TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 4 方案介绍及主电路设计10TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 4.1单极PWM控制产生电路模型10TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 单极PWM模式下的单相桥式逆变电路11TOC o 1-2 h z u HYPERL

5、INK l _Toc297402645 4.3仿真结果12 _TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 5总结经验 13TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc297402645 6 参考文献14单相电压逆变电路的设计1方案介绍及主电路设计1.1 科目要求技术要求：设计一个单相桥式逆变电路，采用SPWM调制方式，已知直流电源电压为400V，要求输出220V、50Hz的交流电，带阻性负载，R值为20。1.2程序概述本课程设计的主要目标是设计单相桥式电压逆变电路。同时可以设计相应的触发电路和过流过压保护电路。根据电力电子技术的相关知

6、识，单相桥式电压逆变电路是一种常见的逆变电路模型，在日常生活中有着广泛的应用。其电路结构主要由四个桥臂组成，每个桥臂有一个全控器件IGBT和一个反并联续流二极管，直流侧并联两个电容，负载接桥臂和电容器之间。 IGBT的导通控制需要触发电路。通过数据查询，找到相关的触发电路图，从中选择，最终确定方案。该芯片可用于触发，也可使用后面章节介绍的以D触发器为主体设计的触发电路。根据D触发器的特性，可以实现换相。最后设置 QUOTE 过流过压保护电路，采用抑制电路和缓冲电路组成的过压过流保护电路。通过查阅资料，在仿真软件中接好电路图，接好触发电路，设置好参数，仿真观察波形。 ，根据设定的参数计算。1.3

7、逆变电路及换相原理介绍与整流电路相比，将直流电转换为交流电的电路称为逆变电路。当交流侧接入电网时，称为有源逆变器；当交流侧直接与负载相连时，称为无源逆变器。无特别说明时，逆变电路一般指无源逆变器。逆变器电路在现实生活中得到了广泛的应用。在交流电路运行期间，电流从一个支路转移到另一个支路称为换向。换向是实现倒置编制依据。通过控制开关器件的开合来控制电流通过的支路，这是实现换相的基本原理。换相方式有很多种，主要分为设备换相、电网换相、负载换相和强制换相四种方式。1. 4 电压逆变电路的特点和主要类型根据直流侧电源的性质不同，可分为两种：直流侧为电压源，称为电压型逆变电路；直流侧为电流源称为电流型逆

8、变电路。电压型逆变电路具有以下特点：直流侧为电压源，或并联一个大电容，相当于一个电压源。直流侧电压基本无脉动，直流电路呈现低阻抗。由于直流电压源的钳位效应，交流侧的输出电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关。由于负载阻抗不同，交流侧输出电流波形和相位也不同。当交流侧为阻性和感性负载时，需要提供无功功率，直流侧电容器起到缓冲无功功率的作用。为了给交流侧和直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥的每个臂都并联了一个反馈二极管。也称为续流二极管。逆变器电路分为三相和单相两类。其中，单相逆变电路主要采用桥接方式。主要包括：单相半桥和单相全桥逆变电路。三相电压逆变电路由三个单相逆变电路组成。最常用的是三相桥式逆

9、变电路。1. 5 电压型单相桥式逆变电路主电路设计在本设计中，主要采用单相桥式逆变电路作为设计的主电路。其主电路结构图如图1-1所示：图 1-1 单相桥式逆变电路如上图所示，单相全桥逆变电路主要有四个桥臂，可以看成是两个半桥电路的组合。桥臂1和4是一对，桥臂2和3是一对。每个桥臂由一个带有反并联二极管的可控器件IGBT组成。一个足够大的电容连接到直流侧，负载连接在桥臂之间。其具体工作过程如下：在初始时刻， QUOTE 触发信号给IGBT Q1和Q4，使其导通。然后电流通过桥臂1 、负载和桥臂4形成导电回路。此时 QUOTE ，触发信号至Q2和Q3，关闭信号至Q1和Q4。但由于负载电感较大，通过

10、它的电流不能突变，所以二极管D2和D3导通续流。当电流逐渐减小到0时，桥臂1、4截止，桥臂2、3导通形成回路，实现换相。单相桥式逆变电路的工作波形如图1-2所示。图1-2 单相桥式逆变电路工作波形其工作过程分析：设置在 QUOTE t1时刻前导通，输出电压 QUOTE 为 QUOTE ，在 QUOTE t1时刻 QUOTE 栅极信号反相， QUOTE 关 QUOTE 断，由于负载电感中的电流不能突变 QUOTE ，不立即导通， QUOTE 导通实现续流。因为是 QUOTE 同时 QUOTE ，输出电压为0 。 t2时刻， QUOTE 门 QUOTE 极信号反相 QUOTE 关闭，但 QUOTE

11、 不能立即开启， QUOTE 续流， QUOTE 形成电流通道，输出电压- QUOTE 。当负载电流过零并开始反向时， QUOTE 总和 QUOTE 关闭， QUOTE 同时总和 QUOTE 开始导通， QUOTE 仍然是- QUOTE 。 t3时刻 QUOTE ， QUOTE 门极信号再次反相 QUOTE 关闭，但 QUOTE 不能立即开启， QUOTE 续流电流开启，再次 QUOTE 为0 。后续过程与上一个类似。2 SPWM控制方式SPWM（Sinusoidal PWM）方法是一种比较成熟且应用广泛的PWM方法。上面提到的采样控制理论中的一个重要结论：当将具有相同脉冲和不同形状的窄脉冲加

12、入到惯性链接中时，效果基本相同。 SPWM法就是基于这个结论，利用脉宽按正弦规律变化且等效于正弦波的PWM波形，即SPWM波形来控制逆变器中开关器件的通断。电路，使输出脉冲电压的面积与正弦波的面积相同。希望输出正弦波在相应区间的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值可以调节逆变电路输出电压的频率和幅值。该方法的实现有以下几种方案。一级面积法该方案实际上是对SPWM方法原理的直接说明。用相同数量的等幅但不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算出每个脉冲的宽度和间隔，并将这些数据存储在微机中。以表格的方式产生PWM信号来控制开关器件的通断，从而达到预期的目的。由于该方法基于SPWM控制的基本原理，可

13、以准确计算出各个开关器件的通断时间，得到的波形非常接近正弦波，但计算复杂，占用量大数据量大，无法实时控制。缺点。两种硬件调制方式为解决等面积法计算繁琐，提出硬件调制法。以等腰三角波为载波，当调制信号波为正弦波时，得到SPWM波形。实现方法简单，三角波载波和正弦调制波发生电路可由模拟电路组成，它们的交点可由比较器确定，开关器件的通断控制在交点，即可产生 SPWM 波。但这种模拟电路结构复杂，难以实现精确控制。三软件生成方法由于计算机技术的发展，软件生成SPWM波形变得更加容易，因此软件生成方法应运而生。软件生成法实际上是一种利用软件实现调制的方法。有两种基本算法，即自然采样法和常规采样法。四种自

14、然采样方式以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，将开关器件的通断控制在两个波形的自然交点处，即自然采样法。优点是得到的SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波的交点是任意的，一个周期内脉冲中心不等距，所以脉宽表达式为超越方程，计算复杂，难以实时控制。五次抽样规则采样法是一种应用广泛的工程实用方法，一般以三角波为载体。其原理是利用三角波对正弦波进行采样得到阶跃波，然后在阶跃波与三角波的交点处控制开关器件的通断，从而实现SPWM方式。当三角波仅在其顶点（或底部）对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点确定的脉冲宽度在一个载波周期（即采样周期）的位置是对称的。这种方法称为对称正则采样。

15、三角波在顶点和最低点对正弦波进行采样时，阶梯波与三角波的交点确定的脉冲宽度一般不在一个载波周期的位置（此时为采样周期的两倍）对称，这种方法称为非对称正则采样。常规采样法是对自然采样法的改进，其主要优点是计算简单，便于在线实时操作。缺点是直流电压利用率低，线性控制范围小。3 主电路设计与说明3.1 PWM控制的基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制是一种对脉冲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，可以等效地得到所需的波形。 PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理，即在具有惯性的环节中加入脉冲相等、形状不同的窄脉冲，效果基本相同。下面分析如何用一系列

16、等幅、不等宽的脉冲代替半正弦波。将正弦半波分成N等份，正弦半波可以看成是由N个脉冲串相互连接组成的波形。如果将这些脉冲序列换成相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲，则矩形脉冲的中点与对应的正弦波部分的中点重合，矩形脉冲的面积（脉冲）与对应的正弦波部分相等，可得到下图b所示的脉冲序列，即PWM波形。这种脉冲的宽度按照正弦规律变化，相当于一个正弦波PWM波形，也称为SPWM波形。 SPWM 波形如图 2-1 所示：ttOOUd-Ud图 3-1 单极性 PWM 控制模式波形上图中的波形称为单极性 PWM 波形。根据面积等效原理，正弦波也可以等效为下图中的PWM波，即双极性PWM波形，这种方法在实际应用中应

17、用更为广泛。OOtUd-Ud图 3-2 双极性 PWM 控制模式波形3.2 PWM逆变电路及其控制方法PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种。目前，几乎都是电压型电路。因此，本节主要分析电压型逆变电路的控制方法。获得所需的PWM波形有两种方法，即计算法和调制法。根据正弦波的频率、幅值和半周脉冲个数，准确计算出PWM波的脉宽和间隔，并据此控制逆变电路开关器件的通断，可以得到所需的PWM波形获得。这种方法称为计算法。 .由于计算方法比较复杂，当输出正弦波的频率、幅值或相位发生变化时，结果就会发生变化。与计算方式相对应的是调制方式，即以所需的调制波形为调制信号，以调制后的信号为载波，通过对信号波的调

18、制得到所需的PWM波形。通常，使用等腰三角波作为载波。当调制信号波为正弦波时，得到SPWM波形。下面对单相桥式逆变电路的单极控制方式和双极控制方式进行详细分析。图（2-3）是采用IGBT 作为开关器件的单相桥式电压逆变器电路。3.3 主电路及其工作原理根据设计要求，采用单相半桥PWM逆变电路，工作方式为单极性PWM方式，开关器件为IGBT，直流电源电压为400V，采用阻感负载。本设计的主电路图如图 3-1 所示。图 3-3 单相桥式 PWM 逆变电路采用IGBT作为开关器件的单相半桥电压逆变电路。负载为阻性和感性负载，工作时V1和V2的通断状态互补。在输出电压u0的正半周，保持V1处于导通状态

19、，V2处于截止状态；保持 V2 处于开启状态，V1 处于关闭状态。当u co u tri，且-u co u tri时，触发VTA+和VTB-导通，输入电源U d 通过VTA+、负载和VTB-形成电流回路， u o=- U d，电流上升；当u co u tri，且-u co u tri 时，VTB- 断开，VTB+ 被触发。由于是感性负载，电流不能突变，所以负载电流继续流过VTA+和VDB+，使VTB+不能导通， u o=0，同时电流下降；直到下一个周期触发VTA+和VTB-的导通。因此，循环周期性地工作。4仿真模型的建立及各模块的参数设置4.1 单极PWM控制产生电路模型单极性PWM控制产生的

20、电路模型图如图4所示。图 4-1 单极 PWM 逆变器的触发脉冲产生电路为了得到PWM输出电压，可以将所需的输出电压波形（称为调制波）与载波信号（通常是三角波或锯齿波）进行比较，即用调制波对载波进行调制，然后将产生的信号用于比较，通过控制电力电子器件的开启和关闭，就可以得到所需的PWM控制产生电路。单极性PWM控制方式的仿真结果图 4-2单极性 PWM 控制方式仿真结果4.2 单极性PWM方式的单相桥式逆变电路采用单相全桥PWM逆变电路，工作方式为单极性PWM方式，开关器件为IGBT，直流电源电压为400V，阻感负载为20欧，电感为1mA。按照图 4-3 所示的单相桥式逆变电路连接仿真电路。图

21、 4-3 单相桥式逆变电路仿真电路4.3 仿真结果单极性PWM方式，开关器件选用IGBT，直流电压400V，电阻负载，电阻20欧，电感1mh，载波频率fc=2000HZ，调制信号频率fr=50HZ。将调制深度 m 设置为 0.4。运行后，单相桥式逆变电路的仿真输出电流和输出电压波形如图4-4所示。根据调试过程中参数与波形的关系，改变调制比m和载波比N，例如增大m和N，可以有效降低输出电压和输出电流的谐波分量。图 4-4 单相桥式逆变电路仿真波形5 总结经验通过本课程的设计，我对电力电子技术的知识有了更具体的认识和直观的认识。通过设计单相桥式逆变电路，分析其工作原理和输入输出条件，将理论与实践相结合。在设计过程中，需要应用的数据和电的知识