PWM逆变电路的多重化设计课程设计论文

运动控制系统课程设计课题：PWM逆变电路的多重化设计系 别： 电气与信息工程学院专 业： 自动化姓 名： 学 号： 092412成 绩： 河南城建学院2015年 12月 31日目录一、设计目的1二、设计任务及要求12.1、设计任务12.2、设计要求1三、方案设计13.1、PWM脉宽调制原理13.2、逆变电路原理23.3、PWM逆变电路及其控制方法53.3.1、计算法53.3.2、调制法53.4、PWM逆变电路的多重化11四、主要元件的选型114.1、IGBT选型114.1.1、IGBT额定电压的选择114.1.2、IGBT额定电流的选择124.1.3、IGBT开关参数的选择124.1.4、影响IGBT可靠性因素124.2、负载选型12五、心得体会13参考文献13附录141、一重PWM逆变电路仿真142、二重PWM逆变电路仿真17 一、设计目的通过PWM逆变电路多重化设计，使同学们理解和掌握PWM的调制原理及PWM的实际用途。通过本次课程设计使同学们重新认识PWM技术在电力电子中的重要地位，锻炼同学们利用理论知识处理实际问题的能力，让同学们通过具体的PWM调制仿真对PWM逆变电路有一个理性的认识。为今后的毕业设计以及走上实际工作岗位的应用奠定基础。本次课程设计的主要目的是让同学通过实际动手搭建PWM逆变电路模型并仿真，让同学们真正理解和应用PWM脉宽调制技术。二、设计任务及要求2.1、设计任务利用已学的电力电子技术中的PWM脉宽调制技术的具体原理推广到逆变电路中，并利用PWM技术在逆变电路中的原理，搭建实际的仿真模型，并了解逆变多重化的目的及作用。2.2、设计要求自拟负载，可选用电机或阻感负载等，画出系统电路的结构图，并进行仿真。搭建出实际的仿真模型并用仿真结果，并对仿真结果简易分析。三、方案设计3.1、PWM脉宽调制原理PWM（Pulse Width Modulation）控制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波形（含形状和幅值）。面积等效原理是：PWM控制技术的重要理论基础。 原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。用PWM波代替正弦半波，将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为p/N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而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，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。 脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形。 PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。 图1 用PWM波代替正弦半波3.2、逆变电路原理逆变的概念与整流相对应，是将直流电变成交流电。交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变。逆变电路的主要应用：各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。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。 逆变电路基本的工作原理：是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。当开关、闭合，、断开时，负载电压为正；当开关、断开，、闭合时，为负，这样就把直流电变成了交流电。改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。电阻负载时，负载电流和的波形相同，相位也相同。阻感负载时，相位滞后于，波形也不同。图2 逆变电路及其波形举例 换流是电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。研究换流方式主要是研究如何使器件关断。换流方式分为：器件换流、器件换流、负载换流、强迫换流。器件换流（Device Commutation）是利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。电网换流（Line Commutation）是指电网提供换流电压的换流方式。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。图3 负载换流电路及其工作波形 负载换流（Load Commutation）由负载提供换流电压的换流方式。负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流，如电容性负载和同步电动机。图3左图是基本的负载换流逆变电路，整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性，直流侧串大电感，工作过程可认为基本没有脉动。负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以接近正弦波。注意触发、的时刻必须在过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。 强迫换流（Forced Commutation）设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。分类：直接耦合式强迫换流由换流电路内电容直接提供换流电压。电感耦合式强迫换流通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。直接耦合式强迫换流如图4，当晶闸管处于通态时，预先给电容充电。当S合上，就可使被施加反压而关断。也叫电压换流。图4 直接耦合式强迫换流原理图 电感耦合式强迫换流，图5a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断，图5b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。也叫电流换流。图5 电感耦合式强迫换流原理图 3.3、PWM逆变电路及其控制方法3.3.1、计算法根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形，这种方法称之为计算法。计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。 3.3.2、调制法 把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。单相桥式PWM逆变电路（调制法）工作过程：工作时和通断互补，和通断也互补，比如在正半周，导通，关断，和交替通断。负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，和导通时，。关断时，负载电流通过和续流，。在负载电流为负的区间，仍为和导通时，因为负，故实际上从和流过，仍有。关断，开通后，从和续流，。总可以得到和零两种电平。在的负半周，让保持通态，保持断态，和交替通断，负载电压可以得到和零两种电平。图6 单相桥式PWM逆变电路 单极性PWM控制方式，调制信号为正弦波，载波在的正半周为正极性的三角波，在的负半周为负极性的三角波。在的正半周，保持通态，保持断态。当时使导通，关断，。当时使关断，导通，。在的负半周，保持断态，保持通态。当时使导通，V4关断，。当时使V3关断，V4导通，。 图7 单极性PWM控制方式波形双极性PWM控制方式，在调制信号和载波信号的交点时刻控制各开关器件的通断。 在的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM波也是有正有负，在的一个周期内，输出的PWM波只有两种电平。在的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当时，和导通，和关断，这时如，则和通，如，则和通，不管哪种情况都是。当时，和导通，和关断，这时如，则和通，如，则和通，不管哪种情况都是。 图8 双极性PWM控制方式波形 图9 三相桥式PWM逆变电路波形 三相桥式PWM逆变电路（调制法）。采用双极性控制方式。 U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波，三相的调制信号、和依次相差120。电路工作过程（U相为例）。当时，上桥臂导通，下桥臂关断，则U相相对于直流电源假想中点的输出电压。当时，导通，关断，则。和的驱动信号始终是互补的。当给()加导通信号时，可能是()导通，也可能是二极管()续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。、和的PWM波形都只有两种电平。输出线电压PWM波由和0三种电平构成。当臂1和6导通时，。当臂3和4导通时，。当臂1和3或臂4和6导通时，。 负载相电压可由下式求得负载相电压的PWM波由、和0共5种电平组成。为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。图10 三相桥式PWM型逆变电路 特定谐波消去法是计算法中一种较有代表性的方法。如果在输出电压半个周期内开关器件开通和关断各k次，考虑到PWM波四分之一周期对称，共有k个开关时刻可以控制，除去用一个自由度来控制基波幅值外，可以消去k1个频率的特定谐波。以三相桥式PWM型逆变电路中的uUN波形为例在输出电压的半个周期内，器件开通和关断各3次（不包括0和时刻），共有6个开关时刻可以控制。 图11 特定谐波消去法的输出PWM波形 为了消除偶次谐波，应使波形正负两半周期镜对称，即 （1）为了消除谐波中的余弦项，简化计算过程，应使波形在正半周期内前后1/4周期以p/2为轴线对称，即 （2）同时满足式(1)和式(2)的波形称为四分之一周期对称波形，这种波形可用傅里叶级数表示为 （3）式中，为 （4）因为图11的波形是四分之一周期对称的，所以在一个周期内的12个开关时刻（不包括0和p时刻）中，能够独立控制的只有、和共3个时刻，该波形的为 （5）在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消，因此通常可以考虑消去5次和7次谐波，根据需要确定基波分量的值，再令和等于0，就可以建立三个方程，联立可求得、和。 （6）这样可以消去两种特定频率的谐波，对于给定的基波幅值，求解上述方程可得一组、和，基波幅值改变时，、和也相应地改变。载波频率与调制信号频率之比称为载波比，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。 异步调制：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。通常保持载波频率固定不变，因而当信号波频率变化时，载波比N是变化的。在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小，PWM波形接近正弦波。当增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大，输出PWM波和正弦波的差异变大，对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。 同步调制：载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。 变化时载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在三相PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波，为了使三相输出波形严格对称和一相的PWM波正负半周镜对称，取N为3的整数倍且为奇数。当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的也很低，过低时由调制带来的谐波不易滤除，当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声；当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的会过高，使开关器件难以承受。 图12 同步调制三相PWM波形 分段同步调制：把范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比N为恒定，不同频段的载波比不同。在高的频段采用较低的载波比，以使不致过高，限制在功率开关器件允许的范围内。在低的频段采用较高的载波比，以使不致过低而对负载产生不利影响。为了防止在切换点附近的来回跳动，在各频率切换点采用了滞后切换的方法。有的装置在低频输出时采用异步调制方式，而在高频输出时切换到同步调制方式，这样可以把两者的优点结合起来，和分段同步方式的效果接近。 3.4、PWM逆变电路的多重化PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。和一般逆变电路一样，大容量PWM逆变电路也可采用多重化技术来减少谐波。采用SPWM技术理论上可以不产生低次谐波，因此，在构成PWM多重化逆变电路时，一般不再以减少低次谐波为目的，而是为了提高等效开关频率，减少开关损耗减少与载波有关的谐波分量。PWM逆变电路多重化连接方式有变压器方式和电抗器方式。PWM逆变电路多重化又分电压型和电流型，电压型又有串联多重连接方式和并联多重连接方式。本次课程设计采用电压型并联多重连接方式。采用SPWM原理，易于实现，技术成熟，可靠性高。且采用工程上常用的变压器方式，电路拓扑结果如图13所示。图13 二重PWM逆变电路结构图四、主要元件的选型4.1、IGBT选型4.1.1、IGBT额定电压的选择三相380V输入电压经过整流和滤波后，直流母线电压的最大值：在开关工作的条件下，IGBT的额定电压一般要求高于直流母线电压的两倍，根据IGBT规格的电压等级，选择1200V电压等级的IGBT。4.1.2、IGBT额定电流的选择以30kW变频器为例，负载电流约为79A，由于负载电气启动或加速时，电流过载，一般要求1分钟的时间内，承受1.5倍的过流，择最大负载电流约为119A ，建议选择150A电流等级的IGBT。4.1.3、IGBT开关参数的选择变频器的开关频率一般小于10kHZ，而在实际工作的过程中，IGBT的通态损耗所占比重比较大，建议选择低通态型IGBT。4.1.4、影响IGBT可靠性因素1)栅电压IGBT工作时，必须有正向栅电压，常用的栅驱动电压值为15187，最高用到20V， 而棚电压与栅极电阻Rg有很大关系，在设计IGBT驱动电路时， 参考IGBT Datasheet中的额定Rg值，设计合适驱动参数，保证合理正向栅电压。因为IGBT的工作状态与正向棚电压有很大关系，正向栅电压越高，开通损耗越小，正向压降也咯小。在桥式电路和大功率应用情况下，为了避免干扰，在IGBT关断时，栅极加负电压，一般在-5- 15V，保证IGBT的关断，避免Miller效应影响。2)Miller效应为了降低Miller效应的影响，在IGBT栅驱动电路中采用改进措施：(1)开通和关断采用不同栅电阻Rg,ON和Rg,off，确保IGBT的有效开通和关断;(2)栅源间加电容c，对Miller效应产生的电压进行能量泄放;(3)关断时加负栅压。在实际设计中，采用三者合理组合，对改进Mille r效应的效果更佳。根据IGBT的选型规则现选用市面上常用的英飞凌（infineon）的IGBT参数如下。表1 IGBT参数规格型号VCEICVCESATTvjmax封装IGB01N120H2600V1A1.95V150P-TO-220-3-14.2、负载选型本次课程设计负载为自拟负载。我选用三相阻感负载，具体参数如下。表2 三相阻感负载参数相电压有功功率无功功率120V1KW0.5KVar五、心得体会通过本次设计使我对PWM逆变电路有了深入的了解，通过在图书馆查阅有关书籍和上网，学到了不少有关PWM的知识。经过我的不懈努力，把PWM调制原理弄明白了，但是这离课程设计需要掌握的知识相差甚远，我只有不断的向老师和同学请教，然后仔细的思考分析。在这次课程设计中，通过用IGBT等器件也复习和巩固了相关知识。在学习电力电子技术的时候觉得其没有太多用途，通过这次设计让我明白了PWM的应用。实践是检验真理的唯一标准，学习再多的理论也只能纸上谈兵，只有把理论应用到实践中，才能检验出自己学习的真实水平。通过这次的课程设计，我不仅把PWM的有关知识系统的复习了一遍，而且学会了在MATLAB中搭建电力电子电路，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。使我更加体会到PWM在逆变电路中的广泛应用。使我更加熟悉了PWM的调制原理和应用。这次的课程设计使我把可PWM的理论知识用在实践中，实现了理论和实践相结合，从中更懂得理论是实践的基础，实践又能检验理论的正确性，本次课程设计让我受益非浅，对我以后的工作和学习产生很大的帮助和影响。这次课程设计让我收获颇丰。还为以后的学习应用垫定基础。参考文献1 洪乃刚. 电力电子技术基础M. 北京：机械工业出版社, 2006.2 王兆安，刘进军. 电力电子技术M. 北京：机械工业出版社，2009.3 周洪霞，李洪烈，任剑. PWM型逆变器多重化的仿真研究J.信息技术，2014年第5期：98-100.4 邓清秀. 三相逆变器PWM实现方法研究D. 武汉：武汉工程大学，2006.5 梁中华等. 多重化逆变器及其控制方法J. 沈阳工业大学学报，2009年第3期31卷：262-265.6 索迹,祁春清. 多重化逆变器的一种控制方法研究J. 电力自动化设备，2006年第11期26卷：52-54.附录1、一重PWM逆变电路仿真图14 PWM三相逆变电路模型图15 三相全桥PWM逆变电路IGBT参数设置图16 三相全桥逆变电路PWM信号发生器参数设置图17 三相变压器参数设置图18 三相阻感负载设置图19一重三相全桥PWM逆变电路仿真结果2、二重PWM逆变电路仿真图20 二重PWM三相逆变电路模型图21 二重三相全桥逆变电路PWM信号发生器参数设置图22 二重三相全桥PWM逆变电路IGBT参数设置图23 六端口变压器参数设置图24 三相阻感负载设置图25 二重化三相全桥PWM逆变电路仿真结果