单极性SPWM逆变电路电力电子课设.docx

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单极性SPWM逆变电路电力电子课设

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

学院:

电气与信息工程学院专业：

自动化

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α为0.5和1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；

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,2004.1.

[2]贾立柱，刘晓龙.基于MATLAB的升降压斩波电路的仿真[J].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）

年月日

摘要

20世纪80年代以来，信息电子技术和电力电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SPWM；Simulink

Abstract

Since1980s,theelectronicinformationtechnologyandpowerelectronicstechnologycombinedtoproduceagenerationofhighfrequencyphaseintheirdevelopment,fullcontrolledpowerelectronicdevices,atypicalgateturnoffthyristor,powertransistor,powerMOSFETandinsulatedgatebipolartransistor.

TheinvertercircuitisoneofthemostimportantapplicationsofPWMcontroltechnology.Hereinthetheoreticalbasisofthesingle-phasebridgeinvertercircuitofthePWM,thesimulationmodelofPWMinverterusingMatlabvisualsimulationtoolSimulinktoestablishthesingle-phasebridgeunipolarcontrolmode,throughdynamicsimulation,studiedthemodulationdepth,thecarrierfrequencyoftheoutputvoltage.Influenceofloadcurrent;andanalyzestheharmoniccharacteristicsofoutputvoltage,loadcurrent.Thesimulationresultsshowthatthemodeliscorrect,anditisprovedthatthemodelisfast,flexible,convenient,intuitiveandaseriesofcharacteristics,soastopowerelectronictechnologyteachingStudyandresearchprovidesaneffectivetool.

Keywords:

PWMcontroltechnology;invertercircuit;SPWMwaveform;Simulink

1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

致谢15

附录16

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α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理：

和

通断状态互补，

和

通断状态也互补。

在

和

的交点时刻控制IGBT的通断。

正半周，

保持通，

保持断。

当

时使

通，

断，

。

当

时使

断，

通，

。

负半周，

保持通，

保持断。

当

时使

通，

断，

;当

时使

断，

通，

。

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25A。

（2）电压源的选择

选择电压为100V的直流电压源。

（3）其他器件选择

电阻选择阻值为7

的电阻，电感选择14mH的电感。

2.2.1参数分析

在PWM控制电路中，载波频率

和调制信号频率

之比：

（1）

称为载波比。

而调制波幅值

与载波幅值

之比：

（2）

称为调制度，调制度

。

在本设计中信号频率

设为50Hz，调制度和载波比可调，按照设计要求载波比N取15和33，调制度α取0.5和1。

3控制与驱动电路的设计

3.1控制电路的设计

PWM（PulseWidthModulation）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的波形。

PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理，即：

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。

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。

如果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PWM波形，被称作单极性PWM波形。

本设计就是采用SPWM法对IGBT进行控制，从而实现直流-交流的逆变过程。

控制电路的原理框图如图3所示，波形图如图4所示：

图3控制电路原理框图

图4控制电路波形图

3.2驱动电路设计

IGBT是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动IGBT。

因此需要信号放大的电路。

具体来讲IGBT的驱动要求有一下几点：

1）动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。

否则IGBT会在开通及关延时，同时要保证当IGBT损坏时驱动电路中的其他元件不会被损坏。

2）能向IGBT提供适当的正向和反向栅压，一般取+15V左右的正向栅压比较恰当，取-5V反向栅压能让IGBT可靠截止。

3）具有栅压限幅电路，保护栅极不被击穿。

IGBT栅极极限电压一般为土20V，驱动信号超出此范围可能破坏栅极。

4）当IGBT处于负载短路或过流状态时，能在IGBT允许时间内通过逐渐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失而受到影响。

4保护电路设计

4.1过电流保护

常见的过电流保护有：

快速熔断器保护，过电流继电器保护，直流快速开关过电流保护。

快速熔断器保护是最有效的保护措施；过电流继电器保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保护功能很好，但造价高，体积大，不宜采用。

因此，最佳方案是用快速熔断器保护。

FＵ

图5快速熔断器

4.2过电压保护

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，用储能元件吸收生产过电压的能量。

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出现过电压的场合。

所以我们选用储能元件吸收生产过电压的能量的保护。

使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中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回路的震动。

保护电路如图。

RAbstract

PWM（PulseWidthModulation）isthecontroltechnologyforpulsewidthmodulationtechnology,itmodulatesaseriesofpulsewidth,equivalenttoobtaintherequiredwaveform（includingtheshapeandamplitude）.TheareaequivalentprincipleisanimportantbasictheoryofPWMtechnology.IfthepulsewidthchangesassinewavethesinewaveandPWMequivalent,alsoknownastheSPWM.PWMwaveformcontroltechnologyiswidelyusedintheinvertercircuit.AninvertercircuitofbipolarSPWMsingle-phasebridgeinvertercircuitiscontrolledbySPWMcontroltechnology.

SimulinkisoneofthemostimportantcomponentsofMATLAB,itprovidesadynamicsystemmodeling,simulationandcomprehensiveanalysisoftheintegratedenvironment.Inthisenvironment,withoutalotofwritingequations,butonlybysimplemouseoperation,youcanconstructacomplexsystem.

Keywords:

PWMcontroltechnology;invertercircuit;SPWMwaveform;Simulink;simulation

RAbstract

Keywords:

PWMcontroltechnology;invertercircuit;SPWMwaveform;Simulink;simulation

RAbstract

Keywords:

PWMcontroltechnology;invertercircuit;SPWMwaveform;Simulink;simulation

RAbstract

PWM（PulseWidthModulation）isthe

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