中国石油大学电力电子技术设计论文基于PWM波的交直交变频电路的设计.docx

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中国石油大学电力电子技术设计论文基于PWM波的交直交变频电路的设计

中国石油大学电力电子技术设计论文基于PWM波的交-直-交变频电路的设计

得分：

《电力电子技术大作业》

作业题目：

基于PWM波的交-直-交变频电路的设计

姓名：

李想

班级：

电气1204

学号：

12053422

同组人：

刘心

王友琳

中国石油大学（华东）

日期：

2014年12月13日

摘要

本文总体概括地分析了交直交型变频电路的结构和各部分的作用。

重点分析了电容滤波的三相不可控桥式整流电路的工作状态、三相桥式PWM逆变电路以及滤波电路。

在分析工作状态时,给出了不同工作状态下负载相电压和负载线电压的大小,并详细地分析了整流、逆变过程以及如何调节PWM来实现变频的效果。

关键词：

交直交型变频器;三相不可控桥式整流电路;PWM控制三相桥式逆变电路

Abstract

ThisthesisanalyzescircuitstructureofACDCACfrequencyconverterinvoltagetypeandfunctionofeachpart　briefly．Focusesontheworkingconditionsofthree-phasebridgerectifiercircuitcapacitorfilter,three-phasebridgePWMinvertercircuitandY/Y-typerectifiercircuit．Whiletheanalyticalwork,underdifferentconditionsisgiventhesizeoftheloadphasevoltageandloadlinevoltage，Anddetailedanalysisofrectifier,theinversionprocess．

　　Keywords:

AC-DC-ACfrequencyconverter;rectifierinverter;stableworkingstate

第7章感悟收获与总结………………………………………………………………………11

第1章引言

变频技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的高科技技术。

变频器以其具有调速、节电、节能、可靠、高效的特性广泛应用于各个领域中：

直流输电、不同频率电网系统的连接、静止无功功率补偿和谐波吸收、超导电抗器的电力储存、高频输电；在运输及产业行业中的交流电动机调速、超导悬磁浮列车、高速铁路、电动汽车、产业用机器人；在家用电器方面有变频空调、变频洗衣机、变频电动自行车等；军事方面有通信、导航、雷达、宇宙设备的小型轻量化电源等；石油行业已实现了采油的调速、超声波驱动等。

PWM控制技术是一种十分有效的调节技术，其广泛应用于逆变电路中，也正因于此，PWM技术才发展成为一种成熟的广泛应用的技术，其在电力电子技术中占有十分重要的作用。

本文详细地讨论了PWM在逆变调速中的应用。

第2章交直交变频器电路图及工作原理

2.1电路图以及对应的波形仿真图

2.11整流滤波部分

图一整流电路图

图二整流电路仿真波形

2.12逆变部分

图三逆变电路图

图四逆变电路仿真波形

2.13滤波部分

图五滤波电路图

图六滤波电路仿真波形

2.14总体电路图

图七总体电路图

图八总体仿真波形

2.2工作原理

在实际生活中使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均为200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）等。

通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。

交-直-交型变频器的工作原理是借助微电子器件、电力电子器件和控制技术，先将工频电源经过三相不可控整流桥电路整流成直流电，再由电力电子器件把直流电逆变为频率可调的交流电源，最后经滤波电路滤去谐波得到正弦波。

变频器由整流器、逆变器和滤波电路三部分组成。

各部分的功能如下：

整流器是把三相（或单相）交流电源通过三相不可控整流桥电路整流成直流电。

在SPWM变频器中，大多采用全波整流电路。

大多数中、小容量的变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管或者二极管模块；逆变器的作用与整流器相反，是将直流电逆变为电压和频率可变的交流电，以实现交流电机变频调速。

逆变电路由开关器件构成，大多采用桥式电路，常称逆变桥。

在SPWM变频器中，开关器件接受控制电路中SPWM调制信号的控制，将直流电逆变成三相交流电；滤波电路可滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，即在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路，可以尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑接近正弦波。

除此之外，可外加控制电路，这部分电路由运算电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成，一般均采用大规模集成电路。

2.21整流环节

由6个二极管构成三相不可控桥式整流电路,采用自然换相。

这6个二极管的导通顺序是（VD1,VD2）→（VD2,VD3）→（VD3,VD4）→（VD4,VD5）→（VD5,VD6）→（VD6,VD1）。

整流电路的作用是:

将生活中常用的三相交流电整流成直流电Ud,由于本电路是三相不可控整流，经过电容滤波作用，得到与变压器原边具有一定函数关系的直流电。

两者的关系用公式表示三相桥式不可控整流电路接电容滤波型负载:

Ud≈2.34U2。

2.22逆变环节

本文介绍的交直交变频器采用三相桥式ＰＷＭ逆变电路。

SPWM的概念是,在进行脉宽调制时,使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排,当正弦值为最大值时,脉冲的宽度也最大,而脉冲间的间隔则最小,反之,当正弦值较小时,脉冲的宽度也小,而脉冲间的间隔则较大,这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小,称为正弦波脉宽调制。

首先,介绍波调制原理以正弦波作为逆变器输出的期望波形,以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波，当调制波与载波相交时,由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻,从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。

按照波形面积相等的原则,每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等,因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。

这种调制方法作正弦波脉宽调制，这种序列的矩形波称作SPWM波。

如果在正弦调制波的半个周期内,三角载波只在正或负的一种极性范围内变化,所得到的PWM波也只处于一个极性的范围内,叫做单级性控制方式。

单极性调制的工作特点每半个周期内逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中,只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作,另一个完全截止而在另半个周期内,两个器件的工况正好相反,流经负载的便是正、负交替的交变电流。

如果在正弦调制波的半个周期内,三角载波只在正或负的一种极性范围内变化,所得到的波也只处于一个极性的范围内,叫做单极性控制方式。

单极性调制的工作特点每半个周期内逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中,只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作,另一个完全截止而在另半个周期内,两个器件的工况正好相反,流经负载的便是正、负交替的交变电流。

如果在正弦调制波半个周期内,三角载波在正负极性之间连续变化，则波也是在正负之间变化,叫做双极性控制方式。

双极性调制的工作特点逆变桥在工作时,同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断,毫不停息,而流过负载的是按线电压规律，变化的交变电流。

这种方式的主要优点在于PWM逆变器实现调频，故其动态特性好，输出电流的波形接近正弦波，输出的谐波分量小，使电动机平稳运行，并且它是将工频交流电通过二极管整流和电容滤波后供给PWM逆变器逆变，电网波形畸变小，功率因素较高。

交直交变频控制简单，所用的二极管元件少，利用率高，且频率调节范围宽，适合应用于要求精度高、调速性能较好、频率调节范围宽的场合。

2.23滤波环节

脉动较大的交流电进行滤波变成比较平滑的接近正弦的波形。

把整流好的交流电经过两个电容进行滤波，即交流侧有较大的电容,能够滤除干扰波,可使交流电压的波形更为平直。

第3章变频器参数选择

3.1整流部分

三相不可控整流桥输出电压

Ud=2.4U2=220*2.4=528v

3.2逆变部分

三相电压型逆变电路负载相电压有效值

Un=0.471Ud=528*0.471=248v

第4章变频器的应用

近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速已成为发展趋势。

电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义．

变频器调速运行的节能原理实现变频调速的装置称为变频器。

变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器等部分组成。

首先将三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在PWM逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。

在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U／f协调控制的要求。

PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。

在变频器主回路中电能经过了交流——直流——交流的变换，所以这类变频器称作交——直——交类变频器。

我国变频器技术的发展及应用概况

（一）变频器的发展随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。

由于换向器的存在，直流电机的维护量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。

人们开始转向结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的异步电动机。

但异步电动机的调速性能难以满足生产的需要。

于是，从20世纪30年代开始，人们致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。

在相当长的时期内，直流调速一直以其优异的性能统治着电气传动领域。

20世纪60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。

目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。

（二）我国变频器的应用主要是用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。

自上世纪80年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。

1、变频器与节能变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。

中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。

因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术。

应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。

以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。

当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。

因此，精确调速的节电效果非常可观。

与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计裕量偏大。

而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。

如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。

因此，变动负载的节能潜力巨大。

作为节能目的，变频器广泛应用于各行业。

以电力行业为例，由于中国大面积缺电，电力投资将持续增长，同时，国家电改方案对电厂的成本控制提出了要求，降低内部电耗成为电厂关注焦点，因此变频器在电力行业有着巨大的发展潜力，尤其是高压变频器和大功率变频器。

2、变频器与工艺控制（速度控制）目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高，因此提高设备控制水平至关重要。

由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。

3、变频家电除了工业相关行业，在普通家庭中，节约电费、提高家电性能、保护环境等受到越来越多的关注，变频家电成为变频器的另一个广阔市场和应用趋势。

带有变频控制的冰箱、洗衣机、家用空调等，在节电、减小电压冲击、降低噪音、提高控制精度等方面有很大的优势。

（三）国内变频技术的现状和发展前景国内已经有较多的变频器生产厂，但大部分的产品都是V／F控制和电压空间矢量控制变频器，使用在调速精度和动态性能要求不高的负载上应该没有问题。

工业应用中绝大部分都是这种负载，变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠性，国产变频器占国内市场份额不高的主要原因是产品品质不过硬。

V／F控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多，由于国内厂家大部分都是手工作坊式的生产，工艺欠佳，检测手段有限，品质的一致性和稳定性难以保证。

同样是V／F控制的变频器，国外的产品比国内的产品品质要好，这可能是生产工艺方面的差距。

差距最大的是半导体功率器件的制造业，至今在国内这仍是一个空白。

变频器技术的另外一个层面是应用技术。

多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用，在技术开发及技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向，同时鼓励单位开展同贷同还方式，抓开发、抓示范工程、抓推广应用，还处理了风机、水泵节能中心，开展信息咨询和培训。

据有关资料表明，我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩，每年有数十亿元的销售额，说明我国的变频器应用已非常广泛。

在大型综合自动化系统，先进控制与优化技术，大型成套专用系统，如连铸连轧生产线、高速造纸生产线、电缆光纤生产线、化纤生产线、建材生产线等，变频器的作用是电气传动控制，其控制的复杂性、控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完全取代了直流调速技术。

近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论，开发出了诸如卷取、提升、主从等控制功能，使应用系统的构成更加方便和容易，使变频器的应用技术提高到一个新的水平。

结论变频调速这一技术正越来越广泛的深入到行业中。

它的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势应用变频调速技术也是改造挖潜、增加效益的一条有效途径。

尤其是在高能耗、低产出的设备较多的企业，采用变频调速装置将使企业获得巨大的经济利益，同时这也是国民经济可持续发展的需要。

第5章未来的发展趋势

变频器技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。

前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决（基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略）的硬、软件开发问题（在目前状况下主要为全数字控制技术）。

其主要发展方向有：

（1）实现高水平的控制。

基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。

（2）开发清洁电能的变频器。

所谓清洁电能变频器是指变频器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。

对中小容量变频器，提高开关频率的PWM控制是有效的。

对大容量变频器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。

（3）缩小装置的尺寸。

紧凑型变频器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。

功率器件冷却方式的改变（如水冷、蒸发冷却和热管）对缩小装置的尺寸也很有效。

（4）高速度的数字控制。

以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。

（5）模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。

电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。

据统计，我国的变频器市场销售额大约90亿人民币，仅占需求量的25%左右，因此变频器市场非常看好。

今后发展趋势大致为：

主控一体化、装置小型化、绿色电源（EMC电器兼容）环保化、设备装置专用化和系统化。

此外，随着工业现场和社会环境对变频器的要求不断提高，满足实际需要的真正“绿色”变频器不久也会面世。

14

第6章对整个电路的评价

此电路采用电压型变频方式,这是变频器中最常用的一种方式。

变频器输出的三相电压幅值和频率的调节方法。

变频器的频率和幅值是利用PWM控制的，假如三角波载波信号的频率和幅值不变，然后通过调节调制信号的幅值或者频率，就可以改变占空比，已达到改变输出电压有效值的效果，从而实现变频。

变频后可以控制负载的工作状况，列如，可以控制直流电动机的调速。

15可见,这种变频器属于PWM（即脉宽调制）型变频器,PWM方式的特点是:

输出电压的幅值和频率的调节是通过控制调制信号完成的。

整流管和逆变管均由二极管和可控器件IGBT构成,而生产和使用二极管以及IGBT的技术已经很成熟。

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第7张感悟收获与总结

经过一周的激烈讨论与紧张设计，在我们组三个成员的共同努力下，我们终于圆满地完成了本次电力电子大作业设计。

经过这次设计，我收获了很多。

从最开始老师布置设计任务到我们组成设计小组，再到我们商讨设计题目，并经过讨论，合作，逐步完成电路设计，在这期间我们通过查询资料，相互探讨学到了很多的知识。

这种知识与经验的积累是无法在平时的学习中获得的。

本次设计是基于PWM波控制的交直交变频电路的设计，通过本次设计让我对三相不可控整流电路，PWM控制的三相电压型逆变电路等有了更清楚的认识，更深入的感悟。

对整流电路的工作原理，逆变电路的工作原理有了全新的认识，更是认识到PWM在电力电子中所扮演的重要角色。

知道了通过调节占空比可以改变输出电压的有效值，从而控制负载的工作情况，通常是对电机的控制。

总之，通过本次设计，让我对电力电子有了全新的认识和感悟，也激发了对这门课程的学习乐趣。

因此学好本门课程，在实际生活中定会有很大的用处。

13参考文献【13】

14参考文献【11】

15参考文献【14】

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