揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院本科生課程設(shè)計題 目 單相逆變電路的PWM控制設(shè)計與研究課 程 電力電子技術(shù) 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)老師 劉大年 完成日期 2016 年 1 月 1目錄1 緒論 .21.1 課程題目 .21.2 設(shè)計目的及要求 .21.5 日程安排 .21.6 主要參考書 .22 單相橋式逆變電路 .42.1 電壓型逆變電路 .42.2 電流型逆變電路 .63 單相橋式 PWM 逆變主電路設(shè)計 .103.1 逆變控制電路的設(shè)計 .103.2 正弦波輸出變壓變頻電源調(diào)制方式 .124 驅(qū)動和保護(hù)電路的設(shè)計 .144.1 過電流保護(hù) .144.2 驅(qū)動電路的設(shè)計 .155 仿真實驗 .165.1 單相橋式 PWM 逆變主電路原理圖 .165.2 單極性控制電路原理圖 .165.3 仿真所得波形 .177 小結(jié) .238 參考文獻(xiàn) .2421 緒論1.1 課程題目單相逆變電路的PWM控制設(shè)計與研究1.2 設(shè)計目的及要求1、通過對單相橋式 PWM 逆變電路的設(shè)計，掌握單相橋式 PWM 逆變電路的工作原理，綜合運用所學(xué)知識，進(jìn)行單相橋式全控整流電路和系統(tǒng)設(shè)計的能力。2、了解與熟悉單相橋式 PWM 逆變電路拓?fù)?，控制方法?、理解和掌握單相橋式 PWM 逆變電路及系統(tǒng)的主電路、控制電路和保護(hù)電路的設(shè)計方法，掌握元器件的選擇計算方法。4、具有一定的電力電子電路及系統(tǒng)實驗和調(diào)試的能力。1.5 日程安排本次課程設(shè)計時間共一周，進(jìn)度安排如下：1、設(shè)計準(zhǔn)備，熟悉課題設(shè)計要求及內(nèi)容。 （1 天）2、分析控制要求、電路方案設(shè)計。 （1 天）3、繪制電路接線圖。 （2 天）4、電路分析、計算。 （2 天）5、整理計算書及圖紙、寫課程設(shè)計報告。 （1 天）1.6 主要參考書1、 孫樹樸等、電力電子技術(shù)（第一版） 、中國礦業(yè)大學(xué)出版社、19992、邵丙衡、電力電子技術(shù)（第一版） 、鐵道出版社、19973、王兆安，黃俊、電力電子技術(shù)（第四版） 、機械工業(yè)出版社、20084、 葉斌、電力電子技術(shù)習(xí)題集（第一版） 、鐵道出版社、199535、趙良炳、現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)（第一版） 、清華大學(xué)出版社、199542 單相橋式逆變電路單相全橋逆變電路主要由逆變電路和控制電路組成。逆變電路包括逆變?nèi)珮蚝蜑V波電路，其中逆變?nèi)珮蛲瓿芍绷鞯浇涣鞯淖儞Q濾波電路濾除諧波成分以獲得需要的交流電；控制電路完成對逆變橋中開關(guān)管的控制并實現(xiàn)部分保護(hù)功能。單相橋式逆變電路 S1S4 是橋式電路的 4 個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。S1、S4 閉合，S2、S3 斷開時，負(fù)載電壓 uo 為正 S1；S1、S4 斷開，S2、S3 閉合時，uo 為負(fù)，把直流電變成了交流電。改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖 2 逆變電路及其波形電阻負(fù)載時，負(fù)載電流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載時，io 滯后于uo，波形也不同。t1 前：S1、S4 通，uo 和 io 均為正。 t1 時刻斷開 S1、S4，合上S2、S3，uo 變負(fù)，但 io 不能立刻反向。 io 從電源負(fù)極流出，經(jīng) S2、負(fù)載和 S3 流回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋，io 逐漸減小，t2 時刻降為零，之后 io 才反向并增大 2.1 電壓型逆變電路2.1.1 電壓型逆變電路的特點：1、直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動。2、交流側(cè)輸出電壓為矩形波，輸出電流和相位因負(fù)載阻抗不同而不同。3、阻感負(fù)載時需提供無功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，5逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。2.1.2 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式：共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導(dǎo)通 180。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓 Ud 來實現(xiàn)。阻感負(fù)載時，還可采用移相的方式來調(diào)節(jié)輸出電壓 移相調(diào)壓。V3 的基極信號比 V1 落后 （0180 ） 。V 3、V 4 的柵極信號分別比 V2、V 1 前移 180 。 輸出電壓是正負(fù)各為 的脈沖。改變 就可調(diào)節(jié)輸出電壓。故移相調(diào)壓就是調(diào)節(jié)輸出電壓的脈寬。tOtOtOtOtOb)G1uG2uG3uG4uoiot1 t2t3iouo62.1.3 帶中心抽頭變壓器的逆變電路交替驅(qū)動兩個 IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。 Ud 和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比為 1：1：1 時， uo 和 io 波形及幅值與全橋逆變電路完全相同。此電路與全橋電路的比較：1）比全橋電路少用一半開關(guān)器件。2）器件承受的電壓為 2Ud，比全橋電路高一倍。3）必須有一個變壓器 。圖 2.1 帶中心抽頭變壓器的逆變電路2.2 電流型逆變電路2.2.1 電流型逆變電路主要特點：1、直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動，相當(dāng)于電流源。2、交流側(cè)輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)。輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。3、直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。換流方式有負(fù)載換流、強迫換流。2.2.2 單相電流型逆變電路7圖 2.2 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路此電路的工作原理如下：1、由四個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器，用來限制晶閘管開通時的di/dt。2、工作方式為負(fù)載換相。3、電容 C 和 L、R 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。4、輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。5、負(fù)載電路對基波呈現(xiàn)高阻抗而對諧波呈現(xiàn)低阻抗，故負(fù)載電壓波形接近正弦波。工作分析一個周期內(nèi)有兩個導(dǎo)通階段和兩個換流階段1、t 1t2：VT 1 和 VT4 穩(wěn)定導(dǎo)通階段，i =Id，t 2 時刻前在 C 上建立了左正右負(fù)的電壓。t2t4： t2 時觸發(fā) VT2 和 VT3 開通，進(jìn)入換流階段。2、L T 使 VT1、VT 4 不能立刻關(guān)斷，電流有一個減小過程。VT 2、VT 3 電流有一個增大過程。3、 4 個晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電容電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電。4、 LT1、VT 1、VT 3、L T3 到 C；另一個經(jīng) LT2、VT 2、VT 4、L T4 到 C。5、i 在 t3 時刻，即 iVT1=iVT2時刻過零，t 3 時刻大體位于 t2 和 t4的中點。6、t= t 4時，VT 1、VT 4 電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t 4-t2= t 稱為換流時間。8tOtOtOtOtOtOtOtOuG1,4uG2,3 iTioIdt1t2t3t4 t5t6 t7tu otuABttIdiVT 1,4iVT 2,3uVT 2,3uVT 1,4圖 5 并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形2.2.3 保證晶閘管的可靠關(guān)斷及有關(guān)參數(shù)計算。晶閘管需一段時間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使 VT1、VT 4 承受一段反壓時間 t， t = t5- t4 應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時間 tq。為保證可靠換流，應(yīng)在 uo 過零前 t = t5- t2 時刻觸發(fā) VT2、VT 3 。 . t 為觸發(fā)引前時間 ： io 超前于 uo 的時間 ： 表示為電角度 ： 為電路工作角頻率；、 分別是對應(yīng)的電角度。t2t 2t9忽略換流過程， io 可近似成矩形波，展開成傅里葉級數(shù)：基波電流有效值 ： 負(fù)載電壓有效值 Uo 和直流電壓 Ud 的關(guān)系（忽略 Ld 的損耗，忽略晶閘管壓降）： 實際上如中頻加熱過程中，感應(yīng)