单相电压型逆变器的结构和工作.docx

咸阳师范学院2015届本科毕业论文（设计）摘 要具有逆向变换功能的电路是利用晶闸管将直流电转变成交流电，这种相对于整流的逆向过程叫做逆变，而逆变器则是将原来的直流电转换成所需交流电的一种装置，其应用领域十分广泛，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，随着高频率逆变技术的发展，逆变器性能和逆变技术的应用都进入了崭新的发展阶段。作为逆变装置中最为简单的一种，单相电压型逆变器也在电力电子领域发挥着极其重要的作用。本课题介绍了当前逆变技术的应用，分析了单相电压型逆变器的结构和工作原理，讨论了PWM调制技术实现逆变的方法，构建了相应的数学模型及MATLAB仿真模型，并对其结果进行了分析讨论，最后得出了相关结论。关键词：电压型；逆变器；MATLAB；PWM调制目 录1. 概述12. 逆变技术的应用13. 单相全桥逆变器23.1 概念23.1 电压型逆变电路的特点23.1 逆变电路的分类34. 系统仿真概述34.1 基本概念34.1 系统仿真的实质34.2 系统仿真的作用34.3 系统仿真的方法35. 逆变失败原因45.1 概述45.2 原因46. 基本电路结构及原理46.1 电路结构的原理图及波形分析45.2 单相电压型全桥逆变电路67. 单元电路设计77.1 触发电路77.2 保护电路88. 逆变电路的PWM控制技术及原理98.1 PWM调制基本原理98.2 PWM调制的实现95.3 载波比和调制深度99. 基于MATLAB的仿真及建模109.1 模型建立及电路仿真1010. 仿真结果分析15（一） 纯电阻负载时：15（二） 电感负载时：16（三） 阻感负载RL时：1611. 总结与体会17参考文献18致谢311. 概述所谓“逆变”，就是将直流电能变换成交流电能，逆变技术作为现代电力电子技术的重要组成部分，正成为电力电子技术中发展最为活跃的领域之一，其应用及其广泛。与此同时，随着各个领域对产品性能要求的不断提高，以及越来越多的用电设备对供电电源要求的多元化，由交流电网提供工频交流电源的单一供电方式已经不能满足产品和生产的实际需要。许多产品和电气设备都要求将不同形式的原始输入电能进行变换，以得到幅值和频率等参数符合各自要求的电能形式，如通信电源，弧焊电源，医用电源，感应加热电源，化汽车电源和电动机调速电源等。目前，这些电源都是采用电力电子技术来实现，其中，应用最多的是通过整流和逆变组合的方式实现电能转换。随着电力电子技术的发展，逆变电路具有广泛的应用范围。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。由于电压型逆变电路具有直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；阻感负载时需要提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管等特点而具有广泛的应用范围。电压型逆变电路主要用于两方面：笼式交流电动机变频调速系统。由于逆变电路只具有单方向传递电能的功能，故比较适用于稳态运行、无需频繁起制动和加、减速的场合。不停电的电源。该电源在逆变电路的输入端并联接入蓄电池，类似于电压源。2. 逆变技术的应用逆变电路是所有新能源转换系统中最重要的电能变换装置，其主要的作用是利用晶闸管装置将直流电能经过DC-AC逆变器转变为与电网同一频率的交流电能，为实现并网提供电能做铺垫。(1) 交流电机的变频调速通过改变交流电机的电压，电流和频率来控制交流电机旋转速度的变频调速技术和产品，广泛应用在风机、水泵、机床、轧机等领域。在轨道交通牵引领域，变频调速技术解决了之前交流电机调速性能问题，使其在成本、功率质量比、维修保护性能等方面比直流电机优越很多，使得交流牵引技术成为轨道交通牵引动力的主要发展方向。(2) 不间断的电源系统为了保证给用户可靠且优质的持续不断地供电，经常使用不间断电源。不间断电源的核心技术就是将蓄电池中的直流电能逆变为交流电能的逆变技术。(3) 感应加热由于逆变器通过控制开关管能够产生特别高频率的交流电，再利用涡流效应使金属被感应，以达到加热的目的，其典型的应用有中频炉、高频炉及电磁炉等。(4) 开关电源由一种直流电获得其他形式的直流电，包括各种体积小重量轻的高频率开关电源，其中大部分包含了DC-AC高频率内部调制的中间转变过程。(5) 变频电源变频电源输出不同于电网频率的恒压，恒频率交流电，它们为电网向采用不同制式的设备供电提供了便利，例如在飞机上设备供电制式为400Hz的交流电为了在地面对这些设备进行调试、实验等工作，就必须采用输出频率为400Hz的变频电源。(6) 电子整流器普通日光灯整流器由于工作在工频电压下，不但效率和功率因数差，而且体积和质量大，采用逆变技术的电子整流器能有效地提高效率和功率因数，并可以大幅度减小体积和质量，实现绿色照明。(7) 有源滤波和无功补偿为了消除电网的谐波污染，抑制谐波电流，提高供电系统的功率因数，对工频交流电网进行有源滤波和无功补偿技术的核心是逆变技术。(8) 家用电器为了节能和改善使用性能，在现代的家用电器中，无不渗透着电力电子技术的最新成就，一些技术含量较高的新产品不断上市，如变频空调、微波炉等。除此之外。逆变电路还有许多的应用，譬如风力发电机的变速恒频率励磁、太阳能发电控制系统以及高压直流输电技术等。逆变技术除了完成将直流电能转换成交流电能最为简单的任务外，更为重要的在于其节能、高效和低耗的优势，在能源短缺的今天，逆变技术显示出其强大的生命力和毋庸置疑的发展前景。3. 单相全桥逆变器3.1 概念单相全桥逆变器有两个桥臂，各个桥臂分别由开关器件和反并联二极管组成，负载连接在两个桥臂的中点。单相全桥逆变器既可组成电压型逆变器，又可组成电流型逆变器。电压型逆变电路，输出电压是矩形波，电流型逆变电路输出电流是矩形波。单相全桥电压型逆变器由两个半桥电路所构成，它是单相逆变电路中应用最多的。根据直流侧电源性质的不同可分为两种形式:直流侧是电压源的称之为电压型逆变电路；直流侧是电流源的则为电流型逆变电路。3.1 电压型逆变电路的特点(1) 直流侧为电压源，或并联大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。(2) 由于直流电压源具有钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位随着负载阻抗的变化而变化。(3) 交流侧为阻感负载时，则需要提供无功功率，直流侧电容起到缓冲无功能量的作用，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变电路每个桥臂并联反馈二极管，也称续流二极管。3.1 逆变电路的分类逆变电路可以分为单相和三相两大类：单相逆变电路大多采用桥式接法，主要有单相半桥逆变电路和单相全桥逆变电路；而三个单相电压型逆变电路则可组成三相电压型逆变电路。4. 系统仿真概述4.1 基本概念所谓系统仿真(system simulation)，就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。4.1 系统仿真的实质(1) 仿真是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时,仿真技术能有效地来处理。(2) 仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映像的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的，这是仿真的主要功能。4.2 系统仿真的作用(1) 仿真的过程也是实验的过程,而且还是系统地收集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。(2) 对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。(3) 通过系统仿真，可以把一个复杂系统降低阶数成若干子系统以便于分析。(4) 通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。4.3 系统仿真的方法系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。由于连续系统和离散(事件)系统的数学模型有很大差别，所以系统仿真方法基本上分为两大类，即连续系统仿真方法和离散系统仿真方法。5. 逆变失败原因5.1 概述逆变运行时，一旦发生换相失败，外部联接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路电路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内部电阻很小，会造成很大的短路电流，这种情况称之为逆向变换失败，或逆向变换颠覆。5.2 原因(1) 晶闸管本身出现故障，如不能正常导通或关断。(2) 触发电路工作不可靠或出现故障，如个别相失去脉冲或产生脉冲延时等。(3) 变流器处于逆变状态时，交流电源断相或突然消失，使变流器直流侧丧失了与直流电动势抗衡的直流平均电压。(4) 未能充分考虑变流器交流侧电抗引起的换相重叠角对逆变电路工作情况的影响，导致换相裕量角不足，从而造成换相失败。6. 基本电路结构及原理6.1 电路结构的原理图及波形分析6.2.1 逆变电路的原理框图图 6-1逆变电路原理框图6.2.2 逆变电路图及其波形举例图 6-2如图 6-2所示，是桥式电路的四个桥臂，由电力电子器件及辅助电路组成。(1) 、闭合，、断开时，负载电压为正。图 6-3、闭合，、断开时电路和波形图(2) 、闭合，、断开时，负载电压为负。图 6-4、闭合，、断开时电路和波形图根据分析得知，改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率；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 6-5等效图及输出波形(3) 当开关、闭合，、断开时，负载电压为正；(4) 当开关、断开，、闭合时，负载电压为负；如此交替反复进行，在负载上得到了有直流电变换的交流电，的波形由图 b)所示；输出交流电的频率与两组开关的切换频率呈正比例关系，即实现了直流电能到交流电能的逆向变换。5.2 单相电压型全桥逆变电路6.2.1 电路结构特点及分析图 6-6单相电压型全桥逆变电路图由电路图可得，单相全桥逆变电路总共有4个桥臂,也可看成是由两个半桥电路组合而成，两组桥臂交替导通180°。输出电压和电流波形和半桥电路波形相同，幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压来实现。可采用移相方法调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各个栅极信号为180º正偏，180º反偏，且T1和T2互补，T3和T4互补关系不变化。T3的基极信号只比T1落后q ( 0<q <180º)，T3、T4的栅极信号分别比T2、T1的前移180º-q，成为正负各为q 的脉冲，改变q 即可调节输出电压有效值。6.2.2 电压型逆变电路的主要特点(1) 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本没有脉动，直流回路呈现低阻抗状态。(2) 由于直流电压源具有钳位的作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角没有关联，而交流侧输出电流波形和相位随着负载阻抗情况的不同而不同。(3) 交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变电路每个桥臂都并联了反馈二极管。图 6-7 波形图图 6-8 波形图6.2.3 输出电压定量分析把幅值为的矩形波展开成傅里叶级数得:u0=4Udsint+13sin3t+15sin5t+其中基波的幅值为:Uo1m=4Ud=1.27Ud基波的有效值为:Uo1=22Ud=0.9Udu0为正负各180°时，要改变输出有效值只能改变Ud来实现。7. 单元电路设计7.1 触发电路该触发电路为D触发器触发，原理图如下图 7-1 D触发器原理：将控制信号转变成其他频率的脉冲，或将控制信号转变成其他频率的脉冲或者脉冲群，用这些脉冲来控制无源逆变电路中的功率开关元件的导通和关断，以此来控制逆变装置。它主要应用于变频调速装置或不停电电源的逆变器中。一般功能是：根据控制信号的要求产生相应频率的输出脉冲，确定逆变器各功率开关的驱动信号间的相位关系，产生足够的驱动功率以驱动功率开关元件，完成功率开关元件和控制电路之间的电隔离。图 7-2 触发电路原理图7.2 保护电路在电力电子电路中，除了电力电子器件选择合适的参数和设计良好的驱动电路外，采用合适的过电压保护、过电流保护也是十分有必要的。下图为缓冲电路，它的作用是抑制电力电子器件内因过电压或过电流从而减小器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路，其中，关断缓冲电路又称过电压抑制电路，用于吸收器件关断过电压和换相过电压，抑制过电压和减小开关损耗；开通缓冲电路又称为过电流抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和过电流，减小器件开通损耗；我们可将两者结合在一起构成复合缓冲电路。图 7-3 保护电路原理图8. 逆变电路的PWM控制技术及原理8.1 PWM调制基本原理PWM(Pulse Width Modulation)控制技术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，充量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本一样。8.2 PWM调制的实现PWM输出脉冲串的宽度，理论上可以根据所需要的调制规律准确地通过计算得到，并以此作为逆变器功率开关器件导通或关断的依据，但用此方法阐明原理较为抽象，因此，现在大多采用更加直观和更易理解的方法来说明PWM控制的基本原理。将所需要得到的逆变器输出电压波形（调制波）与载波信号相比较，然后用比较的控制信号去激励功率开关的导通或关断，就能得到我们所需要的PWM输出电压。其核心思想就是：正弦波为希望输出的波形，三角波为载波信号，调制波与载波信号分别就送入一个比较器的两个输入端，当UM<UC时输出为低电平；反之，当UM>UC时输出为高电平。通过此方式就可得到正弦脉冲序列。显然，当载波信号不变时，输出信号受控于调制信号的波形和幅值，利用这种方式产生PWM的方法载波信号的选择就有多种，选择不同的载波对PWM的性能影响较大，其中尤以等腰三角形应用最为广泛。5.3 载波比和调制深度载波信号频率FC与调制信号频率FM的比值，我们称之为载波比P，可表示为：P=FC/FM ；调制信号的幅值与载波信号的幅值之比我们称之为调制深度M，可表示为：M=UMP/UCP。在大多数情况下，提高载波比能改善逆变器输出波形的质量，在调制频率不变的情况下，提高载波比即就是提高了载波的频率，使得输出信号的频率集中在载波频率附近，谐波的频率有所提高，而高次谐波的的影响将远远小于低次谐波的影响，同时，提高载波比有利于降低负载运行的噪声，但是我们在提高载波比的同时也增加了开关损耗，加之受开关器件固有频率的约束，开关频率都会有一定的限制，所以，选择合适的载波比是极其重要的。我们在进行脉宽调制的时候，一般情况下，不改变载波的幅值，而是通过改变调制波信号的幅值来调节输出脉冲的宽度，以此来调节逆变输出波形的幅值。当调节深度大于1时，逆变输出波形不再完全的受控于载波比，也不再遵循脉宽调制规律，我们把这一调节区域称之为非线性调制区；当调节深度1时，逆变输出波形完全受控于载波比，我们把这一调节区域称之为线性调制区，输出 波形的大小与调制深度呈正比例关系。如果我们继续增大调制深度，就会趋近于方波控制，输出波形所含谐波的分量也会明显增大，所以，我们一般在确定PWM控制策略时，都会尽量的扩大调制区域的控制范围。9. 基于MATLAB的仿真及建模9.1 模型建立及电路仿真单相全桥逆变器等效电路如图所示，其中L为输出滤波电感，C为滤波电容，R为等效电阻，包括线路电阻，开关管压降和死区效应等损耗的电阻；E为直流电源，通过功率开关器件在每个开关周期内开通或关断一次，其目的就是向负载提供交流电。交流测输出电流是由三电平电压组成的等效正弦波，则为负载电压。图 9-1单相电压型PWM逆变器等效电路9.1.1 建立数学模型根据基尔霍夫电压定理和电流定理以及拉普拉斯变换，我们可以得到交流侧数学模型： 式 9-1因此，根据数学模型式 （9-2），我们可进一步建立函数方框图为：图 9-2 单相电压型PWM逆变器等效框图单相电压型PWM逆变器采用电流内环和电压外环进行双环控制。通过采样滤波电感电流或滤波电容电流和滤波电容电压，用外环电压误差的控制信号控制电流，通过调节电流使输出电压跟踪参考电压值变化。电流内环可以扩大逆变控制的宽带，从而加快逆变器的动态响应，减小输出电压的谐波含量。单相电压型PWM逆变器的双环控制框图如下：图 9-3 双环控制框图9.1.2 电路模型建立，SIMULINK仿真电路图图 9-4 SIMULINK仿真电路图9.1.3 电路各元件介绍本电路涉及8种元件，分别是直流电源（DC Voltage Source）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、二极管（Diode）、脉冲发生器（Pulse Generator）、串联RL支路（Series RLC Branch）、电流表（Current Measurement）、电压表（Voltage Measurement）、示波器（Scope）。9.1.4 控制方式（一） 单极性控制所谓单极性控制方式，就是调制信号与载波信号始终保持相同的极性，两者绝对值相比较就可以得到单极性脉冲，将单极性脉冲信号相乘就可得到逆变器所需要的正、负半周对称的PWM脉冲信号。图 9-5单极性PWM方式的单相桥式逆变电路图 9-6单极性PWM控制方式波形（二） 双极性控制相对于单极性控制，双极性控制的调制波和载波都采用双极性信号，与单极性控制方式相比较，双极性控制在PWM信号产生和主电路的结构方面都较为简单，所以其应用也就更为广泛。图 9-7单相电压型逆变电路双极性SPWM仿真图图 9-8双极性PWM控制方式波形10. 仿真结果分析（一） 纯电阻负载时：输出方波电压瞬时值为：输出方波有效值为：基波分量有效值为：（二） 电感负载时：，期间，、导通，起负载电流续流的作用，在此期间均不导通。由可得负载电流峰值为：（三） 阻感负载RL时：(1) 期间，和有驱动信号，由于电流为负值，和不导通，、导通起负载电流续流作用， 。 (2) 期间，为正值，和导通。(3) 期间，和有驱动信号，由于电流为负值，、不导通， 、 导通起负载电流续流作用，。(4) 期间， 和导通。11. 总结与体会在前述的理论分析的基础上，基于MATLAB，SIMULINK仿真软件进行的仿真研究，仿真结果表明，单极性方式的交流输出与双极性的交流输出相比较，单极性方式控制下的波形更加的接近正弦波形，所包含的高次谐波含量也低于双极性控制，因此，在对输出波形谐波含量更为严格的场合，就比较适合使用单极性调制。根据调试过程中参数与波形间的变化关系，改变调制比m和载波比N，增大m和N，可以有效的减小输出电压和输出电流的谐波分量，即，单相桥式逆变电路的单极性调制使得输出的电压波形更加的接近正弦波，谐波分量更小，通断频率等效的提高了一倍。本课题是以单相电压型全桥逆变器作为研究对象，介绍了逆变技术的应用，分析了单相电压型全桥逆变电路的结构和工作原理，并总结了逆变失败的原因，以及其保护电路的设计与讨论，对PWM调制和控制也做了介绍，对PWM调制的实现方法做了基本的理论分析，最后基于MATLAB进行了仿真并得出相应结论。通过对电压型单相全桥逆变器的研究和学习，对其工作原理和输入输出情况进行了分析，将理论与实际结合起来，在设计过程中，需要用到电力电子技术等方面的知识，此次研究也让我对所学知识有了更深的体会与感悟，通过对其参数的设置和计算，自己的计算能力和理解能力都有所提高。通过建模仿真，首先我初步掌握MATLAB的基本应用，其中包括数据结构，数值运算及程序设计；其次熟悉了SIMULINK系统仿真坏境，其中包括SIMULINK工作环境，基本操作，模型建立及重要模块库等；在此基础上，我还能够使用MATLAB完成单极性PWM逆变电路的计算机仿真，对于PWM控制方式的单相桥式逆变电路，既可以选择单极性PWM控制方式，也可选择双极性PWM控制方式，单极性PWM在线性调制情况下的谐波性能明显优于双极性调制，通过适当的参数设置，运用PWM控制技术能够很好的实现逆变电路的运行需求。单相电压型全桥逆变器实现交流到直流的转换，通过双闭环控制使得交流侧负载输出电压稳定度好，精度高；加入滤波环节以后是负载电压和电流波形近似正弦化。我们所学习的知识必须与生活实际相联系，目前，电压型逆变器在工业自动化领域已经得到了广泛应用，通过本次研究学习，使得我们所学有了更进一步的提升和巩固。19参考文献1 周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真M.北京:中国电力出版社,2005 2 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