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直流變交流三相逆變器篇一
1.設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)要求
輸出電壓v0：220v 輸出頻率f：50hz 負(fù)載功率因數(shù)cosφ：0.8-1 過載倍數(shù)：1.5倍 輸出功率p0：6kva
負(fù)載參數(shù)的計(jì)算
負(fù)載輸出部分電路圖，如圖所示
負(fù)載輸出電路
負(fù)載電阻最小值計(jì)算
當(dāng)cosφ=1時(shí)，負(fù)載電阻計(jì)算計(jì)算公式為公式（3-1）；當(dāng)cosφ=0.8時(shí)，負(fù)載電阻計(jì)算公式為公式（3-2）
r?vo?po?2202?6000?8.07?（3-1）vo2202r???10.08?（3-2）
pocos?6000?0.822負(fù)載電感最小值計(jì)算
負(fù)載無功功率ql1為
ql1?posin??6?sin37??3.6kva
負(fù)載電感感抗zl1為
zl1vo2202???13.4? ql136002負(fù)載電感l(wèi)1為
l1?zl113.4??42.81mh 2?f2??50濾波電容計(jì)算
濾波電容與負(fù)載并聯(lián)，對(duì)逆變電路輸出電流影響較大，所以設(shè)計(jì)濾波電路時(shí)選擇濾波電容取濾波電容容抗等于負(fù)載電感感抗的2倍
濾波電容容抗zc為
zc?2zl1?2?13.4?26.8?
濾波電容c為
c?12?fzc?1?118.8?f
2??50?26.8實(shí)際取值120uf,由12個(gè)10uf的電容構(gòu)成 電容阻抗實(shí)際值z(mì)c1 為
zc1?12?fc?1?26.5258?
2??50?120?10?6無隔離變壓器時(shí)，逆變器輸出電流有效值
長(zhǎng)期最大電流io（長(zhǎng)）為
io(長(zhǎng))?（22022202）?（）?28.50a 8.0726.5258 短期最大電流i0(短）為
io(短)?（1.5?22022202）?（）?41.72a
8.0726.5258無隔離變壓器時(shí)，逆變器輸出電流峰值
長(zhǎng)期電流峰值iop(長(zhǎng)）為
iop(長(zhǎng))?2io(長(zhǎng))?2?28.50?40.31a
短期電流峰值iop(短）為 iop(短)?2io?2?41.72?59.00a
三相逆變器電路
三相逆變電路
濾波電感計(jì)算
1.濾波電感的作用
1).減小輸出電壓的諧波電壓 2).保證濾波電壓的傳輸
2.設(shè)計(jì)濾波器時(shí)應(yīng)該注意以下問題
1).濾波電路固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離輸出電壓中可能出現(xiàn)的諧波頻率（例60倍頻）2).?2lc應(yīng)該遠(yuǎn)小于1（即?2lc??1)3).?lr根據(jù)設(shè)計(jì)濾波器時(shí)要注意的問題要求而選擇?l?1.5 濾波電感l(wèi)為
1.51.5??4.775mh 2?f2??50應(yīng)較小
l?實(shí)際取值為5mh 所以濾波電感感抗zl為
zl??l?2?fl?2??50?5?10?3?0.314? 濾波電路的固有頻率f'為 f'?12?lc?12?5?10?130?10?3?6?197.511hz
?2lc?0.0923??1滿足要求
逆變電路輸出電壓
濾波及負(fù)載部分電路圖，如圖所以
濾波及負(fù)載部分電路圖
在過載1.5倍的情況下：
cos??1時(shí)（即純阻性）
電感電流il與ir間的夾角?為
??arctan(r8.07)?arctan()?11.47? 1.5zc1.5?26.5258電感電流il為
il?ic?(1.5ir)2?(電感l(wèi)上的壓降?vl為 222021.5?2202)?()?41.72a
26.52588.07?vl?ilzl?41.72?0.341?14.23a 逆變電路的輸出電壓vi為
vi?2202?14.232?2?220?14.23?cos(90??11.47?)?217.62v
cos??0.8時(shí)（即阻感性）
負(fù)載電感電流il1與濾波電容電流ic之差為 il1?ic? 1.5?220zl1?220zc?1.5?220220??16.333a
13.426.5258il1?ic與ir之間的夾角?為
??arctan(16.333)?26.51?
1.5?22010.08電感電流il為
il?(2ir)2?(il1?ic)2?(電感l(wèi)上的壓降為?vl為
1.5?2202)?(16.333)2?36.59a
10.08?vl?ilzl?36.59?0.314?11.49v 逆變電路的輸出電壓vi為
vi? 2202?11.492?2?220?11.49?cos(90??26.51?)?225.363v主開關(guān)器件的耐壓
主開關(guān)器件的耐壓根據(jù)所有工作情況下的最高電壓考慮，主開關(guān)器件所承受的最高電壓一般出現(xiàn)在輸入電壓最高、輸出負(fù)載最輕時(shí)，選主開關(guān)器件耐壓為實(shí)際工作電壓的2倍。
取逆變電路在過載情況下的輸出電壓的2倍，即225.363*2=450.726v。在留有一定裕量下，實(shí)際選650v耐壓的開關(guān)器件。
輸出濾波模型
輸出濾波電路圖，如圖所示
輸出濾波電路 根據(jù)輸出濾波電路寫出如下關(guān)系式 dil?vi?vo?ri1 dtdvoc?i1?i0 dt
將式上面公式變換形式后的式下面公式
lsi1?vi?vo?ri1
csvo?i1?io
根據(jù)上面公式畫出輸出濾波仿真模型，如圖所示
輸出濾波仿真模型 輸出電壓vo與輸入電壓vi的關(guān)系式為
vo?1ls?rvi?io
lcs2?rcs?1lcs2?rcs?1三相逆變器的控制策略
在給定輸入vi與負(fù)載擾動(dòng)輸入io共同作用下下，閉環(huán)輸出vo（s）為kds2?kps?kis(ls?r)vo?vi(s)?io(s)lcs3?(rc?kd)s2?(kp?1)s?kilcs3?(rc?kd)s2?(kp?1)s?ki 其閉環(huán)特征方程d(s)為
d(s)?lcs3?(rc?kd)s2?(kp?1)?ki 主導(dǎo)極點(diǎn)s1、2為
2s1、2???r?r?j?r1??r
非主導(dǎo)極點(diǎn)s3為
s3??n?r?r(n?5?10)期望的特征方程dr(s)為
dr(s)?(s?sr1)(s?sr2)(s?sr3)?(s2?2?r?r??r2)(s?n?r?r)根據(jù)極點(diǎn)配置法求解，得
kd?(n?2)?r?rlc?rc kp?(2n?r2?1)?r2lc?1 ki?n?r?r3lc
?r是阻尼比 ?r是自然振蕩頻率 l為濾波電感 c為濾波電容 當(dāng)?r?0.8、?r?3500、n?
10、r?0.6?時(shí)，代入到公式中求得
kp=9.15
kd=0.02
ki=20658
雙閉環(huán)控制系統(tǒng)
將濾波電感電流或?yàn)V波電容電流瞬時(shí)值作為反饋量引入控制系統(tǒng)，設(shè)置電流內(nèi)化改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能
雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型有三種情況，如圖所示
雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型
如圖所示，模型中負(fù)載擾動(dòng)在內(nèi)環(huán)之外，其優(yōu)點(diǎn)是能方便的實(shí)現(xiàn)逆變器的過流保護(hù)，但對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的抗干擾性弱。
雙閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)特征方程d(s)為 d(s)?s?4rc?k2plcs3?1?k1pk2p?ck2i2k1pk2i?k2pk1ikks?s?1i2ilclclc
四階系統(tǒng)期望閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)s1、2為
2s1、2???r?r?j?r1??r
非主導(dǎo)極點(diǎn)s3、s4為
s3??m?r?r
s4??n?r?r
期望的四階系統(tǒng)特征方程dr(s)為
dr(s)?(s2?2?r?rs??r2)(s?m?r?r)(s?n?r?r)根據(jù)極點(diǎn)配置法求解，得
a0?lcmn?r2?r4
a1?lc(m?n?2mn?r2)?r?r3 a2?lc[1?(2m?2n?mn)?r2]?r2 a3?lc(2?m?n)?r?r k1pa2?ck2i?1
k2pa0 k2ia3?rc k1i?k2p?322ck2i?(1?a2)k2i?a1k2pk2i?k2pa0?0
將?r?0.8?r?3500m?n?10r?0.6?，代入公式求得
a0=6.5*10∧9 a1=3*10∧6 a2=700 a3=0.03
k2p=307 k2i=50 k1p=2.521 k1f=5477.543
2．仿真
三相逆變器電路simulink仿真圖
仿真結(jié)果
直流變交流三相逆變器篇二
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求
條件：輸入直流電壓：110v。要求完成的主要任務(wù):（1）開關(guān)元器件的選擇（2）各模塊方案選擇（3）各模塊方案設(shè)計(jì)（4）總電路的設(shè)計(jì)（5）各模塊的器件選型（6）參數(shù)計(jì)算
設(shè)計(jì)容量為3kva的三相逆變器，要求達(dá)到：（1）輸出380v，頻率50hz三相交流電（2）完成總電路設(shè)計(jì)
（3）完成電路中各元件的參數(shù)計(jì)算
1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)分析
由于輸入直流電壓只有110v，而輸出交流電壓要求有效值為380v，所以必須通過升壓電路將直流電壓升到到一定值才能作為逆變器的輸入電壓。逆變器的核心是半導(dǎo)體開關(guān)器件，不同拓?fù)涞哪孀冸娐酚胁煌膬?yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。半導(dǎo)體開關(guān)器件需要觸發(fā)信號(hào)才能導(dǎo)通，要使逆變器輸出正弦波形，則需要特殊的觸發(fā)電路對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行調(diào)制。逆變器輸出帶有高次諧波，需要濾波電路對(duì)諧波進(jìn)行。在進(jìn)行仿真前，需對(duì)上述電路模塊進(jìn)行比較論證和選擇。
1.2 設(shè)計(jì)思路
首先，考慮輸入直流電壓為110v而輸出380v、頻率50hz三相交流電，要采用斬波電路升壓到大于380以上，可以用直流斬波升壓電路、直流斬波升降壓電路等。其次要求由直流變?yōu)槿嘟涣麟姡刹捎秒妷盒湍孀冸娐?、電流型逆變電路。逆變電路得到的是三相矩形波，再用pwm或者spwm開關(guān)采用規(guī)則采樣法將矩形波變?yōu)槿嗖?，最后用濾波器濾波得到最終的所要的三相電，設(shè)計(jì)流程圖如圖1.1所示
圖1.1設(shè)計(jì)流程圖
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
2設(shè)計(jì)意義及原理
2.1 設(shè)計(jì)意義
逆變電源技術(shù)的核心部分是逆變器和其控制部分。逆變器是將直流變?yōu)槎l定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電的變換器，傳統(tǒng)方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路實(shí)現(xiàn)，但其含有較大成分低次諧波等缺點(diǎn)，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，全控型快速半導(dǎo)體器件bjt，igbt，gto 等的發(fā)展和pwm 的控制技術(shù)的日趨完善，使spwm 逆變器得以迅速發(fā)展并廣泛使用眾所周知。
逆變器是將直流變?yōu)槎l定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電的變換器，傳統(tǒng)方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路實(shí)現(xiàn)，但由于其含有較大成分低次諧波等缺點(diǎn)，近十余年來，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，全控型快速半導(dǎo)體器bjt，igbt，gto等的發(fā)展和pwm的控制技術(shù)的日趨完善，使spwm逆變器得以迅速發(fā)展并廣泛使用。
pwm控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和周期以達(dá)到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)，spwm 控制技術(shù)又有許多種，并且還在不斷發(fā)展中，但從控制思想上可分為四類，即等脈寬pwm 法，正弦波pwm 法（spwm 法），磁鏈追蹤型pwm 法和電流跟蹤型pwm 法，其中利用spwm 控制技術(shù)做成的spwm 逆變器具有以下主要特點(diǎn)：
（1）逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響。
（2）可獲得比常規(guī)六拍階梯波更接近正弦波的輸出電壓波形，低次諧波減少，在電氣傳動(dòng)中，可使傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈沖的大大減少，擴(kuò)大調(diào)速范圍，提高系統(tǒng)性能。
（3）組成變頻器時(shí)，主電路只有一組可控的功率環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，由于采用不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)接近于1，且與輸出電壓大小無關(guān)。
在后備式供電中，蓄電池作為一種非常重要的儲(chǔ)能介質(zhì)，在各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。由于單個(gè)電池的參數(shù)存在著差別，不能通過將蓄電池并聯(lián)的方法來提高直流供電系統(tǒng)的容量，因此在電池的容量不能滿足實(shí)際需求時(shí)，最直接的辦法就是多個(gè)蓄電池串聯(lián)共同提供能量。所串的蓄電池越多，蓄電池組能夠提供的能量就越多，但輸出端電壓就越高，此時(shí)，逆變器輸入直流電壓的上限就直接決定了蓄電池組的容量 大小。
另外，高壓變頻器廣泛的應(yīng)用于軋鋼、造紙、水泥制造、礦井提升、輪船推進(jìn)器等傳統(tǒng)工業(yè)的改造和高速列車、城市地鐵輕軌、電動(dòng)汽車中，其核心部分也
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
是高壓逆變器。
2.2 開關(guān)元器件的選擇
igbt 主要是以m（模塊）p(脈波)w(寬度)m(調(diào)變)方式制作，用主動(dòng)元件 igbt模塊設(shè)計(jì)，使本機(jī)容量可達(dá)300kva，以隔離變壓器輸入及輸出，來增加整機(jī)穩(wěn)定性，特別感性、容性級(jí)特殊負(fù)載，負(fù)載測(cè)試和壽命實(shí)驗(yàn)可靠性高。igbt優(yōu)點(diǎn)：
高頻mpwm設(shè)計(jì)，igbt功率推動(dòng)，體積小、可靠性能高、噪音低。
效率達(dá)85%以上。
反應(yīng)快速，對(duì)100%除載/加載，穩(wěn)壓反應(yīng)時(shí)間在2ms以內(nèi)。
超載能力強(qiáng)，瞬間電流能承受額定電流的300%。
波峰因素比（crest factor ratio）高于3：1。
具過壓、過流、超溫等多重保證級(jí)報(bào)警裝置。
power mosfet全稱功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它的三個(gè)極分別是源極（s）、漏極（d）和柵極（g）。主要優(yōu)點(diǎn)：熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大。缺點(diǎn)：擊穿電壓低，工作電流小。
gtr（功率晶管）由于二次擊穿和驅(qū)動(dòng)功率大等缺點(diǎn)，目前被igbt和mosfet所代替。
igbt全稱絕緣柵雙極晶體管，是mosfet和gtr（功率晶管）相結(jié)合的產(chǎn)物。它的三個(gè)極分別是集電極(c）、發(fā)射極（e）和柵極(g）。特點(diǎn)：擊穿電壓可達(dá)1200v，集電極最大飽和電流已超過1500a。由igbt作為逆變器件的變頻器的容量達(dá)250kva以上，工作頻率可達(dá)20khz。
所以這里選擇igbt作為此次設(shè)計(jì)的開關(guān)元件。
2.3逆變電路原理
逆變電路在電力電子電路中占很重要的地位，他可分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路，在實(shí)際生產(chǎn)生活中三相逆變應(yīng)用較為廣泛，其中電壓型的直流側(cè)通常是并一個(gè)電容器，而電流型通常是在直流側(cè)串一個(gè)電感。
電壓型逆變：直流側(cè)為電壓源，采用并聯(lián)大電容器來緩沖無功功率，則構(gòu)成電壓型逆變器。電壓型逆變電路輸出電壓波形為矩形波，輸出電流波形近似正弦波。直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗；交流側(cè)輸出電壓為矩形波；當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用等特點(diǎn)。
電壓型逆變電路有以下主要特點(diǎn)：
(1）直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
(2）由于支路電壓源的箝位作用，交流側(cè)輸出電壓波形位矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。
(3)當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。
圖中vl—v6是逆變器的六個(gè)igbt開關(guān)器件，各由一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個(gè)逆變器由恒值直流電壓供電。電路中的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了方便分析，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想中點(diǎn)。和單相半橋，全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為，同一相上、下橋臂交替導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在上、下橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱為縱向換流。
采用igbt作為開關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖2.1所示：
圖2.1 三相電壓型橋式逆變電路
直流三相逆變器設(shè)計(jì) 各模塊方案選擇
3.1 升壓電路選擇
方案1：采用變壓器直接對(duì)直流電壓進(jìn)行升壓。
方案2：采用boost直流斬波升壓電路通過改變占空比對(duì)直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)升壓。
考慮到實(shí)際變壓器變比不可調(diào)或者調(diào)節(jié)范圍很小，不利于逆變器輸出的調(diào)節(jié)，而boost電路通過調(diào)節(jié)開關(guān)器件的導(dǎo)通占空比可以靈活方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，從實(shí)際出發(fā)和從方便性出發(fā)，最終選擇了boost電路作為升壓電路。如圖2.2升壓斬波電路主電路圖
圖3.1升壓斬波電路主電路圖
3.2逆變電路選擇
逆變器按照輸出的相數(shù)分，有單相、三相兩種；按電路拓?fù)浞?，有半橋式、全橋式和推挽式。鑒于全橋結(jié)構(gòu)的控制方式比較靈活，所以選擇三相全橋電路作為逆變器主電路。
3.3 逆變器觸發(fā)電路選擇
目前，逆變器廣泛采用pwm脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。pwm技術(shù)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是控制策略，二是實(shí)現(xiàn)的手段。調(diào)制方式主要有直流脈寬調(diào)制和正弦波脈寬調(diào)制兩種方式。直流脈寬輸出的是方波，波形畸變嚴(yán)重，所以不適合；正弦波脈寬調(diào)制輸出波形只含高次諧波，可以大大減小濾波器的體積。所以最終選擇正弦波脈寬調(diào)制，即spwm技術(shù)。
3.4 濾波電路選擇
由于設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)波形畸變率沒有特殊的要求，可以采用最普通的lc濾波電路作為逆變輸出的濾波電路。
3.5 保護(hù)電路選擇
過壓保護(hù)器件（ovp）用于保護(hù)后續(xù)電路免受甩負(fù)載或瞬間高壓的破壞，常用的過壓保護(hù)器件有壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制器、靜電抑制器和放電管等。過壓保護(hù)
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
器件選型應(yīng)注意以下四個(gè)要點(diǎn)：
1）關(guān)斷電壓vrwm的選擇。一般關(guān)斷電壓至少要比線路最高工作電壓高10％ 2）箝位電壓vc的選擇。vc是指在esd沖擊狀態(tài)時(shí)通過tvs的電壓，它必須小于被保護(hù)電路的能承受的最大瞬態(tài)電壓 3）浪涌功率pppm的選擇。不同功率，保護(hù)的時(shí)間不同，如600w（10/1000us）；300w（8/20us）4）極間電容的選擇。被保護(hù)元器件的工作頻率越高，要求tvs的電容要越小
過流保護(hù)器件主要有一次性熔斷器、自恢復(fù)熔斷器、熔斷電阻和斷路器等，其中，最重要的過流保護(hù)器件是熔斷器，也叫保險(xiǎn)絲。它一般串聯(lián)在電路中，要求其電阻要?。ü男。?，當(dāng)電路正常工作時(shí)，它只相當(dāng)于一根導(dǎo)線，能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的導(dǎo)通電路；由于電源或外部干擾而發(fā)生電流波動(dòng)時(shí)，也應(yīng)能承受一定范圍的過載；只有當(dāng)電路中出現(xiàn)較大的過載電流(故障或短路)時(shí)，熔斷器才會(huì)動(dòng)作，通過斷開電流來保護(hù)電路的安全，以避免產(chǎn)品燒毀的危險(xiǎn)。
在熔斷器分?jǐn)嚯娐返倪^程中，由于電路電壓的存在，在熔體斷開的瞬間會(huì)發(fā)生電弧，高質(zhì)量的熔斷器應(yīng)該盡量避免這種飛??；在分?jǐn)嚯娐泛螅蹟嗥鲬?yīng)能耐受加在兩端的電路電壓。熔斷器受脈沖損傷會(huì)逐步降低承受脈沖的能力，選用時(shí)需要考慮必要的安全余量；這個(gè)安全余量是指熔斷器的總?cè)蹟?動(dòng)作)時(shí)間，它是預(yù)飛弧時(shí)間和飛弧時(shí)間之和。所以在選擇的時(shí)候需要留意它的熔斷特性和額定電流這個(gè)基本條件；另外安裝時(shí)要考慮熔斷器周邊的環(huán)境，熔斷器只有達(dá)到本身的熔化熱能值的時(shí)候才會(huì)熔斷，如果是在環(huán)境較冷的狀況下，它的熔斷時(shí)間會(huì)變化，這是使用時(shí)必須留意的。
3.6總電路的控制方式
為了使輸出電壓波形穩(wěn)定且可調(diào)，采用閉環(huán)控制方式，檢查輸出電壓反饋到輸入作為比較控制。
直流三相逆變器設(shè)計(jì) 各模塊方案設(shè)計(jì)
4.1 升壓斬波電路
升壓斬波電路如下圖3.1所示。假設(shè)l值、c值很大，v通時(shí)，e向l充電，充電電流恒為i1，同時(shí)c的電壓向負(fù)載供電，因c值很大，輸出電壓uo為恒值，記為uo。設(shè)v通的時(shí)間為ton，此階段l上積蓄的能量為ei1ton。v斷時(shí)，e和l共同向c充電并向負(fù)載r供電。設(shè)v斷的時(shí)間為toff，則此期間電感l(wèi)釋放能量為(u0-e)i1toff，穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期t中l(wèi)積蓄能量與釋放能量相等，即
ei1ton=(u0-e)i1toff
化簡(jiǎn)得u0=t2e/toff
輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路，也稱之為boost變換器。t與toff的比值為升壓比，將升壓比的倒數(shù)記作β，則
α+β=1 故u0=e/(1-α)升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因 ：l儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，并且電容c可將輸出電壓保持住。
圖4.1 升壓斬波電路原理圖
4.2逆變電路
逆變電路原理
逆變電路在電力電子電路中占很重要的地位，他可分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路，在實(shí)際生產(chǎn)生活中三相逆變應(yīng)用較為廣泛，其中電壓型的直流側(cè)通常是并一個(gè)電容器，而電流型通常是在直流側(cè)串一個(gè)電感。
電壓型逆變：直流側(cè)為電壓源，采用并聯(lián)大電容器來緩沖無功功率，則構(gòu)成電壓型逆變器。電壓型逆變電路輸出電壓波形為矩形波，輸出電流波形近似正弦波。直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗；交流側(cè)輸出電壓為矩形波；當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用等特點(diǎn)。
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
電壓型逆變電路有以下主要特點(diǎn)：
(1）直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。
(2）由于支路電壓源的箝位作用，交流側(cè)輸出電壓波形位矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。
(3)當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。
采用igbt作為開關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖3.2所示：
圖4.2 三相電壓型橋式逆變電路
圖中vl—v6是逆變器的六個(gè)igbt開關(guān)器件，各由一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個(gè)逆變器由恒值直流電壓供電。電路中的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了方便分析，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想中點(diǎn)。和單相半橋，全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為，同一相上、下橋臂交替導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在上、下橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱為縱向換流。
逆變電源采用圖3.3所示主電路。首先采用升壓斬波電路將110kv直流電壓升高到400kv，因?yàn)閷?duì)輸出波形的要求不是很高，與負(fù)載并聯(lián)的電容c取很大就可以達(dá)到濾波的目的。開關(guān)管t1~t6是igbt，構(gòu)成三相逆變橋。關(guān)斷緩沖由電阻r、電容c和二極管d并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成；c0折算到變壓器tm的原邊后與l2一起構(gòu)成交流輸出濾波電路；變壓器用作電路隔離和升壓。
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
圖4.3三相逆變器主電路原理圖
4.3spwm控制系統(tǒng)
圖4.4 三相spwm控制系統(tǒng)框圖
三相脈沖形成可采用上述介紹的spwm控制方法，控制系統(tǒng)框圖如3.3所示。下面介紹spwm生成的各電路部分。數(shù)字分頻電路
圖3.5是數(shù)字分頻電路，y是石英晶體振蕩器，它有穩(wěn)定的震蕩頻率，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到萬分之一。該電路選用震蕩頻率1.8432mhz的晶振，它和r1、c1、c2組成頻率信號(hào)產(chǎn)生的電路，得到1.8432mhz頻率信號(hào)，再經(jīng)過數(shù)字電路cd4017、cd4040處理，輸出兩路頻率信號(hào)。cd4017是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，第7腳的q3計(jì)數(shù)端引至第15腳的復(fù)位端可以實(shí)現(xiàn)3分頻。cd4040是串行二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，9腳q1可以得到2分頻，2腳的q6可以得到2的6次方既64分頻。1.8432mhz的頻率，分頻后三角波頻率為9.6khz，標(biāo)準(zhǔn)正弦的掃描頻率為102.3khz。
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
圖4.5 數(shù)字分頻電路
標(biāo)準(zhǔn)正弦波形成電路
標(biāo)準(zhǔn)正弦波的長(zhǎng)生是利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的。在eprom中存放的數(shù)據(jù)（十六進(jìn)制）是這樣得到的；將一個(gè)周期的單位正弦波分成n等份，每一點(diǎn)的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上事先離散計(jì)算好在存放進(jìn)去。由于寫入的數(shù)據(jù)只能是正值，單位正弦波是和圖中uref的波形一致，幅值為1的正弦波。本例中將一個(gè)周期的正弦波分成n=2048份。
正弦掃描頻率引入數(shù)字電路cd4040，cd4040的輸出是一組地址掃描信號(hào)送到eprom的地址線上，eprom2732中存放的數(shù)據(jù)便依次送到d/a轉(zhuǎn)換器dac0832，dac0832將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成斷續(xù)的模擬信號(hào)，經(jīng)過一個(gè)小電容c1（0.1uf以內(nèi)）濾波，得到連續(xù)模擬信號(hào)uref，峰峰值由io1端引入的給定電壓uc決定，電路中uc來自調(diào)節(jié)器的輸出。經(jīng)運(yùn)放lf365處理，可以獲得正負(fù)對(duì)稱、幅值為uc的標(biāo)準(zhǔn)正弦波sine。
要產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦波的頻率f1=50hz，和前面分頻電路得到的頻率一致，那么掃描頻率應(yīng)該為：fh=f1*n=50*2048=102.4khz。正弦波的頻率由穩(wěn)定度相當(dāng)高的晶振分頻得到，故正弦波的波形畸變率很低；正弦波的幅值受控于給定電壓。因此，該電路是一個(gè)高精度的正弦發(fā)生器。
上述電路具有通用性，對(duì)一個(gè)已經(jīng)寫好數(shù)據(jù)的eprom，若改變正弦掃描頻率，可以改變標(biāo)準(zhǔn)正弦波頻率；若改變eprom中的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)不同的pwm調(diào)制策略，如梯形波調(diào)制，注入特定次諧波；若再增加兩套電路，在3個(gè)eprom中存放相位互差120°的數(shù)據(jù)，就可實(shí)現(xiàn)三相spwm控制。三角波形成電路
分頻電路提供了三角波頻率信號(hào)，即為9.6khz的脈沖信號(hào)，應(yīng)用隔直、比例和積分電路即可得到幅值適當(dāng)，正負(fù)對(duì)稱的三角波，其頻率為9.6khz。spwm形成電路
本裝置spwm形成正弦波信號(hào)sine和三角載波信號(hào)tr來自前級(jí)電路；tl084是運(yùn)算放大器，一tr由它接成的反向器得到。電路中大量使用了芯片lm311，直流三相逆變器設(shè)計(jì)
它是dip8封裝的快速電壓比較器，不僅可以作為比較器，還可以利用他的特點(diǎn)做脈沖封鎖。下面介紹它的應(yīng)用：8腳、4腳分別接芯片電源的正、負(fù)端；2腳、3腳分別是同向、反向輸入；1腳是低電平設(shè)定（可接電源負(fù)或地），它的電壓值決定了lm311輸出的低電平值；7腳為輸出端，邏輯判斷為“高電平”時(shí)，集電極開路（oc門特性），因此，7腳必須有上拉電阻同正電源連接，否則，沒有高電平輸出，r1、r2、r3、r4等都是上拉電阻；
5、6腳用來調(diào)節(jié)輸入平衡（可不用），6腳還可以用作選通，如果lm311的6腳接低電平。其輸出恒為高電平，這個(gè)特點(diǎn)往往用來設(shè)置脈沖封鎖。
該系統(tǒng)設(shè)置pwm信號(hào)低電平有效，即pwm信號(hào)為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，igbt導(dǎo)通。lock為保護(hù)電路輸出的脈沖封鎖信號(hào)；在電路出現(xiàn)故障時(shí)，lock的低電平送到后級(jí)各個(gè)lm311的6腳，使所有pwm為高電平封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖。如果不利用lm311封鎖驅(qū)動(dòng)，也可以設(shè)置pwm高電平有效，取消后級(jí)的lm311。
r1~r4，c1~c4和rp還組成了死區(qū)形成電路，參數(shù)大小決定死區(qū)時(shí)間，rp可以調(diào)節(jié)死區(qū)大??；igbt的開關(guān)時(shí)間為2us左右，死區(qū)時(shí)間設(shè)為4us。
該裝置采用了一種數(shù)模結(jié)合的spwm控制電路，它由數(shù)字分頻電路、三角波形成電路、調(diào)節(jié)器、標(biāo)準(zhǔn)正弦波控制電路及pwm形成電路等組成。系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)是為了穩(wěn)定電壓，電流調(diào)節(jié)是為了限制輸出電流。電源的正弦輸出畸變率小于5%，要求不是太高，逆變器的輸出功率1kw也不大。因此，系統(tǒng)僅采用電壓平均值閉環(huán)控制，穩(wěn)定輸出電壓，對(duì)輸出波形采用開環(huán)控制，即直接將幅值受控的標(biāo)準(zhǔn)正弦波和三角波比較。
在3片eprom內(nèi)寫入3個(gè)相差120°的正弦波數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，形成3個(gè)互差120°的正弦波。它們同一三角載波比較，便可得到三相spwm控制脈沖分別驅(qū)動(dòng)3個(gè)橋臂。
4.4驅(qū)動(dòng)電路
ir2130是mos、igbt功率器件專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片，通過自舉電路工作原理，使其既能驅(qū)動(dòng)橋式電路中低壓側(cè)的功率器件，又能驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的功率元件，因而在電機(jī)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、ups電源等方面得到廣泛應(yīng)用。這些器件集成了特有的負(fù)電壓免疫電路，提高了系統(tǒng)耐用性和可靠性，有些器件不僅有過流、過溫檢測(cè)輸入等功能，還具有欠壓鎖定保護(hù)、集成死區(qū)時(shí)間保護(hù)、擊穿保護(hù)、關(guān)斷輸入、錯(cuò)誤診斷輸出等功能。
igbt的驅(qū)動(dòng)電路型號(hào)很多，ir21系列是國(guó)際整流器公司退出的高壓驅(qū)動(dòng)器，一片ir2013課直接驅(qū)動(dòng)中小容量的6支場(chǎng)控開關(guān)管，并且只需要一路控制電源。ir2013是28引腳雙列直插式集成電路，應(yīng)用方法如圖3.6 hin1、hin2、hin3為3個(gè)高側(cè)輸入端，lin1、lin2、lin3為3路低側(cè)輸入端，ho1、vs1、ho2、vs2、ho3、vs3為3路高側(cè)輸出端，lo1、lo2、lo3為3路低側(cè)輸出端，vss為電源地，直流三相逆變器設(shè)計(jì)
vsd為驅(qū)動(dòng)地，vb1、vb2、vb3為3路高側(cè)電源端，falut為故障輸出端，itrip為電流比較器輸入端，cao為電流放大器輸出端，ca為電流放大器反向輸入端。
當(dāng)ir2130驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的自舉電源工作電壓不足時(shí)，則該路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)器迅速動(dòng)作，封鎖該路的輸出，避免功率器件因驅(qū)動(dòng)信號(hào)不足而損壞。當(dāng)逆變器同一橋臂上2個(gè)功率器件的輸入信號(hào)同時(shí)為高電平，則ir2130輸出的2路門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，從而可靠地避免橋臂直通現(xiàn)象發(fā)生。
圖4.6 ir2130結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路
采用ir2130作為驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，外圍元件少，性價(jià)比明顯提高。它的高壓側(cè)的3路驅(qū)動(dòng)電源有ucc采用自舉電路得到。3支快速二極管的陰極電位是浮動(dòng)的，因此，它的反向耐壓值必須大于主電路的母線電壓 峰值。ir2130最大正向驅(qū)動(dòng)電流 250ma，反向峰值驅(qū)動(dòng)電流 500ma；內(nèi)部設(shè)有過流、過呀、欠壓、邏輯識(shí)別保護(hù)；它的浮動(dòng)電壓做大不超過400v。
4.5控制器設(shè)計(jì)
當(dāng)采用瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)反饋雙環(huán)控制時(shí)，內(nèi)環(huán)為瞬時(shí)值環(huán)，用來控制輸出電壓波形的正弦波，外環(huán)采用平均值控制，以保證電壓的平均值與參考值一致。如果波形正弦度好，平均值和有效值一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
平均值外環(huán)的pi調(diào)節(jié)器輸出控制正弦波幅值，幅值乘以單位正弦波后的信號(hào)為內(nèi)環(huán)給定，與輸出電壓瞬時(shí)值比較經(jīng)內(nèi)環(huán)pi調(diào)節(jié)器輸出正弦波調(diào)制信號(hào)，與三角載波比較后產(chǎn)生的pwm信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制逆變器的開關(guān)器件。在不允許供電中斷的重要用電場(chǎng)合,大量使用著ups系統(tǒng)。而逆變器是ups系統(tǒng)的核心部件,要求它具有高質(zhì)量的輸出電壓波形。尤其是在帶非線性負(fù)載情況下仍然要有接近正弦的輸出波形。因此,發(fā)展了多種多樣的逆變器波形控制技術(shù)。本文的主要內(nèi)容是pwm逆變電源瞬時(shí)值反饋控制技術(shù)，瞬時(shí)值反饋控制是根據(jù)當(dāng)前誤差對(duì)逆變器的輸出波形進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)控制，如果控制器設(shè)計(jì)合理，既可以保證系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)態(tài)性能，同時(shí)也可以保證系統(tǒng)有快速的響應(yīng)速度。全文圍繞電壓?jiǎn)苇h(huán)瞬時(shí)值控制技術(shù)及電容電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)雙環(huán)瞬時(shí)值控制技術(shù)這兩種控制方法，進(jìn)行了理論分析,同時(shí)結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)來探討如何提高pwm逆變電源的
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
靜、動(dòng)態(tài)性能，改善輸出波形質(zhì)量。
圖4.7瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)反饋雙環(huán)控制
4.6輔助電源
在橋式逆變電路中，一個(gè)橋臂上下兩管驅(qū)動(dòng)電路的電源應(yīng)各自獨(dú)立，兩個(gè)橋臂上的管無共地點(diǎn)下管可以共地。因此，驅(qū)動(dòng)6管時(shí)，至少要有3路獨(dú)立電源。采用單端反激式開關(guān)電源作為輔助電源提供3組20v電源和±12v電源。3組20v電源分別作為6個(gè)igbt的驅(qū)動(dòng)模塊電源，±12v電源給控制系統(tǒng)的芯片供電。只要有直流輸入，輔助電源就供電，控制系統(tǒng)就具備控制和保護(hù)能力。
4.7保護(hù)電路
保護(hù)復(fù)位電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，它的主要功能是當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路中的電流較大時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位保護(hù)信號(hào)，即圖中的stop信號(hào)。下面簡(jiǎn)要介紹保護(hù)復(fù)位電路的基本工作原理：保護(hù)復(fù)位電路的輸入信號(hào)來自驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路的電流檢測(cè)器isensor。當(dāng)流過isensor的電流較大時(shí)，此時(shí)電阻r83兩端的壓降增大，運(yùn)算放大器u18d的輸出為高電平。由于雙d型觸發(fā)器4013的時(shí)鐘和d信號(hào)引腳接地，則該觸發(fā)器具有r-s觸發(fā)器的功能。當(dāng)運(yùn)算放大器的輸出為高電平時(shí)，即r引腳的信號(hào)為高電平，此時(shí)觸發(fā)器被復(fù)位，觸發(fā)器的輸出端q為低電平，即stop信號(hào)為低電平。當(dāng)stop信號(hào)為低電平時(shí)，三輸入與門u10a 4073（如圖5所示）的輸出被強(qiáng)制限定為低電平。而4013觸發(fā)器的另一輸出通過rc回路（如圖中r98和e15）充電，當(dāng)充電到一定時(shí)候，s引腳為高電平，根據(jù)觸發(fā)器的功能表可見，stop信號(hào)重新變成高電平，這時(shí)stop信號(hào)對(duì)三輸入與門的工作沒有影響，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)復(fù)位功能。通過選擇合適的電阻、電容值,可以確定保護(hù)復(fù)位的時(shí)間，在本文中，選擇電阻為750kω，電容為4.7μf使復(fù)位時(shí)間為1.5s。保護(hù)復(fù)位電路如圖3.8
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
圖4.8 保護(hù)復(fù)位電路
過電壓的保護(hù)
過電壓的幅度一般都很大，但是其作用時(shí)間一般卻都很短暫，即過電壓的能量并不是很大的。利用電容兩端的電壓不能突變這一特點(diǎn)，將電容器并聯(lián)在保護(hù)對(duì)象的兩端，可以達(dá)到過電壓保護(hù)的目的，這種保護(hù)方式叫做阻容保護(hù)。起保護(hù)作用的電容一般都與電阻串聯(lián)，這樣可以在過電壓給電容充電的過程中，讓電阻消耗過電壓的能量，還可以限制過電壓時(shí)產(chǎn)生的瞬間電流。并且r 的接入還能起到阻尼作用，防止保護(hù)電容和電路的電感所形成的寄生振蕩。圖3.9為電源側(cè)阻容保護(hù)原理圖。圖3.9（a）為單相阻容保護(hù)電路，圖3.9（b）、（c）為三相阻容保護(hù)電路，rc網(wǎng)絡(luò)接成星型，如圖3.9（b）；也可以接成三角形，如圖3.9（c）。電容越大，對(duì)過電壓的吸收作用越明顯。在圖3.9中，圖3.9（a）為單相阻容保護(hù)，阻容網(wǎng)絡(luò)直接跨接在電源端，吸收電源過電壓。圖3.9（b）為接線形式為星型的三相阻容保護(hù)電路，平時(shí)電容承受電源相電壓，圖3.9（c）為接線形式為三角型的三相阻容保護(hù)電路，平時(shí)電容承受電源相電壓。顯然，三角型接線方式電容的耐壓要為星型接線的3倍。但是無論哪種接線，對(duì)于同一電路，過電壓的能量是一樣的，電容的儲(chǔ)能也應(yīng)該相同，所以星型接線的電容容量應(yīng)為三角形的3倍。也就是說兩種接線方式電容容量和耐壓的乘積是相同的。
圖4.9 阻容保護(hù)
過電流的保護(hù)
電力電子電路中的電流瞬時(shí)值超過設(shè)計(jì)的最大允許值，即為過電流。過電流有過載和短路兩種情況。常用的過電流保護(hù)措施如圖3.10所示。一臺(tái)電力電子設(shè)備可選用其中的幾種保護(hù)措施。針對(duì)某種電力電子器件，可能有些保護(hù)措施是
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
有效的而另一些是無效的或不合適的，在選用時(shí)應(yīng)特別注意。
圖4.10 過電流保護(hù)
交流斷路器保護(hù)是通過電流互感器獲取交流回路的電流值，然后來控制交流電流繼電器，當(dāng)交流電流超過整定值時(shí)，過流繼電器動(dòng)作使得與交流電源連接的交流斷路器斷開，切除故障電流。應(yīng)當(dāng)注意過流繼電器的整定值一般要小于電力電子器件所允許的最大電流瞬時(shí)值，否則如果電流達(dá)到了器件的最大電流過流繼電器才動(dòng)作，由于器件耐受過電流的時(shí)間極短，在繼電器和斷路器動(dòng)作期間電力電子器件可能就已經(jīng)損壞。來自電流互感器的信號(hào)還可作用于驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)電流超過整定值時(shí)，將所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出封鎖，全控型器件會(huì)由于得不到驅(qū)動(dòng)信號(hào)而立即阻斷，過電流隨之消失；半控型器件晶閘管在封鎖住觸發(fā)脈沖后，未導(dǎo)通的晶閘管不再導(dǎo)通，而已導(dǎo)通的晶閘管由于電感的儲(chǔ)能器件不會(huì)立即關(guān)斷，但經(jīng)一定的時(shí)間后，電流衰減到0，器件關(guān)斷。這種保護(hù)方式由電子電路來實(shí)現(xiàn)，又叫做電子保護(hù)。與斷路器保護(hù)類似，電子保護(hù)的電流整定值也一般應(yīng)該小于器件所能承受的電流最大值。
快速熔斷器保護(hù)一般作為最后一級(jí)保護(hù)措施，與其它保護(hù)措施配合使用。根據(jù)電路的不同要求，快速熔斷器可以接在交流電源側(cè)（三相電源的每一相串接一個(gè)快速熔斷器），也可以接在負(fù)載側(cè)，還可電路中每一個(gè)電力電子器件都與一個(gè)快速熔斷器串聯(lián)。接法不同，保護(hù)效果也有差異。熔斷器保護(hù)有可以對(duì)過載和短路過電流進(jìn)行“全保護(hù)”和僅對(duì)短路電流起作用的短路保護(hù)兩種類型。
4.8總電路
由此得到電路圖如3.8。
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
圖4.11 總電路圖
5系統(tǒng)元件有關(guān)參數(shù)的計(jì)算
在電路中輸入為110kv dc，輸出為380v ac 50 hz，輸出功率為p=3000w，功率因數(shù)設(shè)為cosφ=1。調(diào)節(jié)升壓電路的占空比δ=1-e/u=1-110/380=0.71使輸出為400v，調(diào)制比為1，求得逆變器輸出的基波電壓有效值為ub=400/√2=282.84v。初步計(jì)算變壓器的變壓比為k=380/400=0.95。則電路各元件選取如下：
5.1 開關(guān)管和二極管的選擇
(1)開關(guān)管的選擇
最大輸出情況下，電流有效值為
imax=p/(v*cosφ)=3000/380=7.895a式（5.1）
開關(guān)管額定電流ice
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
ice＞2*imax=2*7.895=15.79a式（5.2）
開關(guān)管額定電壓vcer
vcer=2*vm=2*.80=760v式（5.3）
(2)二極管的選擇 額定電壓vrr
vrrm＞380v式（5.4）
最大允許的均方根正向電流
ifrms=πifr/2=1.57ifr式（5.5）
二極管的額定電流為
ifr＞imax/1.57=7.895/1.57=5.03a式（5.6）
5.2 lc 濾波器的計(jì)算
輸出濾波器的作用是減小輸出電壓中的諧波，并保證基波電壓輸出。因?yàn)V波電容和負(fù)載并聯(lián)，它可以補(bǔ)償感性電流，但是，濾波電容過大，反而會(huì)增加變壓器的負(fù)擔(dān)。因此，在設(shè)計(jì)濾波電路的時(shí)候，首先確定濾波電容的值。設(shè)計(jì)基本原則就是在額定負(fù)載時(shí)，使容性電流補(bǔ)償一半的感性電流。
ic=psinφ/(2u0cosφ)=3000*0.6/(2*380*0.8)式（5.7）c=ic/(u0ω)=2.96/(380*2π*50)=24.79μf式（5.8）
取c=25μf，選擇500hz、500v的交流電容。開關(guān)管的工作頻率取7.2khz 逆變橋輸出電壓除基波外，還含有高次諧波，最低次諧波為2p-1次，而p=fs/f=7200/50=144，得到 f=(2*200-1)*50=19950hz式（5.9）
考慮到死區(qū)的影響，一般選取輸出濾波器的諧振頻率為最低諧振頻率的1/5～1/10。取諧振頻率為2khz,算出
l=(1/2π*2000)2/c=0.256mh式（5.10）折算到原邊，l1=(1/k)2l=0.284mh式（5.11）
5.3 輸出變壓器選擇
方案一：三個(gè)單相變壓器參數(shù)計(jì)算： 單個(gè)變壓器輸出功率為：
p2=1000w式（5.12）
單個(gè)變壓器輸入功率：
p1=u1*i1=p2/η=3000/0.95=1052.6w式（5.13）
式中η為變壓器的效率，這里取0.95 變壓器的額定功率為:
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
p=(p1+p2)/2=(1000+1052.6)/2=1026.3w式（5.14）
一次側(cè)電流為：
i1=kp1/u1=1.2*1052.6/77.8=13.5a式（5.15）
式中k是變壓器空載電流大小決定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，容量越小的變壓器，k越大，一般選1.1~1.2。二次側(cè)電流為：
i2=p2/u2=1000/380=2.6a式（5.16）
故選用三個(gè)初級(jí)電壓為77.8v、電流為13.5a，功率為1052.6w,次級(jí)電壓為380v、電流為2.6a，功率為1000w的單相變壓器。方案二：三相變壓器 變壓器輸出功率：
p1=u1*i1=p2/η=3000/0.95=3157.9w式（5.17）
式中η為變壓器的效率，這里取0.95 已知直流輸入為110v，其基波最大的峰峰值為110v 峰值有效值為:
u=110/√2=77.8v式（5.18）
逆變線電壓額定值為380v，相電壓峰值為:
uwn=380/√3=219.4v式（5.19）
由于變壓器連接方式為△y-11連接，變壓器變比為:
n1/n2=77.8/219.4=0.35式（5.20）
故選擇變比為0.35，功率3200w的三相變壓器。
考慮到成本以及方便在本次設(shè)計(jì)中采用方案二級(jí)三相變壓器。
電源的輸出功率為3kva，cosφ=1，頻率f=50hz。根據(jù)變壓器選擇手冊(cè)可選擇sd40*80*220mm的50hz鐵芯，查得變壓器視在功率為3529va。本設(shè)計(jì)采用sd型鐵芯，用冷軋取向硅鋼薄板 dq151-35材料，占空系數(shù)kc=0.92。求得磁芯截面積sc=k√p/kc=1.2*√3529/0.92=77.49cm2，若選取最大磁密bm=12000gs（1）副邊繞組
逆變橋輸出的spwm波經(jīng)過電感濾波后還是有一定的高頻分量，一般取br=80%bm=0.8*12000gs=9600gs。根據(jù)變壓器電壓關(guān)系式u0=4.44fn2brsc=380v可求得n2≈230。取230匝。（2）原邊繞組
逆變器輸出的基波電壓理想值為282.84v。兩只開關(guān)管的壓降為4v左右，開關(guān)頻率fs=7.2khz，死區(qū)設(shè)為td=4μs，則死區(qū)引起的最大電壓損失為
δu=fstdub=7.2*103*4*10-6*282.84=8.12v 式（5.21）
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
基波電流在濾波電感上的壓降為
ul=2πfli1=2*3.15*50*0.284*10-3=0.724v 式（5.22）
漏感的阻抗壓降一般為3%～5%的基波電壓，按12v估算，則變壓器的原邊電壓
u1=(400-8.12-0.724-12)=379.2v式（5.23）變壓器變比為k=u2/u1=380/379.2=1.00式（5.24）
n1=n2/k=229.5式（5.25）
取300匝。
總 結(jié)
通過本次設(shè)計(jì)，了解當(dāng)前先進(jìn)的電力電子技術(shù)和電力電子裝置技術(shù)，加深了課本逆變部分理論知識(shí)的理解，掌握了逆變電路的基本設(shè)計(jì)以及pwm技術(shù)。在最初的學(xué)習(xí)中我們復(fù)習(xí)鞏固了一些相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)諸如電力電子等課程進(jìn)行了一些總結(jié)回顧，進(jìn)行了對(duì)已知基礎(chǔ)知識(shí)的再綜合應(yīng)用，提高了實(shí)際應(yīng)用能力，也找到我在某些方面的不足，在本次設(shè)計(jì)前，在本次設(shè)計(jì)中，查閱許多逆變器方面的資料，有感先進(jìn)的功率器件及逆變控制器件對(duì)電力電子技術(shù)進(jìn)步的推動(dòng)作用，大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，極大提高系統(tǒng)的可靠性，達(dá)到以往設(shè)計(jì)無法達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。
平時(shí)我們只學(xué)習(xí)了理論知識(shí)，沒有將理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐中，當(dāng)然在實(shí)驗(yàn)課上，也鍛煉了自己的動(dòng)手能力?？墒牵吘拐n上時(shí)間有限，不能深入的完成實(shí)驗(yàn)。
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
課程設(shè)計(jì)為我們提供了這樣的機(jī)會(huì)。課設(shè)過程中，大家自己獨(dú)立思考，完成老師布置的題目，學(xué)習(xí)了很多東西，把自己所學(xué)用于實(shí)際，課設(shè)期間，遇到問題，獨(dú)立解決或同學(xué)在一起討論，還鍛煉了自己獨(dú)立分析、歸納、解決問題的能力。當(dāng)然，光靠平時(shí)所學(xué)的知識(shí)完成本次課程設(shè)計(jì)還是有一定難度的，因此，課設(shè)中存在許多障礙，這些阻礙都是我知識(shí)點(diǎn)的漏洞，為我敲響了警鐘。通過翻閱課本以及查閱資料，我都一一的解決了問題，受益良多。
致 謝
通過這次課程設(shè)計(jì)使我明白了光在課本上看懂了是不夠的，更應(yīng)該把在書本上學(xué)來的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐中，把理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正的學(xué)到東西，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。
在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做電力電子的課程設(shè)計(jì)，難免會(huì)遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，通過這次課程設(shè)計(jì)之后，對(duì)所學(xué)的知識(shí)又鞏固了一次。
這次課程設(shè)計(jì)終于完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問題，在查閱資料和同學(xué)幫忙、解答下度過重重難關(guān)終于做成！在此，對(duì)給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和石老師表
直流三相逆變器設(shè)計(jì)
示忠心的感謝，通過這兩周的電力電子課程設(shè)計(jì)，我對(duì)電壓型逆變電路既有了進(jìn)一步的了解，又對(duì)pwm控制技術(shù)也有的更深入的認(rèn)知。剛開始，對(duì)很多電路的設(shè)計(jì)思路都不清楚，但通過不斷的查閱資料和同學(xué)的幫助，總算學(xué)會(huì)了如何更好的設(shè)計(jì)電路選擇正確的元器件。
最后，感謝老師的耐心指導(dǎo)和各位同學(xué)的大力支持，使我在本次設(shè)計(jì)中將遇到的問題都解決了，完成了本次課程設(shè)計(jì)，并從中學(xué)習(xí)到了更多的知識(shí)。
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直流三相逆變器設(shè)計(jì)
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直流變交流三相逆變器篇三
武漢理工大學(xué)《能力拓展訓(xùn)練》說明書
3kva三相逆變器設(shè)計(jì) 概述
現(xiàn)代工業(yè)、交通運(yùn)輸、軍事裝備、尖端科學(xué)的進(jìn)步以及人類生活質(zhì)量和生存環(huán)境的改善，都依賴于高品質(zhì)的電能，據(jù)統(tǒng)計(jì)70%的電能都是經(jīng)過變換后才使用，而隨著科技的發(fā)展，需要變換的比例將會(huì)進(jìn)一步提高。電力電子技術(shù)為電力工業(yè)的發(fā)展和電力應(yīng)用的改善提供了先進(jìn)技術(shù)，它的核心是電能形式的變換和控制，并通過電力電子裝置實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用。電力電子裝置是以滿足用電要求為目標(biāo)，以電力半導(dǎo)體器件為核心，通過合理的電路拓?fù)浜涂刂品绞剑捎孟嚓P(guān)的應(yīng)用技術(shù)對(duì)電能實(shí)現(xiàn)變換和控制的裝置。逆變器和直流斬波電路是應(yīng)用很廣的一種電力電子裝置或技術(shù)。
直流斬波電路（dc chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調(diào)的直流電，也稱為直流-直流變換器（dc/dc converter）直流斬波電路（dc chopper）一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流-交流-直流的情況；直流斬波電路的種類很多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，cuk斬波電路，sepic斬波電路，zeta斬波電路，前兩種是最基本電路。
逆變器也稱逆變電源，是將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的變流裝置，是太陽能、風(fēng)力發(fā)電中的一個(gè)重要部件。隨著微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，逆變技術(shù)也從通過直流電動(dòng)機(jī)—交流發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方式，發(fā)展到晶閘管逆變技術(shù)，而今的逆變技術(shù)多采用了mosfet、igbt、gto、igct、mct 等多種先進(jìn)且易于控制的功率器件，控制電路也從模 擬集成電路發(fā)展到單片機(jī)控制甚至采用數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）控制。各種現(xiàn)代控制理論如自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制理論和算法也大量應(yīng)用于逆變領(lǐng)域。其應(yīng)用領(lǐng)域也達(dá)到了前所未有的廣闊，從毫瓦級(jí)的液晶背光板逆變電路到百兆瓦級(jí)的高壓直流輸電換流站；從日常生活的變頻空調(diào)、變頻冰箱到航空領(lǐng)域的機(jī)載設(shè)備；從使用常規(guī)化石能源的火力發(fā)電設(shè)備到使用可再生能源發(fā)電的太陽能風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，都少不了逆變電源。毋庸置疑，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和各種新型功率器件的發(fā)展，逆變裝置也將向著體積更小、效率更高、性能指標(biāo)更優(yōu)越的方向發(fā)展。
pwm控制技術(shù)就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）；面積等效原理是 pwm技術(shù)的重要基礎(chǔ)理論。一種典型的pwm控制波形spwm脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效
武漢理工大學(xué)《能力拓展訓(xùn)練》說明書 的pwm波形稱為spwm波。spwm法是一種比較成熟的也是目前使用較廣泛的pwm法。在采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。spwm 法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 pwm 波形即spwm波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電 路輸出電壓的頻率和幅值。
本文通過詳細(xì)講述每個(gè)部分的工作原理、元件選擇、電路構(gòu)造和參數(shù)選擇，設(shè)計(jì)出三相逆變器所需的升壓電路、主電路、反饋與控制電路、pwm生成電路、觸發(fā)電路和濾波電路，完整的闡述了一個(gè)三相逆變器的設(shè)計(jì)方法和過程。
武漢理工大學(xué)《能力拓展訓(xùn)練》說明書 方案論證
2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求
條件：輸入直流電壓：110v。要求完成的主要任務(wù):
設(shè)計(jì)容量為3kva的三相逆變器，要求達(dá)到： 1）輸出380v，頻率50hz三相交流電 2）完成總電路設(shè)計(jì)
3）完成電路中各元件的參數(shù)計(jì)算
2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)分析
由于輸入直流電壓只有110v，而輸出交流電壓要求有效值為380v，所以必須通過升壓電路將直流電壓升到到一定值才能作為逆變器的輸入電壓。逆變器的核心是半導(dǎo)體開關(guān)器件，不同拓?fù)涞哪孀冸娐酚胁煌膬?yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。半導(dǎo)體開關(guān)器件需要觸發(fā)信號(hào)才能導(dǎo)通，要使逆變器輸出正弦波形，則需要特殊的觸發(fā)電路對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行調(diào)制。逆變器輸出帶有高次諧波，需要濾波電路對(duì)諧波進(jìn)行。在進(jìn)行仿真前，需對(duì)上述電路模塊進(jìn)行比較論證和選擇。
2.3各模塊方案選擇
2.3.1 升壓電路選擇
1）方案1：采用變壓器直接對(duì)直流電壓進(jìn)行升壓。
2）方案2：采用boost直流斬波升壓電路通過改變占空比對(duì)直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)升壓。
考慮到實(shí)際變壓器變比不可調(diào)或者調(diào)節(jié)范圍很小，不利于逆變器輸出的調(diào)節(jié)，而boost電路通過調(diào)節(jié)開關(guān)器件的導(dǎo)通占空比可以靈活方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，從實(shí)際出發(fā)和從方便性出發(fā)，最終選擇了boost電路作為升壓電路。
2.3.2 逆變電路選擇
逆變器按照輸出的相數(shù)分，有單相、三相兩種；按電路拓?fù)浞?，有半橋式、全橋式和推挽式。鑒于全橋結(jié)構(gòu)的控制方式比較靈活，所以選擇三相全橋電路作為逆變器主電路。
2.3.3逆變器觸發(fā)電路選擇
目前，逆變器廣泛采用pwm脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。pwm技術(shù)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是控制策略，二是實(shí)現(xiàn)的手段。調(diào)制方式主要有直流脈寬調(diào)制和正弦波脈寬調(diào)制兩種方式。直流脈寬輸出的是方波，波形畸變嚴(yán)重，所以不適合；正弦波脈寬
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調(diào)制輸出波形只含高次諧波，可以大大減小濾波器的體積。所以最終選擇正弦波脈寬調(diào)制，即spwm技術(shù)。
2.3.4濾波電路選擇
由于設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)波形畸變率沒有特殊的要求，可以采用最普通的lc濾波電路作為逆變輸出的濾波電路。
2.3.5總電路的控制方式
為了使輸出電壓波形穩(wěn)定且可調(diào)，采用閉環(huán)控制方式，檢查輸出電壓反饋到輸入作為比較控制。
武漢理工大學(xué)《能力拓展訓(xùn)練》說明書 電路原理及設(shè)計(jì)
3.1 升壓斬波電路
升壓斬波電路如下圖3.1所示。假設(shè)l值、c值很大，v通時(shí)，e向l充電，充電電流恒為i1，同時(shí)c的電壓向負(fù)載供電，因c值很大，輸出電壓uo為恒值，記為uo。設(shè)v通的時(shí)間為ton，此階段l上積蓄的能量為ei1ton。v斷時(shí)，e和l共同向c充電并向負(fù)載r供電。設(shè)v斷的時(shí)間為toff，則此期間電感l(wèi)釋放能量為(u0?e)i1toff，穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期t中l(wèi)積蓄能量與釋放能量相等，即
ei1ton?(u0?e)i1tof f
化簡(jiǎn)得
u0?ttoffe
輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路，也稱之為boost變換器。
t與toff的比值為升壓比，將升壓比的倒數(shù)記作β，則
????1
故
u0?11?ae
升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因 ：l儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，并且電容c可將輸出電壓保持住。
圖3.1 升壓斬波電路原理圖
3.2 主電路原理圖
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逆變電源采用圖3.2所示主電路。首先采用升壓斬波電路將110kv直流電壓升高到400kv，因?yàn)閷?duì)輸出波形的要求不是很高，與負(fù)載并聯(lián)的電容c取很大就可以達(dá)到濾波的目的。開關(guān)管t1~t6是igbt，構(gòu)成三相逆變橋。關(guān)斷緩沖由電阻r、電容c和二極管d并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成；c0折算到變壓器tm的原邊后與l2一起構(gòu)成交流輸出濾波電路；變壓器用作電路隔離和升壓。
圖3.2三相逆變器主電路原理圖
3.3 spwm控制系統(tǒng)
圖3.3 三相spwm控制系統(tǒng)框圖
三相脈沖形成可采用上述介紹的spwm控制方法，控制系統(tǒng)框圖如3.2所示。下面介紹spwm生成的各電路部分。
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3.3.1數(shù)字分頻電路
圖2-3是數(shù)字分頻電路，y是石英晶體振蕩器，它有穩(wěn)定的震蕩頻率，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到萬分之一。該電路選用震蕩頻率1.8432mhz的晶振，它和r1、c1、c2組成頻率信號(hào)產(chǎn)生的電路，得到1.8432mhz頻率信號(hào)，再經(jīng)過數(shù)字電路cd4017、cd4040處理，輸出兩路頻率信號(hào)。cd4017是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，第7腳的q3計(jì)數(shù)端引至第15腳的復(fù)位端可以實(shí)現(xiàn)3分頻。cd4040是串行二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，9腳q1可以得到2分頻，2腳的q6可以得到2的6次方既64分頻。1.8432mhz的頻率，分頻后三角波頻率為9.6khz，標(biāo)準(zhǔn)正弦的掃描頻率為102.3khz。
圖3.4 數(shù)字分頻電路
3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)正弦波形成電路
標(biāo)準(zhǔn)正弦波的長(zhǎng)生是利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的，電路原理如圖3.5所示。
在eprom中存放的數(shù)據(jù)（十六進(jìn)制）是這樣得到的；將一個(gè)周期的單位正弦波分成n等份，每一點(diǎn)的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上事先離散計(jì)算好在存放進(jìn)去。由于寫入的數(shù)據(jù)只能是正值，單位正弦波是和圖中uref的波形一致，幅值為1的正弦波。本例中將一個(gè)周期的正弦波分成n=2048份。
正弦掃描頻率引入數(shù)字電路cd4040，cd4040的輸出是一組地址掃描信號(hào)送到eprom的地址線上，eprom2732中存放的數(shù)據(jù)便依次送到d/a轉(zhuǎn)換器dac0832，dac0832將
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這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成斷續(xù)的模擬信號(hào)，經(jīng)過一個(gè)小電容c1（0.1uf以內(nèi)）濾波，得到連續(xù)模擬信號(hào)uref，峰峰值由io1端引入的給定電壓uc決定，電路中uc來自調(diào)節(jié)器的輸出。經(jīng)運(yùn)放lf365處理，可以獲得正負(fù)對(duì)稱、幅值為uc的標(biāo)準(zhǔn)正弦波sine。
圖3.5 標(biāo)準(zhǔn)正弦波形成電路
要產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦波的頻率f1=50hz，那么掃描頻率應(yīng)該為：fh?f1?n?50?2048hz?102.4kh，和前面分頻電路得到的頻率一致。正弦波的頻率由z
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穩(wěn)定度相當(dāng)高的晶振分頻得到，故正弦波的波形畸變率很低；正弦波的幅值受控于給定電壓。因此，該電路是一個(gè)高精度的正弦發(fā)生器。
上述電路具有通用性，對(duì)一個(gè)已經(jīng)寫好數(shù)據(jù)的eprom，若改變正弦掃描頻率，可以改變標(biāo)準(zhǔn)正弦波頻率；若改變eprom中的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)不同的pwm調(diào)制策略，如梯形波調(diào)制，注入特定次諧波；若再增加兩套電路，在3個(gè)eprom中存放相位互差120°的數(shù)據(jù)，就可實(shí)現(xiàn)三相spwm控制。
3.3.3三角波形成電路
分頻電路提供了三角波頻率信號(hào)，即為9.6khz的脈沖信號(hào)，應(yīng)用隔直、比例和積分電路即可得到幅值適當(dāng)，正負(fù)對(duì)稱的三角波，其頻率為9.6khz。
3.3.4 spwm形成電路
本裝置spwm形成電路如圖3.6所示，正弦波信號(hào)sine和三角載波信號(hào)tr來自前級(jí)電路；tl084是運(yùn)算放大器，一tr由它接成的反向器得到。電路中大量使用了芯片lm311，它是dip8封裝的快速電壓比較器，不僅可以作為比較器，還可以利用他的特點(diǎn)做脈沖封鎖。下面介紹它的應(yīng)用：8腳、4腳分別接芯片電源的正、負(fù)端；2腳、3腳分別是同向、反向輸入；1腳是低電平設(shè)定（可接電源負(fù)或地），它的電壓值決定了lm311輸出的低電平值；7腳為輸出端，邏輯判斷為“高電平”時(shí)，集電極開路（oc門特性），因此，7腳必須有上拉電阻同正電源連接，否則，沒有高電平輸出，圖中的r1、r2、r3、r4等都是上拉電阻；
5、6腳用來調(diào)節(jié)輸入平衡（可不用），6腳還可以用作選通，如果lm311的6腳接低電平。其輸出恒為高電平，這個(gè)特點(diǎn)往往用來設(shè)置脈沖封鎖。
該系統(tǒng)設(shè)置pwm信號(hào)低電平有效，即pwm信號(hào)為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，igbt導(dǎo)通。lock為保護(hù)電路輸出的脈沖封鎖信號(hào)；在電路出現(xiàn)故障時(shí)，lock的低電平送到后級(jí)各個(gè)lm311的6腳，使所有pwm為高電平封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖。如果不利用lm311封鎖驅(qū)動(dòng)，也可以設(shè)置pwm高電平有效，取消后級(jí)的lm311。
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圖3.6 spwm波形成電路
圖3.6中r1~r4，c1~c4和rp還組成了死區(qū)形成電路，參數(shù)大小決定死區(qū)時(shí)間，rp可以調(diào)節(jié)死區(qū)大??；igbt的開關(guān)時(shí)間為2us左右，死區(qū)時(shí)間設(shè)為4us。
該裝置采用了一種數(shù)模結(jié)合的spwm控制電路，其框圖如圖2所示，它由數(shù)字分頻電路、三角波形成電路、調(diào)節(jié)器、標(biāo)準(zhǔn)正弦波控制電路及pwm形成電路等組成。系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)是為了穩(wěn)定電壓，電流調(diào)節(jié)是為了限制輸出電流。電源的正弦輸出畸變率小于5%，要求不是太高，逆變器的輸出功率1kw也不大。因此，系統(tǒng)僅采用電壓平均值閉環(huán)控制，穩(wěn)定輸出電壓，對(duì)輸出波形采用開環(huán)控制，即直接將幅值受控的標(biāo)準(zhǔn)正弦波和三角波比較。
在3片eprom內(nèi)寫入3個(gè)相差120°的正弦波數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，形成3個(gè)互差120°的正弦波。它們同一三角載波比較，便可得到三相spwm控制脈沖分別驅(qū)動(dòng)3個(gè)橋臂。
3.4 驅(qū)動(dòng)電路
igbt的驅(qū)動(dòng)電路型號(hào)很多，ir21系列是國(guó)際整流器公司退出的高壓驅(qū)動(dòng)器，一片
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ir2013課直接驅(qū)動(dòng)中小容量的6支場(chǎng)控開關(guān)管，并且只需要一路控制電源。ir2013是28引腳雙列直插式集成電路，1、hin2、hin3為3個(gè)高側(cè)輸入端，lin1、lin2、lin3為3路低側(cè)輸入端，ho1、vs1、ho2、vs2、ho3、vs3為3路高側(cè)輸出端，lo1、lo2、lo3為3路低側(cè)輸出端，vss為電源地，vsd為驅(qū)動(dòng)地，vb1、vb2、vb3為3路高側(cè)電源端，falut為故障輸出端，itrip為電流比較器輸入端，cao為電流放大器輸出端，ca為電流放大器反向輸入端。
圖3.7
ir2130結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路
采用ir2130作為驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，外圍元件少，性價(jià)比明顯提高。它的高壓側(cè)的3路驅(qū)動(dòng)電源有ucc采用自舉電路得到。3支快速二極管的陰極電位是浮動(dòng)的，因此，它的反向耐壓值必須大于主電路的母線電壓 峰值。ir2130最大正向驅(qū)動(dòng)電流 250ma，反向峰值驅(qū)動(dòng)電流 500ma；內(nèi)部設(shè)有過流、過呀、欠壓、邏輯識(shí)別保護(hù)；它的浮動(dòng)電壓做大不超過400v。
3.5 控制器設(shè)計(jì)
當(dāng)采用瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)反饋雙環(huán)控制時(shí)，內(nèi)環(huán)為瞬時(shí)值環(huán)，用來控制輸出電壓波形的正弦波，外環(huán)采用平均值控制，以保證電壓的平均值與參考值一致。如果波形正弦度好，平均值和有效值一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
平均值外環(huán)的pi調(diào)節(jié)器輸出控制正弦波幅值，幅值乘以單位正弦波后的信號(hào)為內(nèi)環(huán)給定，與輸出電壓瞬時(shí)值比較經(jīng)內(nèi)環(huán)pi調(diào)節(jié)器輸出正弦波調(diào)制信號(hào)，與三角載波比較后產(chǎn)生的
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pwm信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制逆變器的開關(guān)器件。
圖3.8瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)反饋雙環(huán)控制
3.6輔助電源
在橋式逆變電路中，一個(gè)橋臂上下兩管驅(qū)動(dòng)電路的電源應(yīng)各自獨(dú)立，兩個(gè)橋臂上的管無共地點(diǎn)下管可以共地。因此，驅(qū)動(dòng)6管時(shí)，至少要有3路獨(dú)立電源。采用單端反激式開關(guān)電源作為輔助電源提供3組20v電源和±12v電源。3組20v電源分別作為6個(gè)igbt的驅(qū)動(dòng)模塊電源，±12v電源給控制系統(tǒng)的芯片供電。只要有直流輸入，輔助電源就供電，控制系統(tǒng)就具備控制和保護(hù)能力。
3.7總電路
由此得到電路圖如3.9。
圖3.9 總電路圖
武漢理工大學(xué)《能力拓展訓(xùn)練》說明書 系統(tǒng)元件有關(guān)參數(shù)的計(jì)算
在電路中輸入為110kv dc，輸出為380v ac 50 hz，輸出功率為p?3000w，功率因數(shù)設(shè)為cos??1。調(diào)節(jié)升壓電路的占空比??1?eu0?1?110380?0.71使輸出為400v，調(diào)制比為1，求得逆變器輸出的基波電壓有效值為ub?400/2?282.84v。初步計(jì)算變壓器的變壓比為k?380/400?0.95。則電路各元件選取如下：
4.1 開關(guān)管和二極管的選擇
(1)開關(guān)管的選擇
最大輸出情況下，電流有效值為
imax?pv?cos??3000380?1?7.895a
開關(guān)管額定電流ice
ice?2?imax?2?7.895?15.79a
開關(guān)管額定電壓vcer
vcer?2?vm?2?380?760v
(2)二極管的選擇
額定電壓vrr
vrrm?380v
最大允許的均方根正向電流
ifrms??2ifr?1.57ifr
二極管的額定電流為
ifr?imax1.57?7.8951.57?5.03a
4.2 l、c 濾波器的設(shè)計(jì)
輸出濾波器的作用是減小輸出電壓中的諧波，并保證基波電壓輸出。因?yàn)V波電容和負(fù)
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載并聯(lián)，它可以補(bǔ)償感性電流，但是，濾波電容過大，反而會(huì)增加變壓器的負(fù)擔(dān)。因此，在設(shè)計(jì)濾波電路的時(shí)候，首先確定濾波電容的值。設(shè)計(jì)基本原則就是在額定負(fù)載時(shí)，使容性電流補(bǔ)償一半的感性電流。
ic?psin?2u0cos?icu0??3000?0.62?380?0.82.96380?2??50a?2.96a
c??f?24.79?f
取c=25?f，選擇500hz、500v的交流電容。開關(guān)管的工作頻率取7.2khz 逆變橋輸出電壓除基波外，還含有高次諧波，最低次諧波為2p?1次，而p?fsf?720050?144，得到
f?(2?200?1)?50?19950hz
考慮到死區(qū)的影響，一般選取輸出濾波器的諧振頻率為最低諧振頻率的1/5～1/10。取諧振頻率為2khz,算出
l?1c?(12??20001k)?10.952124.79?102?6?1184.96?106?0.256mh
折算到原邊，l1?()2l?()?0.256?0.284mh
4.3 輸出變壓器選擇
電源的輸出功率為3kva，cos??1，頻率f?50hz。根據(jù)變壓器選擇手冊(cè)可選擇sd40*80*220mm的50hz鐵芯，查得變壓器視在功率為3529va。本設(shè)計(jì)采用sd型鐵芯，用冷軋取向硅鋼薄板 dq151-35材料，占空系數(shù)kc?0.92。求得磁芯截面積sc?kp/kc?1.2?3529/0.92?77.49cm，若選取最大磁密bm?12000gs.1)副邊繞組
逆變橋輸出的spwm波經(jīng)過電感濾波后還是有一定的高頻分量，一般取br?80%bm?0.8?12000gs?9600gs。根據(jù)
-8變
?380v壓器電壓關(guān)系式u0?4.44fn2brsc?4.44?50?n2?9600?77.49?10可求得n2?230。取230匝。
2）原邊繞組
逆變器輸出的基波電壓理想值為282.84v。兩只開關(guān)管的壓降為4v左右，開關(guān)頻率
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fs?7.2khz，死區(qū)設(shè)為td?4?s，則死區(qū)引起的最大電壓損失為
?u?fstdub?7.2?10?4?103?6?282.84?8.12v
基波電流在濾波電感上的壓降為
ul?2?fli1?2??50?0.284?10?3?8.12?0.724v
漏感的阻抗壓降一般為3%～5%的基波電壓，按12v估算，則變壓器的原邊電壓
u1?(400?8.12?0.724?12)?379.2v
變壓器變比為k?u2/u1?380/379.2?1.00
n1?n2/k?229.5，取300匝。
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小結(jié)
很難想象最終還是把這個(gè)拓展訓(xùn)練做下來了，因?yàn)橹虚g過程是多么曲折。當(dāng)我剛拿到設(shè)計(jì)任務(wù)的時(shí)候，乍一眼看我還覺得題目比較簡(jiǎn)單，就是一個(gè)dc-ac轉(zhuǎn)換電路，然后我腦海中立馬浮現(xiàn)出課本上學(xué)的逆變電路圖，簡(jiǎn)單的六只開關(guān)管接成橋式電路然后接負(fù)載。后來當(dāng)我真正開始付之行動(dòng)時(shí)才發(fā)現(xiàn)實(shí)際做起來要比理論分析難很多。
做任何事都要先有計(jì)劃。首先，我解決的第一個(gè)問題是方案問題，根據(jù)輸入輸出電壓的差別，我決定先用一個(gè)升壓電路將直流電壓進(jìn)行升壓處理后才輸入到逆變器，而逆變器主電路則采用我們學(xué)的最多的三相橋式電路。
然后，我對(duì)各種模塊電路進(jìn)行了理論復(fù)習(xí)，記下每個(gè)電路需要哪些器件，以及各自的作用，在紙上畫出了大概的模型圖，以便設(shè)計(jì)時(shí)參考。
感覺這次拓展訓(xùn)練最難的地方是選擇元件和計(jì)算參數(shù)，每個(gè)元件都有它的額定工作條件或范圍，適當(dāng)選擇和使用才可以發(fā)揮出該原件最大的效益和作用，否則可能是電路工作不可靠或損壞元件。在計(jì)算變壓器的型號(hào)、尺寸、鐵芯材料、變比匝數(shù)時(shí)，花了很大氣力。因?yàn)橹皬膩頉]學(xué)過這么細(xì)，很多內(nèi)容相對(duì)比較陌生，只能對(duì)著書上的例子，再仔細(xì)瀏覽設(shè)計(jì)手冊(cè)，一步一步的計(jì)算與選擇。
此次三相pwm逆變器的設(shè)計(jì)中也存在一定的問題，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足之處，自己知識(shí)的很多漏洞，看到了自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還是比較缺乏，理論聯(lián)系實(shí)際的能力還需要提高。專業(yè)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)、發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題鍛煉實(shí)際能力的主要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，電子技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今世界空前活躍的領(lǐng)域，在生活中可以說得是無處不在。因此作為大學(xué)生來說，掌握電子的開發(fā)技術(shù)是十分重要的。
回顧此次拓展訓(xùn)練，至今我仍感慨頗多，在過去的一個(gè)星期里，可以說是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上沒有學(xué)到過的知識(shí)。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說是困難重重，難免會(huì)遇到各種各樣的問題，比如有時(shí)候被一些小的、細(xì)的問題擋住看前進(jìn)的步伐，讓我總是為解決它而花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，最后還要查閱其他的書籍才能找到解決的辦法。
當(dāng)然最關(guān)鍵的還是要靠自己親自去領(lǐng)會(huì)思考如何解決問題，掌握獨(dú)自面對(duì)問題分析問題的方法。不少人抱怨在大學(xué)學(xué)不到東西，我并不這樣認(rèn)為。我想無論是在學(xué)習(xí)還是在生
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活上只有自己真正用心去學(xué)習(xí)和參與才可能有收獲，這也算是本次三相pwm逆變器拓展訓(xùn)練給我知識(shí)之外的一點(diǎn)小小的感悟?？傊敬瓮卣褂?xùn)練的收獲確實(shí)很多，很珍惜這樣的機(jī)會(huì)，因?yàn)榭梢藻憻捵约禾嵘约骸?/p>
這次的拓展訓(xùn)練終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問題，最后在努力下終于迎刃而解。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了還有很多工具及理論以后待學(xué)習(xí)。此次拓展訓(xùn)練培養(yǎng)了我嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的思維，通過它架起理論與實(shí)際的橋梁。
武漢理工大學(xué)《能力拓展訓(xùn)練》說明書
參考文獻(xiàn)
[1] 楊蔭福.電力電子裝置及系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社，2006 [2] 技術(shù)在電源中的應(yīng)用.武漢：武漢大學(xué)出版社，2000 [3] 王兆安.電力電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009 [4] 楊澤民.電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用.沈陽：東北工學(xué)院出版社，1999 [5] robert contorl systems analysis and design-using matlab and simulation[m].影印版.北京：清華大學(xué)出版社，2008
直流變交流三相逆變器篇四
1.模糊邏輯控制：利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。先通過傳感器把要監(jiān)測(cè)的物理量變成電量，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)，這一步就稱為精確量的模糊化或者模糊量化，其目的是把傳感器的輸入轉(zhuǎn)換成知識(shí)庫可以理解和操作的變量格式。根據(jù)模糊邏輯推理得到的輸出模糊隸屬函數(shù)，用不同的方法找一個(gè)具有代表性的精確值作為控制量，這一步稱為模糊輸出量的解模糊判決；其目的是把分布范圍概括合并成單點(diǎn)的輸出值，加到執(zhí)行器上實(shí)現(xiàn)控制。
2、孤島效應(yīng)
孤島現(xiàn)象是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障或自然因素等原因中斷供電時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍然向周圍的負(fù)載供電，從而形成一個(gè)電力公司無法控制的自給供電孤島，容易造成設(shè)備損壞和人員傷亡。
3、主動(dòng)孤島效應(yīng)檢測(cè)
原理：在控制變量：電流幅值、頻率或相位中加入了適當(dāng)?shù)臄_動(dòng)量，同時(shí)檢測(cè)逆變器的輸出情況。當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí),由于電網(wǎng)的平衡作用, 擾動(dòng)信號(hào)不足以改變并網(wǎng)逆變器的輸出特性；當(dāng)電網(wǎng)故障或者掉電時(shí)，由于擾動(dòng)信號(hào)的反饋?zhàn)饔茫⒕W(wǎng)逆變器的輸出特性就會(huì)快速累積并且超出允許范圍,從而實(shí)現(xiàn)了快速檢測(cè)。
優(yōu)點(diǎn)：精度高，檢測(cè)盲區(qū)小等。
缺點(diǎn)：當(dāng)局部電網(wǎng)存在多個(gè)分布式能源系統(tǒng)時(shí)，主動(dòng)檢測(cè)效果下降。有功功率擾動(dòng)法：
就是周期性的改變并網(wǎng)逆變器輸出電流值的大小，同時(shí)檢測(cè)逆變器公共連接點(diǎn)a點(diǎn)的電壓大小變化情況。在電網(wǎng)正常工作的情況下，電流的擾動(dòng)不會(huì)改變電網(wǎng)電壓的波動(dòng)
當(dāng)孤島發(fā)生時(shí)逆變器檢測(cè)到的逆變器輸出電壓將會(huì)發(fā)生大的變動(dòng)，從而可以判斷孤島的發(fā)生。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，另外不會(huì)增大并網(wǎng)電流的諧波失真值的優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)：對(duì)于大功率集中型并網(wǎng)裝置而言，人為的改變有功功率的輸出會(huì)對(duì)局部電網(wǎng)產(chǎn)生不可小視的沖擊。當(dāng)孤島中同時(shí)存在多個(gè)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)供電時(shí)，難以做到對(duì)多個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)功率的同步干擾。
主動(dòng)頻率擾動(dòng)法（active frequency drift：afd）：
對(duì)并網(wǎng)輸出電流的頻率施加一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)，使得并網(wǎng)電流的頻率發(fā)生變化。
當(dāng)電網(wǎng)正常工作時(shí),由于電網(wǎng)的平衡作用, 擾動(dòng)信號(hào)不足以改變逆變器輸出電流的頻率 當(dāng)電網(wǎng)故障或者掉電時(shí)，由于擾動(dòng)信號(hào)的反饋?zhàn)饔茫孀兤鬏敵鲭娏鞯念l率就會(huì)快速累積并且超出允許范圍,從而實(shí)現(xiàn)了快速檢測(cè)。這種方法由于人為加入擾動(dòng)信號(hào)會(huì)影響并網(wǎng)逆變器輸出電流的質(zhì)量。對(duì)于rlc負(fù)載存在檢測(cè)盲區(qū) 滑模頻率偏移法 ：
該方法與主動(dòng)頻率擾動(dòng)法的工作原理類似，兩者主要區(qū)別在于afd法對(duì)頻率引入了擾動(dòng)，而滑模頻率偏移法是對(duì)逆變器輸出電壓的相角進(jìn)行擾動(dòng)。
4、被動(dòng)孤島效應(yīng)檢測(cè)
原理：被動(dòng)式檢測(cè)方法是利用電網(wǎng)發(fā)生斷電時(shí)逆變器的輸出電壓幅值、相位、頻率或諧波的改變來直接甄別系統(tǒng)是否發(fā)生孤島狀況的。優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行無干擾等。缺點(diǎn)：當(dāng)光伏系統(tǒng)輸出功率與負(fù)載功率平衡時(shí)，被動(dòng)式檢測(cè)方法將失去孤島效應(yīng)檢測(cè)能力，因此存在較大的非檢測(cè)區(qū)域(non-detection zone，ndz)。電壓、頻率檢測(cè)
原理：當(dāng)并網(wǎng)逆變器輸出功率(有功功率、無功功率)與負(fù)載需求功率不匹配，電壓或頻率將產(chǎn)生變化，一旦超出正常范圍，保護(hù)電路使并網(wǎng)逆變器停止運(yùn)行。
相位檢測(cè)
原理：電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)所帶的負(fù)載阻抗會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電網(wǎng)故障前后逆變器輸出電壓和輸出電流之間相位發(fā)生明顯變化，系統(tǒng)可以根據(jù)相位的變化情況來判斷電網(wǎng)是否出現(xiàn)故障。電壓諧波檢測(cè)
原理：當(dāng)系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開時(shí)，其輸出電流在經(jīng)過變壓器等非線性設(shè)備時(shí)將會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，監(jiān)測(cè)線路電壓的諧波量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)諧波量突然增加時(shí)，就可以認(rèn)為發(fā)生了孤島現(xiàn)象。
5、mppt mppt控制器的全稱“最大功率點(diǎn)跟蹤”（maximum power point tracking）太陽能控制器。mppt控制器能夠?qū)崟r(shí)偵測(cè)太陽能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值(vi)，使系統(tǒng)以最大功率輸出對(duì)蓄電池充電。應(yīng)用于太陽能光伏系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)太陽能電池板、蓄電池、負(fù)載的工作，是光伏系統(tǒng)的大腦。光伏電池的輸出功率與mppt控制器的工作電壓有關(guān)，只有工作在最合適的電壓下，它的輸出功率才會(huì)有個(gè)唯一的最大值。日照強(qiáng)度為1000w/㎡，u=24v,i=1a；u=30v,i=0.9a；u=36v,i=0.7a；可見30的電壓下輸出功率最大。
6、鎖相環(huán)(phase locked loop)，就是鎖定相位的環(huán)路。學(xué)過自動(dòng)控制原理的人都知道，這是一種典型的反饋控制電路，利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，一般用于閉環(huán)跟蹤電路。是無線電發(fā)射中使頻率較為穩(wěn)定的一種方法，主要有vco（壓控振蕩器）和pll ic（鎖相環(huán)集成電路）,壓控振蕩器給出一個(gè)信號(hào),一部分作為輸出，另一部分通過分頻與pll ic所產(chǎn)生的本振信號(hào)作相位比較，為了保持頻率不變，就要求相位差不發(fā)生改變，如果有相位差的變化，則pll ic的電壓輸出端的電壓發(fā)生變化，去控制vco,直到相位差恢復(fù)，達(dá)到鎖相的目的。能使受控振蕩器的頻率和相位均與輸入信號(hào)保持確定關(guān)系的閉環(huán)電子電路。
電路
the boost converter，或者叫step-up converter是一種開關(guān)直流升壓電路，它可以使輸出電壓比輸入電壓高。
8、脈沖寬度調(diào)制
pulse width modulation
pwm是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。pwm信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(on)，要么完全無(off)。電壓或電流源是以一種通(on)或斷(off)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用pwm進(jìn)行編碼。
9、ipm器件
ipm（intelligent power module）,即智能功率模塊，不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起。而且還內(nèi)藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到cpu。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保證ipm自身不受損壞。ipm一般使用igbt作為功率開關(guān)元件，內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。ipm以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場(chǎng)，尤其適合于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速，冶金機(jī)械，電力牽引，伺服驅(qū)動(dòng)，變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。功率因數(shù)：
電壓與電流之間的相位差(φ)的余弦叫做功率因數(shù)
直流變交流三相逆變器篇五
目錄
一 摘要...................................................................................................2
二 三項(xiàng)逆變器spwm調(diào)制原理...........................................................2三 spwm逆變電路及其控制方法.......................................................2
3.1spwm包括單極性和雙極性兩種調(diào)制方法.....................................................2
3.2 調(diào)制法.................................................................................................................3
3.3特定諧波消去法..................................................................................................4
四 三相橋式逆變器spwm調(diào)制的仿真型........................................5
封裝模塊...................................................................................6
4.2subsystem1封裝模塊.................................................................................7 4.1subsystem五 三相橋式逆變器spwm調(diào)制的仿真波形....................................7
六頻譜分析...........................................................................................14
6.1 對(duì)相電壓un’、vn’、wn’輸出電壓進(jìn)行諧波分析................................14
6.2 對(duì)負(fù)載的線電壓uuv、uvw、uwu的輸出波形進(jìn)行諧波分析.................16
6.3 負(fù)載vn的相電壓un、vn、wn輸出波形進(jìn)行諧波分析.......................17
七結(jié) 語.................................................................................................19
八 參考文獻(xiàn).........................................................................................19
三相逆變器雙極性spwm調(diào)制技術(shù)的仿真
一 摘要：在電力電子技術(shù)中，pwm（pulse width modulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。本論文以三相逆變器雙極性spwm調(diào)制技術(shù)的仿真為例，通過運(yùn)用了matlab/simulink和power system block(psb)電力系統(tǒng)模塊集工具箱仿真環(huán)境，對(duì)電路進(jìn)行建模、計(jì)算和仿真分析。通過調(diào)節(jié)載波比n，用示波器觀看輸出波形的改變。另外，采用subplot作出相電壓、相電流、線電壓、不同器件所承受的電壓波形以及頻譜圖，并加以分析。
關(guān)鍵詞：pwm 三相逆變器
載波比n 示波器
仿真
波形
二 三相逆變器spwm調(diào)制原理
在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。圖1中各個(gè)形狀的窄脈沖在作用到逆變器中電力電子器件時(shí)，其效果是相同的，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。
重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理
a)矩形脈沖
b)三角脈沖
c)正弦半波脈沖
d)單位脈沖函
圖1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖
三 spwm逆變電路及其控制方法
3.1 spwm包括單極性和雙極性兩種調(diào)制方法
（1）如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的spwm波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。
（2）如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則spwm波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。
圖2雙極性pwm控制方式
其中：載波比——載波頻率 fc與調(diào)制信號(hào)頻率
fr 之比n，既 n = fc / fr
調(diào)制度――調(diào)制波幅值ar與載波幅值ac之比，即ma＝ar/ac 同步調(diào)制——n 等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步。
? 基本同步調(diào)制方式，fr 變化時(shí)n不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定； ? 三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取 n 為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱； ? 為使一相的pwm波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，n應(yīng)取奇數(shù)； ? fr 很低時(shí)，fc 也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除； ? fr 很高時(shí)，fc 會(huì)過高，使開關(guān)器件難以承受。異步調(diào)制***——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式。
? 通常保持 fc 固定不變，當(dāng) fr 變化時(shí)，載波比 n 是變化的；
? 在信號(hào)波的半周期內(nèi)，pwm波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱；
? 當(dāng)
fr 較低時(shí)，n 較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小；
? 當(dāng)
fr 增高時(shí)，n 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，pwm 脈沖不對(duì)稱的影響就變大。
3.2 調(diào)制法
1）單相橋式spwm逆變電路調(diào)制法
設(shè)負(fù)載為阻感負(fù)載，工作時(shí)v1和v2通斷互補(bǔ)，v3和v4通斷也互補(bǔ)。以u(píng)o正半周，讓v1通，v2斷，v3和v4交替通斷。由于負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。負(fù)載電流為正的區(qū)間，v1和v4導(dǎo)通時(shí)，uo等于ud。v4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過v1和vd3續(xù)流，uo=0 負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，v1和v4仍導(dǎo)通，io為負(fù)，實(shí)際上io從vd1和vd4流過，仍有uo=ud。v4關(guān)斷v3開通后，io從v3和vd1續(xù)流，uo=0。
uo總可得到ud和零兩種電平。uo負(fù)半周，讓v2保持通，v1保持?jǐn)啵瑅3和v4交替通斷，uo可得-ud和零兩種電平。
圖3 三相橋式pwm型逆變電路
2）u、v、w三相的pwm控制是通常公用一個(gè)三角波uc，三相的調(diào)制信號(hào)uru、urv、urw依次相差120°。u、v、w各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以u(píng)相為例來分析。當(dāng)uru>uc時(shí)，給橋臂v1以導(dǎo)通的信號(hào)，給下橋臂v4以關(guān)斷的信號(hào)，則u相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn)n’的輸出電壓un’=ud/2。當(dāng)uru
un=un’-(un’+vn’+wn’)/3 在電壓型逆變電路的pwm控制中，同一相上下兩個(gè)臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都是互補(bǔ)的。
3.3特定諧波消去法
輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各3次（不包括0和π），共6個(gè)開關(guān)時(shí)刻可控。為減少諧波并簡(jiǎn)化控制，要盡量使波形對(duì)稱。首先，為了消除偶次諧波，應(yīng)使波形正負(fù)兩個(gè)半周期鏡對(duì)稱。
特定諧波消去法的輸出spwm波形
四 三相橋式逆變器spwm調(diào)制的仿真模型
總圖
acontinuouspowerguiout1out2subsystem1in2out1out2out3out4out5out6b out3in3 out4in4in6out5in7out6in5 uout7conn1connn'cvsubsystemeuvv+-wconn3conn2rl1vwv+-+v-un'1+v-rl2un'+v-+v-vn'1d1uw+v-rl3vn'+v-+v-wn'dwn'16multimeterf
電阻r=1，電感l(wèi)=1e-3,電容c=inf
4.1 subsystem封裝模塊
1out1u>=productrelationaloperator2notlogicaloperator2out20.88constant3out3repeatingsequence4out4>=vproduct1relationaloperator1notlogicaloperator15out56out6w>=product2relationaloperatornotlogicaloperator27out7
脈沖電路參數(shù)設(shè)置為：載波比n=9-21，取n=16設(shè)置三角波時(shí)間[0 6.25e-4 1.25e-3] 幅值 [-1 1-1],ma=0.8-0.95,取ma=0.88，單相調(diào)制信號(hào)波u, v, w依次相差120°電角度。w取100*pi, u、v、w取角度分別取0、2/3*pi、4/3*pi。e1=e2=150v。
4.2 subsystem1封裝模塊
in21in43in64ggccgv1mevd1v3mevd3v5mecvd5e11connn'out11out33out55conn12conn23in32in56in75conn34e2ggccgv4mevd4v6mevd6v2mecvd2out44out66out22
e1=e2=150v 4.3調(diào)制波電路分析
4.3.1單相雙極性spwm調(diào)制原理圖
u>=productrelationaloperator2notlogicaloperator1out220.88constantrepeatingsequenceout3
當(dāng)0.88ur>=uc時(shí)，輸出out3 當(dāng)0.88ur
4.3.2 三相雙極性spwm調(diào)制原理圖
u>=productrelationaloperator2notlogicaloperator1out20.88constant2out3repeatingsequence>=vproduct1relationaloperator13out4notlogicaloperator14out55out6w>=product2relationaloperatornotlogicaloperator26out7原理同上比較得出，當(dāng)0.88ur>=uc時(shí)，輸出out3；當(dāng)0.88ur
=uc時(shí),輸出out4;當(dāng)0.88vr
=uc,時(shí)，輸出out6,當(dāng)0.88wr
輸出信號(hào)out2,3,4,5,6,7用示波器b測(cè)得波形，信號(hào)經(jīng)過晶閘管igbt得到輸出信號(hào)out1,2,3,4,5,6,用示波器c測(cè)得波形。用示波器a測(cè)得三角波和三個(gè)正弦波行，用示波器d測(cè)相電壓un'uv' wn'電壓波形，用示波器d1測(cè)相電壓un vn wn 的波形，用示波器e測(cè)得線電壓uv vw uw的波形，用示波器f測(cè)得電阻電感兩端的電壓電流。
封裝模塊
1)選擇要建立的子系統(tǒng)模塊，不包括輸入端口和輸出端口。
2)選擇模型編輯窗口edit菜單中的create subsystem命令，或右擊鼠標(biāo)選擇該命令，這樣，子系統(tǒng)就建好了，系統(tǒng)自動(dòng)把輸入模塊和輸出模塊添加到子系統(tǒng)。3)修改子系統(tǒng)名，修改需要的子系統(tǒng)名。
4)選擇模塊，右擊鼠標(biāo)選擇“mask subsystem”，將其封裝。
5)在編輯器（mask edit)中添加需要封裝的相關(guān)參數(shù)（parameters):ar,fr,n,ma.6)初始化（initialization)其他參數(shù)，這里需要用matlab語句執(zhí)行：ac=ar/ma;fc=fr*n 7)確定完成封裝.五 三相橋式逆變器spwm調(diào)制仿真波形 電阻rl1、rl2、rl3電壓電流波形
ub: rl1ib: rl120010000-200-10000.010.020.030.0400.010.020.030.04ub: rl2ib: rl220010000-200-10000.010.020.030.0400.010.020.030.04ub: rl3ib: rl320010000-200-10000.010.020.030.0400.010.020.030.04示波器a仿真波形
subplot(1,1,1)plot(,s(1).values)title('三角載波與調(diào)制信號(hào)波波形n=16')
三角載波與調(diào)制信號(hào)波波形n=1610.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-100.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04
示波器b波形 subplot(6,1,1)plot(,s(1,1).values)title('out2電壓波形')subplot(6,1,2)plot(,s(1,2).values)title('out3電壓波形')subplot(6,1,3)plot(,s(1,3).values)title('out4電壓波形')subplot(6,1,4)plot(,s(1,4).values)title('out5電壓波形')subplot(6,1,5)plot(,s(1,5).values)title('out7電壓波形')subplot(6,1,6)plot(,s(1,6).values)title('out6電壓波形')
out2電壓波形10.5010.5010.5010.5010.5010.5000.0050.010.0150.020.025out3電壓波形0.0150.020.025out4電壓波形0.0150.020.025out5電壓波形0.0150.020.025out7電壓波形0.0150.020.0250.030.0350.0400.0050.010.030.0350.0400.0050.010.030.0350.0400.0050.010.030.0350.0400.0050.010.030.0350.0400.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04
示波器c波形
subplot(6,1,1)plot(,s(1,1).values)subplot(6,1,2)plot(,s(1,2).values)subplot(6,1,3)plot(,s(1,3).values)subplot(6,1,4)plot(,s(1,4).values)subplot(6,1,5)plot(,s(1,5).values)subplot(6,1,6)plot(,s(1,6).values)5000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.045000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.045000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.045000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.045000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.045000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04示波器d波形 subplot(3,1,1)plot(,s(1,1).values)title('相電壓un’電壓波形')subplot(3,1,2)plot(,s(1,2).values)title('相電壓vn’電壓波形')subplot(3,1,3)plot(,s(1,3).values)title('相電壓wn’電壓波形')
相電壓un’電壓波形2000-20000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04相電壓vn’電壓波形2000-20000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04相電壓wn’電壓波形2000-20000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04示波器d1波形 subplot(3,1,1)plot(,s(1,1).values)title('u相相電壓波形圖')subplot(3,1,2)plot(,s(1,2).values)title('v相相電壓波形圖')subplot(3,1,3)plot(,s(1,3).values)title('w相相電壓波形圖')
u相相電壓波形圖2000-20000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04v相相電壓波形圖2000-20000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.042000-20000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04
示波器e波形 subplot(3,1,1)plot(,s(1,1).values)title('線電壓un’電壓波形')subplot(3,1,2)plot(,s(1,2).values)title('線電壓vn’電壓波形')subplot(3,1,3)plot(,s(1,3).values)title('線電壓wn’電壓波形')
線電壓un’電壓波形5000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04線電壓vn’電壓波形5000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04線電壓wn’電壓波形5000-50000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04示波器f波形 subplot(3,1,1)plot(,s(1,1).values);subplot(3,1,2）
plot(,s(1,2).values);subplot(3,1,3)plot(,s(1,3).values);
電阻電感電壓電流波形
2000-2002000-2002000-20000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.0400.0050.010.0150.020.0250.030.0350.0400.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04
六 頻譜分析
6.1 對(duì)相電壓un’、vn’、wn’輸出電壓進(jìn)行諧波分析
相電壓un’諧波分析
相電壓vn’諧波分析
相電壓wn’諧波分析
6.2 對(duì)負(fù)載的線電壓uuv、uvw、uwu的輸出波形進(jìn)行諧波分析
對(duì)線電壓uuv諧波分析
對(duì)線電壓uvw諧波分析
對(duì)線電壓uwu諧波分析
6.3負(fù)載vn的、vn、wn輸出波形進(jìn)行諧波分析
相電壓un諧波分析
相電壓vn諧波分析
相電壓wn諧波分析
由于負(fù)載的參數(shù)一樣，故相電壓un、vn和wn的三者諧波情況基本一樣。頻譜分析情況基本一致?？梢钥闯?，其pwm波中不含有低次諧波，只含有角頻率為wc及其附近的諧波，以及2wc、3wc等及其附近的諧波。在上述諧波中，幅值最高影響最大的時(shí)角頻率為wc的諧波分量。wc>>wr,所以spwm波形中所含的主要諧波的頻率要比基波頻率高的多，是很容易濾除的。載波頻率越高，spwm波形諧波頻率就越高，所需濾波器的體積越小。另外，一般的濾波器都有帶寬，如按載波頻率設(shè)計(jì)濾波器，載波附近的諧波也可濾除。
七 結(jié) 語
通過以上的仿真過程分析，可以得到下列結(jié)論：（1）與采用常規(guī)電路分析方法所得到的輸出電壓波形進(jìn)行比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。（2）載波頻率越高，spwm波形中諧波頻率就越高。所需濾波器的體積就越小。一般在輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各k次，考慮到pwm波四分之一周期對(duì)稱，k個(gè)開關(guān)時(shí)刻可控，除用一個(gè)自由度控制基波幅值外，可消去k－1個(gè)頻率的特定諧波。（3）三相橋式pwm型逆變電路采用雙極性控制方式比較可行，且操作簡(jiǎn)單。再依次驗(yàn)證了pwm控制技術(shù)在逆變電路中有著十分重要的意義。讓自己學(xué)到挺多認(rèn)識(shí)更深，更了解simulink。通過學(xué)習(xí)對(duì)cad的認(rèn)識(shí)更深，能夠更好的運(yùn)用仿真軟件，以后可以更好的運(yùn)用。很多以前的不懂的現(xiàn)在都明白，做完就很有成就感，經(jīng)過這次的仿真更明白simulink。對(duì)單相交流降壓電路更了解。
八 參考文獻(xiàn)
黃俊，王兆安 電力電子技術(shù)（第5版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010 張曉華 控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與cad(第3版)北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2010 劉衛(wèi)國(guó)，matlab程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用，（第2版）北京：高等教育出版社，2006.
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