基于MATLAB的三相桥式PWM逆变电路设计.pdf基于MATLAB的三相桥式PWM逆变电路设计pd

文件名称: 基于MATLAB的三相桥式PWM逆变电路设计.pdf

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详细说明：基于MATLAB的三相桥式PWM逆变电路设计pdf,在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的6个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本实验针对正弦波输出变压变频电源SPWM调制方式及数字化控制策略进行了研究，以SG3525为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变频输出。三相桥式SPWM逆变电路设计摘要: 随着电力电子技术的飞速发展,正弦波输出变压变频电源己被广泛应用在各个领域中,与比同吋对变压变频电源的输岀电压波形质量也提岀了越来越高的要求。对逆变器偷出波形质量的要求主要包括两个方面:是稳态精度高;二是动态性能好。因此,硏究开发既简单又貝有优良动、静态性能的逆变器控制策略, 口成为电力电子领域的研究热点之一。在现有的王弦波输出变压变频电源产品中,为了得刭SPW波,一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的6个功盗管都工作在较高频率 (载波频率),从而产生∫较大的开关损耗,廾关频率越高,损耗越大。本实验针对正弦波输出变压变频电源SPwM调制方式及数字化控制策略进行了研究,以 SG3525为主控芯片,以期得到一砷较理想的调制方法,实现逆变电源变压、变频输出。关键词:逆变器SPWM逆变器的τ作原理正弦脉宽调制的调制算法单极性正弦脉宽调制双极性正弦脉宽调制自然采样法规则采样法双极性正弦波等面积法绪论正弦逆变电源作为一种可将直流电能有效地转换为父流电能的电能变换装呈被广泛地应用于国民经济生产生活中,其中有:针对计算机等重要负载进行断电保护的交流不间断电源UPS( Uninterruptle Power Supply);针对交流异步电动札变频调速控制的变频调速器;针对智能楼竽消防与安防的应急电源EFS ( Emergence Power Supply);针对船舯T业用电的岸电电源sPs( Shore Power Supply);还有针对风力发电、太阳能发电等而开发的特种逆变电源等等.随着控制论的发展与电力电子器件的不断革新,特别是以绝缘栅极双极型晶体管 lGBT( Insulated Gatc Bipolar Transistor)为代表的自关断可控型功率半导体器什出现,大大简化了正弦逆变电源的换相问题,为各和PwM型逆变控制技术的实现提供了新的实现方法,从而进一步简化了正弦逆变系统的结构与控制电力电子器件的发展经历了晶闸管(sCR)、可关断晶间管(GT0)、晶体管(BJT) 绝缘栅晶体管(IGBI)等阶段。目前止向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展,与其他电力电子器件相比,IGBT具有高可靠性、驱简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率髙等特点,为了达到这些髙性能, 采用了许多用于集成电路的工艺技术,如外廷技术、离子注入、精细光刻等 IGBI最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题,由于本身的关断延迟很短,其串联也容易。尽管IGBT模块在大功率应用中非常产泛,但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题,其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊悳较低的疲劳强度,另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。二、三相桥式SPWM逆变器的设计内容及要求对三相桥式spwm逆变电路的主电路及控制电路进行设计,参数要求如下:直流电压为100V三相阻感负载,负载中R=2,L=1mH,要求频率范围:10Hz100JHz 设计要求:1.理论设计:了解掌握三相桥式PWM逆变电路的工作原理,设计三相桥式PM逆变电路的主电路和控制电路。包括 IGBT电流,电压额定的选择驱动保护电路的设计画出完整的主电路原理图和控制原理图列出主电路所用元器件的明细表 2.仿真试验:利用 MATLAB仿真软件对三相桥式spw逆变电路的辶电路及控制电路进行仿真建模,元件管脚数,并进行仿真试验。 3.实际制作:利用 PROTEL软件绘出原理图,结合具体所用外型尺寸,考虑散热和抗干扰等因素,设计PCB印刷电路板。最后完成系统电路组装,调试。、SPWM逆变器的工作原理由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形,可以把一个正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形尿冲来代替,矩形脉冲的中点与正弦波每等分的中点重合。这样,由N 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样,正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPMM波形。由丁各脉冲的幅值相等,所以道变器可由恒定的自流电源供电,也就是说,这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就「以了(见图2-1,2-2,2-3)。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态 T作时,驱动相应廾关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形,这是很容易推断出来的。从理论上诽,这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得,作为控制道变器中各开关器件通断的依据。但较为实用的办法是引用通信技术中的“调制”这一概念,以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制波 Mcdulationwave),而受它调制的信号称为载波 arrier Wave)。在SPwM中常用等腰三角波作为载波,因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形,当它与任何一个光滑的曲线相交时,在交点的时刻控制开关器件的通断,即可得到组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲,这正是SPwM所需要的结果 AC DC AC 50Hz~ 可控整流逆变调压调频 (2-1)可控整流器调压、六拍逆变器变频 AC DC DC AC 50Hz- 不可控整流斩波器逆变调压调频 (2-2)不控整流、斩波器调压、六拍逆变器变频 AC DC AC 50HZ 不可控整流 PwM逆变器调压.调频 (2-3)不控整流、PWM逆变器调压调频工作原理图2-4是SW变频器的主电路,图中ⅥⅥT6是逆变器的六个功率开关器件(在这里画的是IGBT),各由一个续流二极管反并联,整个逆变器由恒值直流电压U供电。图2-5是它的控制电路,一组三相对称的正弦参考电压信号出参考信号发生器提供,其频率决定逆变器输岀的基波颎率,应在所要求的输岀烦率茳围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内变化,决定输岀电压的大小。三角载波信号c是共用的,分别与每相参考电压比较后,给出“正”或“零”的 U.UR U 饱和输出,产生SPW脉冲序列波作为逆变器功率开关器件的驱动控制信亏。 Ud2 TSH 4 VD5 DODE N m546.VD6 本vD DODE 2-4主电路当Un,bN=-U412时,给w导通信号,给Ⅵ关断信号ltw=-U4/2 给Ⅵ1(V4)加导通信号时,可能是v1(V4)导通,也可能是W1(D4寻通。U4和 w的PwM波形只有±Ud/2两种电平。当 url>uc时,给Ⅵ导通信号,给V4 关断信号,m=-U4/2。Wv波形可由ltM-lx得出,当1和6通时, Lw=Ua,当3和4通时L,1,当1和3或4和6通时,Lv=0。输出线电压PWM波出±Ud和0三种电平构成负载相电压PwM波出(±2/3)ba、(± 1/3)0和0共5种电半组成。防直通的死区时闩同一相上下两臂的驱动信号互补,为防止上下臂直通而造成短路,留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PW波带来影响,使其稍稍偏离正弦波。 Ura 驱动逆三相正比 Urb 变器的弦波发较 Urc 开关元生器器件三角波发生器 2-5控制电路 2.控制方式脉调制的控制方式从调制脉冲的极性上看,可分为单极性和双极性之分: 参加调制的载波和参考信号的极性不变,称为单极性调制:相反,三角载波信号和正弦波信号具有正负极性,则称为双极性调伟 (1)单极性正弦脉宽调制单极性正弦脉宽调制用幅佰为U的参考信号波U与幅值为∫,频率为f的三角波U′比较,产生功率开关信号。其原理波形如图26所示。图2-6是用单相正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截,再通过倒相产生功率开关驱动信号。参考波频率r决定了输出频率fo,每半周期的脉冲数P决定丁载波频f。即: 2-1) 用参考电信号的幅值Ur,与三角形载波信号的嘔值Uc的比值,即请制度 m=r/c,来控制输出电压变化。当调制度由0^1变化时,脉宽由0^r/p变化, 输出电压由0~E变化。如果每个脉冲宽度为θ,则输岀电压的傅里叶级数展开式为: U,()=2(A, Cos no+B,sinnoh) (22) 系数An和Bn由每个脉宽为θ,起始角为a的正脉冲来决定和对应的负脉冲起始角π+a来决定如果第j个脉冲的起始角为aJ则有 4E sin-cos n a+ (2-3a) 4E B SIl-sIn日na2+ (23b) =11z 由式(2-3a)、式(2-3b)可计算输出电压的傅里叶级数的系数 A=∑ 2E SIn n n 1(+)-smna] (2-4a) 、2E B= cos na - a+e (2-4b) 几x 2-6单极性上迷脉宽调制SPWM原理波形 (2)双极性正弦脉宽调制双极性正弦脉宽调制的输出电压u0()波形在0~2π区间关于中心对称、在 0n区间关于轴对称,其傅里叶级数展开式为U()=∑B, sIn nat (2 2「 t)sin notd(ar) 元式(2-5)中输出电压u0(t)可看成是幅值为E,频率为fo的方波与幅值为Σ、频率为fc 的负脉冲序列起点和终点分别为a,a2,a3…2-2的叠加。因此 Esin nard (ar)- Esin nard (ax) ∫ Esin nad(an)-…-「 Esin nad a (2-6) 4E coNc nc 则输出电压为 U()=∑ /- 4E cos ncl2j-I COS /lli )Isin n(2-7) n=13,5 输出电压基波分量U1(t为 4E COS /LC. sin nor (2-8) MZP 需要注意的是,从主回路上看,对于双极性调制,口于同一桥臂上的两个开关元件始终轮流交替通断,因此容易引起电源短路,造成环流。为防止环流,就必须增设延时触发环节,设置死区。 3.正弦脉宽调制的调制算法三角波变化一个周期,它与正弦波有两个交点,控制逆变器屮开关元件导通和关断各一次。要准确的生成SPWM波形,就要精确的计算出这两个点的时间。开关元件导通时间是脉冲宽度,关断时间是脉冲间隙ε正弦波的频率和嘔值不同时,这些时间也不同,但对计算机米说,时间由软件实现,时间的控制由定时器完成,是很方便的,关键在于调制算法。调制算法主要有自然采样法、规则采样法、等面积法等。 1.自然采样法按照SPWM控制的基本原理,在止弦波与三角波的交点进行球冲宽度和间隙的釆样,去生成SPWM波形,成为自然采样法。如图2-8所示

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