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

i《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日得分：i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AbstractThisthesisanalyzescircuitstructureofACDCACfrequencyconverterinvoltagetypeandfunctionofeachpartbriefly．Focusesontheworkingconditionsofthree-phasebridgerectifiercircuitcapacitorfilter,three-phasebridgePWMinvertercircuitandY/Y-typerectifiercircuit．Whiletheanalyticalwork,underdifferentconditionsisgiventhesizeoftheloadphasevoltageandloadlinevoltage，Anddetailedanalysisofrectifier,theinversionprocess．Keywords:AC-DC-ACfrequencyconverter;rectifierinverter;stableworkingstate1目录第1章引言................................................................2第2章交直交变频器电路图及工作原理.........................................22.1电路图以及对应的波形仿真图...............................................22.11整流部分............................................................22.12逆变部分............................................................32.13滤波部分............................................................42.14总体电路图..........................................................52.2工作原理.................................................................52.21整流环节............................................................62.22逆变环节............................................................62.23滤波环节............................................................7第3章变频器参数选择........................................................73.1整流部分.........................................................73.2逆变部分.........................................................7第4章变频器的应用.....................................................7第5章未来的发展趋势..................................................10第6章对整个电路的评价................................................11第7章感悟收获与总结………………………………………………………………………11参考文献...................................................................122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3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42.13滤波部分图五滤波电路图图六滤波电路仿真波形52.14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61。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。2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。32.22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1参考文献【7】2参考文献【4】3参考文献【3】7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。4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。52.23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=528v63.2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4参考文献【1】5参考文献【5】6参考文献【6】8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