基于MATLAB三相正弦脉宽调制变频电路的性能研究

大庆师范学院本科毕业论文（设计）摘要PWM控制技术是电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。PWM控制技术在晶闸管时代就已经产生，但为了使晶闸管通断要付出很大的代价，因而难以得到广泛应用。AbstractPWMcontroltechnologyispowerelectronicsapplications,andtheelectricpowerelectronictechnologytoproduceveryfar-reachingimpactofatechnology.PWMcontroltechnologyinthethyristoreraalreadyproduced,butinordertomakethethyristoron-offcostly,soitisdifficulttobewidelyapplied.InIGBT,powerMOSFETastherepresentativeofthefullcontrolleddevicescontinuetoimprovetothePWMcontroltechnologytoprovidepowerfulcorporealfoundation,promotedtherapiddevelopmentoftechnology,itsapplicationtotherectifier,inverter,DC/DC,ACforallfourcategoriesininverter.PWMcontroltechnologyintheapplicationoftheinvertercircuitisthemostrepresentative,cansay,itisbecausethePWMcontroltechnologyintheinvertercircuitinawideandsuccessfulapplicationofPWMcontroltechnology,powerelectronicstechnologyintheprominentposition.Abstract：PWMcontrol;rectifier;inverter大庆师范学院本科毕业论文（设计）第一章前言1.1研究背景逆变器也称逆变电源，是将直流电转换成交流电的一种装置，逆变技术最初为直流电机-交流电机旋转方式，现在多为晶闸管技术，到如今MOSFET、IGBT、IGCT等先进且易控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器控制。1.2前景及应用现如今的社会，逆变电路应用已经极其广泛，小到毫瓦级的液晶背光板逆变电路，大道百兆瓦级的高压直流输出换流站；从日常的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能、风力发电设备，都少不了逆变电源。大庆师范学院本科毕业论文（设计）第二章脉宽调试变频电路主要应用技术2.1整流电路原理电力电子电路多种多样，其中最早出现的电路是整流电路，其作用是交—直变换。整流电路的分流方式多种多样，按照组成器件可分为：二极管组成的不可控、晶闸管组成的半控、IGBT等全控器件组成的全控电路三种；按照电路结构，有桥式整流电路和零式整流电路等等。2.1.1整流电路—单相可控单相半波可控整流电路带阻感负载工作电路图入图2-1所示。阻感负载的特点是电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。图2-1阻感负载电路图图2-2为带阻感负载的单相半波可控整流电路的波形，根据波形图进行电路分析：晶闸管VT处于断态时,电路中电流id=0,负载电压ud=0,此时uVT=u2。在t1时刻，即触发角处，触发VT使其开通ud=u2。因为电感L的存在使id不能突变，id从0开始增加。U2由正变负的过零点处，id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。此后L中的能量逐渐释放，一方面供给电阻消耗，另一方面供给变压器二次绕组吸收，从而维持id的流动。至t2时刻，电感能量释放完毕，id降至零，VT关断并立即承受反压。如图晶闸管两端电压波形所示，由图中的ud波形还可以看出，由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。图2-2带阻感负载的电路波形大庆师范学院本科毕业论文（设计）当负载阻抗角φ或触发角不同时，晶闸管的导通角也不同。若φ为定值，角越大，在u2正半周电感L储能越少，维持导电能力越弱，越小。且φ越大，u2在负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在u2正半周导通时的时间，ud中负的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值越小。为解决上述矛盾，在整流电路的负载两端并联一个二极管，称为续流二极管，用VDR表示，电路图如图2-3所示。图2-3有续流二极管电路图图2-4为有续流二极管时典型工作波形。u2正半周时，与没有续流二极管时的情况是一样的。当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。若L足够大，VDR可持续导通，id连续，且id波形接近一条水平线。图2-4有续流二极管时典型工作波形根据波形图可知续流二极管VDR导通角为π+。若近似认为id为一条直线，恒为Id,则流过晶闸管的电流平均值IdVT和有效值IVT分别为：ddVTII2（2-1）ddVTItdII2)(212（2-2）续流二极管的平均值IdVDR和有效值IVDR分别为：ddVDIIR2（2-3）大庆师范学院本科毕业论文（设计）ddVDItdIIR2)(2122（2-4）单相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化。为使变压器铁心不饱和，需增大铁心截面积，增大了设备容量。单相整流电路中应用较多的是单向桥式全控整流电路。带阻感负载时，为方便讨论，假设电路已工作在稳态，id平均值不变，电路图如图2-5所示。图2-5带阻感负载时的工作电路在u2正半周期触发角处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通。t=+时刻，触发VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断。典型波形图如图2-6所示。图2-6负载为阻感时波形图整流电压平均值为：cos9.0cos22)(dsin21222dUUttUU（2-5）的移动范围为90o。晶闸管导通角为180o。图2-7为负载为反电动势时的电路图。大庆师范学院本科毕业论文（设计）图2-7反电动势负载时电路图当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。晶闸管导通之后，ud=u2，，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角。当时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。典型波形图如图2-8所示。图2-8带反电动势时波形图触发脉冲有足够的宽度，保证当t=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为。在角相同时，整流输出电压比电阻负载时电流断续id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。电感量足够大使电流连续，晶闸管每次导通180o，这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。为了保证电流连续所需要的电感量L为：dmin23dmin21087.222IUIUL（2-6）2.1.2整流电路—三相可控当负载为阻感负载时，L值很大。其电路结构图如图2-9所示。大庆师范学院本科毕业论文（设计）图2-9阻感负载三相电路图L值很大，整流电流id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波。≤30时，整流电压波形与电阻负载时相同。＞30时，当u2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断。整流电压平均值Ud/U2与的关系，L很大，如曲线2所示。L不是很大，则当30o后，ud中负的部分可能减少，整流电压平均值Ud略为增加，如曲线3所示。图2-10三相半波可控整流电路Ud/U2与关系图变压器二次电流的有效值为ddTIIII577.0312（2-8）晶闸管的额定电流为ddAVTIII368.057.1)(（2-9）晶闸管最大正反向电压为245.2UUURMFM（2-10）三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。三相桥式全控整流电路其电路结构图如图2-11所示。大庆师范学院本科毕业论文（设计）图2-11三相桥式全控整流电路结构图共阴极组VT1，VT3，VT5；共阳极组VT4，VT6，VT2。晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。当≤60时ud波形均连续；=60时ud出现了为零的点；当60时，因为id与ud一致，一旦ud降为至零，id也降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零。2.2逆变电路原理与整流相对的就是逆变，也就是把直流电变成交流电。交流侧接电源时成为有源逆变，当交流侧直接和负载连接时称为无源逆变。2.2.1逆变电路—电压型单相电压型逆变电路可分为半桥和全桥，图2-12为半桥电路，V1或V2通时，io和uo的方向相同，能量的走向为从直流侧到负载；VD1或VD2通时，io和uo的方向相反，能量的走向为从电感中贮能到直流侧。VD1、VD2称为反馈二极管,它的存在时负载电流连续，又称续流二极管。图2-12单相半桥型逆变电路的工作原理图图2-13为全桥电路。由四个桥臂组成。每两对桥臂位一组，每组导通180o，每组之间交替导通。输出电压和电流的幅值比半桥电路高出一倍。大庆师范学院本科毕业论文（设计）图2-13单相全桥型逆变电路结构图三相桥式逆变电路的电路结构图如图2-14所示。基本工作方式是180°导电方式。同一相上下两个桥臂不能同时工作，交替导电，U、V、W三相开始工作的角度相差120o，任一瞬间都有三个桥臂同时工作。每次换流方式为纵向换流。例如：对于U相输出来说，当桥臂1导通时，uUN’=Ud/2，当桥臂4导通时，uUN’=-Ud/2，uUN’的波形是幅值为Ud/2的矩形波，V、W两相的导通情况和U相相同。图2-14三相桥式逆变电路结构图2.2.2逆变电路—电流型电流型逆变电路的主要特点是直流侧的电源为电流源。与电压型逆变电路相同，电流型逆变电路也分为单相和三相。电流型逆变电路的交流输出电流为矩形波。电路中的元器件仅作为开关使用。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多，换流方式有负载换流、强迫换流。由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。采用负载换相方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。对角线导通规律。实际工作过程中，负载参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。固定工作频率的控制方式称为他励方式。自励方式存在起动问题，解决方法：先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。电路图如图2-15所示。大庆师范学院本科毕业论文（设计）图2-15单相电流型逆变电路图120o导电工作方式VT1——VT6每隔60o依次导通。交流电流波形为矩形波。换流方向为横向换流。电路图如图2-16