基于PWM技术的三相桥式逆变电路性能研究-毕业设计.doc

大庆师范学院
本科生毕业设计

基于PWM技术的三相桥式逆变电路性能研究

院 （系） 机电学院
专 业 自动化
学 生 姓 名 XX
学 号 201207140427
指导教师姓名 XX
指导教师职称 XXX

2015年 5月 25日

大庆师范学院本科毕业论文（设计）
摘 要

本文讲述了逆变电路的工作原理，以及逆变电路的分类。在三相桥式逆变电路中，PWM技术的应用，可以使得输出的波形更加的优质。PWM技术意思是脉冲宽度调制技术,可以对其脉冲宽度和整体面积进行对比，其实是相等幅度而宽度不相等的脉冲，形成的波形。控制电路中正弦波和三角波的参数，可以对输出的波形进行控制，从而实现在PWM技术的控制下三相桥式逆变电路的性能研究。
关键词：PWM控制；逆变；三相桥式

目 录
第一章 前言 1
1.1 研究背景 1
1.2 前景及应用 1
第二章 PWM波形的工作原理 2
2.1 PWM控制的基本原理 2
2.2调制方式 2
2.3采样法 3
2.4 脉宽调制逆变电路 3
2.4.1基于PWM的单相桥式逆变电路 3
2.4.2基于PWM的三相桥式逆变电路 4
第三章 三相桥式逆变电路的主要应用技术 5
3.1逆变电路原理 5
3.2逆变电路—电压型 5
3.3逆变电路—电流型 6
第四章 基于PWM的三相桥式逆变电路的仿真研究 8
4.1 仿真模块参数设定 8
4.2 仿真电路 13
4.3 仿真波形 13
第五章 结论 22
参考文献 23
谢 辞 24

23

第一章 前言
1.1 研究背景
PWM逆变技术，它可以把直流输入经过脉冲的变化，从得到需要的交流电输出。它需要参考波（如正弦波、梯形波等）和调制波（如三角波）的比较，从而在用开关量代替模拟量，来对逆变电路进行控制，实现把直流变成交流[1]。PWM逆变技术也被叫做脉宽调制逆变技术，它可以构成多种多样的交流电源，应用于生活中的各个角落。
1.2 前景及应用
在人类社会的的与时俱进和生产生活中，逆变电路的应用变的更加的广泛和实用。比如说我们普通家庭使用的空调和家庭影院以及洗衣机和冰箱。它也应用于轮船制造、宇宙探索等领域。逆变电路对于现今社会来讲，已经得到充分的利用。在普通家庭中它应用于各种电源，照相机等；而在国家的设施中，特别是火力发电设备、风力发电、太阳能电池等设备都有广泛的应用[2]。随着电力电子技术的发展，以及计算机技术和各种新技术的研发，这个技术应用得到了有效的利用和发展，其器件变的更加小巧和实用，效率和性能上有了更宽广的提高[3]。

第二章 PWM波形的工作原理
2.1 PWM控制的基本原理
PWM变换器其实就是用来控制逆变器开关器件的通断次以及时间分配得到相应规律，等幅和宽度可调的矩形方波都来自变换器输出端[4]。
我们可以根据抽样理论的观点控制，当脉冲等不同应用系统的惯性的窄脉冲的形状，这是几乎相同的输出响应，和较窄的脉冲，然后之间差异较小的输出。这充分证明惯性系统的输出响应是受到系统冲量的影响。当它是一个窄脉冲信号时，作用于相同的惯性系统，分别和输出响应的波形几乎是相同的[5]。
2.2调制方式
调制方式可以有同步调制类型，它的成因是因为，输入的载波信号的载波比，与另一个调制信号的同步进行，其中载波比为常数。我们想要做到异步调制，那就必须在载波信号输入时，令调制信号与其不同，以此来得出。然而我们在三相电路中，为了使三相输出对称。我们可以选取一个三角波，用它作为信号的载体，此时的N是3的整数倍。在异步调制中，我们可以看到许多的参数，比如半个周期内，来调节可控制输出的波形，因此在这个电路中，我们会得到许多数据和参数都会是不固定的， 其中PWM的脉冲个数，还有它的相位都包括在其中。它也有不对称的地方，比正负半周期的脉冲信号和前后四分之一周期的脉冲信号[6]。在同步调制中，N应该为整数，方便调制。想要调制三相PWM波形，应使N=9。三相PWM同步调制波形如图2-1。

图2-1 三相PWM同步调制波形

2.3采样法
利用正弦波和三角波的自然交叉点时刻，通过控制功率开关的通和断，来产生SPWM波形。这其实就是自然采样法。
在实际应用中，我们大多还是用三角波来做载波进行规则采样[7]。其得到的数据来讲，都可以使其得到的最后波形几乎是相差不多的。
2.4 脉宽调制逆变电路
2.4.1基于PWM的单相桥式逆变电路
单极性逆变电路可分为双极和单极性控制。电路原理图如图2-2所示。

图2-2 基于PWM的单相桥式逆变电路原理图
单极性PWM控制方式：输入正弦的调制信号，载波形成的三角波与调制信号的正负半周期有关，正半周期是正极性，负半周期是负极性。在信号波的正半周，需要保持V1处于导通的状态以及V2处于断开的状态。当ur>uc时使V4导通，V3关断，uo=Ud。当ur<uc时使V4关断，V3导通，uo=0。而在信号波的负半周期运行的时候，我们则需要保持V1处于断开的状态以及V2处于导通的状态。当ur<uc时使V3导通，V4关断，uo=-Ud。当ur>uc时使V3关断，V4导通，uo=0。波形如图2-3所示。

图2- 3单极性PWM控制方式电压波形
双极性PWM控制方式：当ur>uc时，V1和V4导通，V2和V3关断，这时如io>0，则V1和V4通，如io<0，则VD1和VD4通，不管哪种情况都是uo=Ud。当ur<uc时，V2和V3导通，V1和V4关断，这时如io<0，则V2和V3通，如io>0，则VD2和VD3通，不管哪种情况都是uo=-Ud。波形图如图2-4所示。

图2-4双极性PWM控制方式电压波形
2.4.2基于PWM的三相桥式逆变电路
电路图如图2-5所示。我们可以采用双极性的PWM控制，来控制三相桥式逆变电路。其三个相的PWM控制我们一般会用同一个三角波为载波，即为uc，它的的调制信号urU、urV和urW依次相差一百二十度[8]。其工作原理与单相桥式逆变电路基本箱相同，这里不再阐述说明其工作的运行原理。它的波形图如图2-6所示。

图2-5基于PWM的三相桥式逆变电路图

图2-6 三相桥式PWM逆变电路波形图
第三章 三相桥式逆变电路的主要应用技术
3.1逆变电路原理
逆变电路它可以把直流输入经过脉冲的变化，经过相同的冲量面积，等效结果后从得到需要的交流电输出。在我们生活中，它的应用也普遍体现在工业生产和生活的各个角落。比如家用的充电器，就体现了整流电路在生活中小小地方的应用，而在街道上可以随处可见的是大型的变压器，为人们生活用电提供了方便的条件。在桥式逆变电路中，社会的进步使得我们越来越多的完善和改进，使得这逆变可以切换开关的频率来体现[9]。总之在逆变电路中，直流变交流的过程的具体实现，依靠电路中晶闸管的通断状态来实现。随着二极管和晶闸管以及IGBT等元器件的不断产生，更加提高了整流电路的应用在我们生活中越来越充当了不可替代的地位[10]。

3.2 逆变电路—电压型
图3-1为半桥电路，其负载是阻感（当负载中感抗wL和电阻R比较来说不能忽略时）。三极管导通时过的时间，负载上的电流和电压有同样的方向，能量是从只留测到负载；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。

图3-1 单相半桥型逆变电路的工作原理图
图3-2为全桥电路。图中两对桥臂为一组，每组导通180o，每组之间交替导通。

图3-2 单相全桥型逆变电路结构图
图3-3为三相桥式逆变电路的电路原理结构图。其负载是阻感（当负载中感抗wL和电阻R比较来说不能忽略时）。它的工作方式是一百八十度导电方式。在V、W三个相中各相每次通过程中，其两个桥臂不能够一起交替导电工作，U、V、W的工作相互之间都有着一百二十度的差别。其中每次都是纵向换流。因此uUN’就会是Ud/2的矩形波（Ud为电源电压），V、W两相和U一样，只是相位相差一百二十度。

图3-3 三相桥式逆变电路结构图
3.3 逆变电路—电流型
我们在实际工作的过程中，负载参数会随时间的变化而变化，当然我们的工作频率必须去适应负载的变化，并且自动调整，这就是自励方式。他励方式我们可以在电路工作前，来设定需要的固定频率，使得系统进入工作状态。我们需要先用他励方式，等到系统开始工作后再转入自励方式（克服自励方式的缺陷）。其连接如图3-4所示。

图3-4单相电流型逆变电路图
在120o导电工作方式下进行横向换流。电路图如图3-5所示。

图3-5 三相电流型逆变电路

第四章 基于PWM的三相桥式逆变电路的仿真研究
4.1 仿真模块参数设定
控制电路：

图4-1控制电路图
由三个Sine wave正弦波发生装置产生正弦波，以及一个三角波发生器Repeating Sequence Interpolated产生三角波，通过Relational operator 和Logical operator组成控制电路来进行脉宽调制。
其中正弦波发生装置Sine wave的参数设置如下图。

图4-2正弦波参数模块图
三角波发生装置Repeating Sequence Interpolated的参数设置如下图。

图4-3三角波模块参数
比较器Relational Operator 的参数设定如图4-4。

图4-4比较器模块参数图
反相器模块的参数设定如图4-5。

图4-5反相器模块参数图

控制电路产生的控制信号输出，一个结果输入到示波器模块Scope1；一个结果给后面的电路由IGBT和二极管组成的逆变电路。
逆变电路：

图4-6逆变电路仿真图

其中IGBT模块的参数设置如图4-7。

图4-7 IGBT模块参数图

二极管模块的参数设置如图4-8，

图4-8二极管模块参数图
再经过滤波电路进行滤波，以及负载，通过示波器模块Scope得出波形。滤波电路和负载输出电路图如图4-9所示。

图4-9滤波电路和负载输出电路图
其中各各模块的参数设定如下。
阻感负载如图4-10所示。

图4-10阻感负载的模块参数图
滤波电路中的电感模块参数如图4-11，电容模块参数如图4-12。

图4-11滤波电路中的电感模块参数图

图4-12滤波电路中的电容模块参数图
4.2 总仿真电路

图2-13系统中的仿真电路图
4.3 仿真波形

当正弦波参数不变，更改三角波的模块的参数时。各个模块的参数介绍如下。

图4-14三角波模块的参数图

图4-15正弦波模块的参数图

Scope

图4-16示波器 Scope的波形图
Scope

图4-17示波器模块Scope的波形图

更改三角波模块参数后的参数如图4-18所示。

图4-18三角波模块的参数图
Scope

图4-19示波器模块Scope的波形图
Scope1

图4-20示波器模块Scope1的波形图
再次更改三角波模块参数如图4-21所示。

图4-21三角波模块参数图

Scope

图4-22示波器模块Scope的波形图
Scope

图4-23示波器模块Scope1的波形图

当三角波模块的参数不变，更改正弦波模块的参数时。各个模块的参数介绍如下。

图4-24三角波模块参数图

图4-25正弦波模块参数图

Scope

图4-26示波器模块Scope的波形图
Scope1

图4-27示波器模块Scope1的波形图

更改三角波模块参数后如图4-28所示。

图4-28正弦波模块参数图

Scope

图4-29示波器模块Scope的波形图

Scope1

图4-30示波器模块Scope1的波形图

第五章 结论
本文通过对逆变器的概念、设计技术分类等方面的介绍，简要描述了三相无源型逆变器的构建方式及其内部结构。同时也简要介绍了正弦波脉宽调试的技术。通过应用Matlab软件，构建一个无源型三相逆变电路供电的系统，并进行仿真，再对仿真波形进行分析，定性讨论了逆变器的两个主要参数：参考波频率（正弦波）和调制波（三角波）不同负载对系统仿真结果的影响，获得以下结论：
（一） 在电压输出频率和正弦波频率一定的情况下，三角波频率的大小决定了每个周期内的仿真脉冲个数,也决定了正弦波形的仿真质量。
（二） 在电压输出频率和正弦波频率一定的情况下，三角波频率的大小决定了三相交流电的脉冲宽度和波形清晰度。
（三） 在电压输出频率和三角波频率一定的情况下，正弦波频率的大小决定了三相交流电的脉冲宽度和波形清晰度。

[参考文献]
[1] 丁道宏．电力电子技术[M]．北京：航空工业出版社，1992．
[2] 王兆安，刘进军．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2009.05．
[3] 张立．电力电子技术[M]．科学出版社，1995．
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[9] 张立．赵永健.现代电力电子技术[M]．北京：科学出版社，1992．
[10] 赵良炳．现代电力电子技术基础[M]．清华大学出版社，1995．