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文檔簡介
1、<p> 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p> 數(shù)字式SPWM控制技術(shù)研究</p><p> 學(xué)院(系): 自動(dòng)化學(xué)院 </p><p> 專業(yè)班級(jí): 電氣0906班 </p><p> 學(xué)生姓名: 周勇 </p><p> 指導(dǎo)教
2、師: 黃亮 副教授 </p><p> 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 </p><p> 本人鄭重聲明:所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外,本論文不包括任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。</p><p> 作者簽名: &l
3、t;/p><p><b> 年 月 日</b></p><p> 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書</p><p> 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索,
4、可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。</p><p> 本學(xué)位論文屬于1、保密囗,在 年解密后適用本授權(quán)書</p><p><b> 2、不保密囗 。</b></p><p> (請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”)</p><p> 作者簽名: 年 月 日</p&g
5、t;<p> 導(dǎo)師簽名: 年 月 日</p><p> 武漢理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書</p><p> 學(xué)院: 自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè)班級(jí): 電氣0906班 </p><p> 姓名: 周勇 學(xué)
6、號(hào): 0120911350615 </p><p> 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目: 數(shù)字式SPWM控制技術(shù)研究 </p><p> 任務(wù)書含以下方面的內(nèi)容:</p><p> 設(shè)計(jì)(論文)主要內(nèi)容:<
7、;/p><p> 設(shè)計(jì)一種50Hz高頻逆變器,輸入為直流,輸出為220V、50Hz交流AC。設(shè)計(jì)全橋逆變電路,研究逆變控制技術(shù),設(shè)計(jì)SPWM控制器,建立系統(tǒng)模型并仿真。重點(diǎn)研究單極性SPWM調(diào)制技術(shù)及雙極性BSPWM調(diào)制技術(shù),利用MATLAB仿真研究兩種調(diào)制技術(shù)對逆變器的影響及優(yōu)缺點(diǎn)比較,重點(diǎn)分析比較輸出諧波與轉(zhuǎn)換效率。</p><p> 要求完成的主要任務(wù):</p><
8、;p> 1.完成不少于2萬印刷符,且與選題有關(guān)的英文文獻(xiàn)翻譯工作;</p><p> 2.查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料(論文參考文獻(xiàn)不低于中文13篇,英文2篇);</p><p> 3.撰寫開題報(bào)告;</p><p> 4.掌握單極性SPWM調(diào)制技術(shù)及雙極性BSPWM調(diào)制技術(shù);</p><p> 5.根據(jù)系統(tǒng)要求,完成逆變器主電
9、路與控制電路的硬件設(shè)計(jì),主要器件的選型</p><p> 6.完成的控制器的控制策略設(shè)計(jì)</p><p> 7.MATLAB建模并完成系統(tǒng)仿真</p><p><b> 8.繪制圖紙3張</b></p><p><b> ?。ㄈ?進(jìn)度安排</b></p><p>
10、; 第1周-第2周 收集高頻鏈逆變有關(guān)資料,分析SPWM調(diào)制原理</p><p> 第3周-第4周 設(shè)計(jì)并比較逆變方案,完成開題報(bào)告</p><p> 第5周-第10周 逆變電路設(shè)計(jì),相關(guān)參數(shù)計(jì)算</p><p> 第11周-第15周 MATLAB軟件仿真實(shí)現(xiàn),比較兩種波形FFT并得出結(jié)論</p><p>
11、 第16周-第17周 撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告,完成答辯</p><p> ?。ㄋ模┍刈x參考資料及主要參考文獻(xiàn)</p><p> [1]林飛,杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真.北京:中國電力出版社,2008</p><p> [2]林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路.杭州:浙江大學(xué)出版社,2002</p><p> [3]陳堅(jiān).電力電子學(xué)-電
12、力電子變換與控制技術(shù).北京:高等教育出版社,2002</p><p><b> ?。ㄎ澹?其他要求</b></p><p><b> 無</b></p><p> 指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日</p><p>
13、 系主任簽名: 年 月 日</p><p> 院長簽名(章): 年 月 日</p><p> 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告</p><p> 學(xué)生姓名: 周勇
14、 </p><p> 導(dǎo)師姓名、職稱: 黃亮、副教授 </p><p> 所屬學(xué)院: 自動(dòng)化學(xué)院 </p><p> 專業(yè)班級(jí): 電氣0906班 </p><p> 設(shè)計(jì)(論文)題目:數(shù)字式SPWM控制技術(shù)研究&
15、lt;/p><p> 2013年 3 月 25日</p><p><b> 開題報(bào)告填寫要求</b></p><p> 1.開題報(bào)告應(yīng)根據(jù)教師下發(fā)的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書,在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立撰寫,在畢業(yè)設(shè)計(jì)開始后兩周內(nèi)完成。</p><p> 2.開題報(bào)告內(nèi)容必須按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格
16、式(可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載)填寫并打?。ń勾蛴≡谄渌埳虾蠹糍N),完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師審閱。</p><p> 3.“設(shè)計(jì)的目的及意義”至少800字,“基本內(nèi)容和技術(shù)方案”至少400字。進(jìn)度安排應(yīng)盡可能詳細(xì)。</p><p> 4.指導(dǎo)教師意見:學(xué)生的調(diào)研是否充分?基本內(nèi)容和技術(shù)方案是否已明確?是否已經(jīng)具備開始設(shè)計(jì)(論文)的條件?能否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)?是否同意進(jìn)入設(shè)計(jì)(論文)階段?&
17、lt;/p><p><b> 摘 要</b></p><p> 本文借助仿真軟件MATLAB/Simulink針對一50Hz高頻鏈逆變器為建模對象,分別對單極性調(diào)制方法和雙極性調(diào)制方法兩種情況從輸出電壓效率和諧波兩個(gè)方面進(jìn)行了比較,所得的結(jié)果對于SPWM調(diào)制方法有比較重要的意義。</p><p> 論文主要比較了在單極性SPWM和雙極性SP
18、WM調(diào)制方式下的逆變器輸出電壓諧波失真度和輸出電壓的效率。研究結(jié)果表明:單極性調(diào)制方式輸出電壓較雙極性調(diào)制方式諧波少,輸出效率更高。本文的特色在:利用逆變器作為研究對象比較兩種調(diào)制方式不同功率損耗,從而選擇較為合適的調(diào)制方式。電路仿真是在MATLAB中的SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行的,在搭建的逆變電路中分別分析在單極性SPWM調(diào)制和雙極型SPWM調(diào)制得到的波形,主要從效率和波形的畸變率兩項(xiàng)指標(biāo)來完成兩種調(diào)制方式優(yōu)缺點(diǎn)的比較,從而得到理想要
19、求逆變調(diào)制方式。</p><p> 關(guān)鍵詞:逆變器;SPWM;單極性;雙極性</p><p><b> Abstract</b></p><p> This thesis mainly describe the study of 50 Hz high frequency inverter with the help of software
20、-MATLAB/Simulink, which mainly study unipolar and bipolar modulation methods in the power efficiency and output voltage harmonic, which play an important role in the SPWM modulation.</p><p> This paper main
21、ly compares unipolar and bipolar modulation methods of the high frequency inverter in the power efficiency and output voltage harmonic. This study emphasis that: the unipolar modulation has a better performance than the
22、bipolar modulation in two aspects. This paper’ shining spots lie in that choose the best modulation method by the study of the power efficiency and output voltage harmonic in different modulation. The circuit simulation
23、is under the environment of SIMULINK in MATLA</p><p> Key words: Inverter;SPWM;Unipolar;Bipolar </p><p><b> 第1章 緒論</b></p><p> 1.1 課題研究意義</p><p> 21世紀(jì)是
24、能源開發(fā)、資源利用與環(huán)境保護(hù)互相協(xié)調(diào)發(fā)展的世紀(jì),能源的優(yōu)化利用與清潔能源的開發(fā),是能源資源與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。在這種形式下,電力電子技術(shù)在新能源的開發(fā)和利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。而在電力電子領(lǐng)域中,逆變技術(shù)有著其重要地位,它是現(xiàn)代電力傳動(dòng)系統(tǒng)的主要支撐,是不間斷電源,應(yīng)急電源的核心技術(shù),更是太陽能,風(fēng)能潮汐能和化學(xué)能等為代表的新能源轉(zhuǎn)化為電能并形成并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵。此外,逆變技術(shù)還在在以直流發(fā)電機(jī)和燃料電池為直流電源的領(lǐng)域、
25、以變頻或恒頻為主交流電源以及交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的核心部件——逆變器的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。</p><p> 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)前提出的電流源高頻鏈逆變電路拓?fù)湓诿恳粋€(gè)工作模式下等效于反激變換器,此種電流模式逆變器具有拓?fù)渚o湊、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、控制簡單、無輸出濾波電感等優(yōu)點(diǎn)。由于電流模式高頻鏈逆變器工作在不連續(xù)狀態(tài),這就導(dǎo)致了很高的開關(guān)電流、電壓應(yīng)力和相當(dāng)高的導(dǎo)通損耗;在輸出電壓的正,負(fù)半周,變壓器都在連續(xù)的SP
26、WM脈沖下工作,高頻變壓器在把能量釋放給負(fù)載前存儲(chǔ)了所有的能量,因存在器件和磁性材料的容量限制等原因,使之難以用于大輸?shù)那闆r,這將引起輸入直流側(cè)電壓的波動(dòng),對直流母線上工作的其他部件造成不良影響。盡管雙向逆變器的技術(shù)水平高于單向逆變器,但對某一類應(yīng)用來說依據(jù)功能、性能、可靠性和成本等綜合考慮,最合適的方案才是最佳方案。對于應(yīng)用于運(yùn)輸工具、UPS和分布式發(fā)電系統(tǒng)大量選用的小功率裝置來說,單向電壓型高頻鏈逆變器有其自身獨(dú)特的優(yōu)勢:技術(shù)成熟,
27、成本低,可靠性高。尤其對小功率的高頻鏈逆變器來說,產(chǎn)品的成本和可靠性是非常重要的。PWM變換器的功率因數(shù)高,并且可同時(shí)變頻、變壓及抑制諧波的作用。因此以PWM控制為代表的數(shù)字化控制技術(shù)迅速發(fā)展,并在在電力電子技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,使得電力電子技術(shù)產(chǎn)生了脫胎換骨的變化</p><p> 本文主要針對小功率單向電壓型高頻鏈逆變器展開理論、技術(shù)和工程方面的研究。這一類逆變器的共同點(diǎn)是低壓直流輸入并且電路拓?fù)渲屑尤敫哳l鏈進(jìn)
28、行隔離,其輸出可為一般電氣設(shè)備提供工頻或可變頻率的交流電源。這一類電源在航空、民用和新能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)逆變器電路結(jié)構(gòu)由主功率變換電路由全橋逆變器、工頻隔離變壓器和低頻濾波器三部分組成。此種逆變器通常用于UPS、車載電源、光伏電源等小功率電源。此結(jié)構(gòu)中控制電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作,將直流電轉(zhuǎn)換為基頻為50Hz的正弦脈寬調(diào)制波,再經(jīng)過隔離變壓器、低頻濾波器得到50Hz的正弦交流。這種傳統(tǒng)的逆變電路結(jié)
29、構(gòu)性能可靠、技術(shù)成熟,已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,但是仍然存在一定的不足:升壓變壓器工作在低頻狀態(tài)并且原副邊電壓差較大,因此,由于傳遞的電壓波形是SPWM波,其中含有的諧波成分會(huì)引起變壓器的附加發(fā)熱,為滿足散熱要求,不得不加大變壓器的體積和重量,同時(shí)為了減小諧波引起的鐵耗,需要采用更薄的冷軋硅鋼片,帶來成本的增加。同時(shí)逆變器體積大,損耗大。由于在全橋逆變器輸出端接入了工頻隔離升壓變壓器,無形中增加了整個(gè)系統(tǒng)的體積。另外,對于輸入電</p
30、><p> 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p> 為了解決以上問題,人們不斷提出了各種各樣的方法,特別是將逆變器的開關(guān)頻率提高至20KHz以上,可以解決上面提到的濾波器體積、噪音和動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題,但是由于工頻變壓器的體積和逆變器的開關(guān)頻率無關(guān),只是和變壓器的基波頻率有關(guān),因此單純的從提高逆變器的開關(guān)頻率這方面并不能減小變壓器的體積,為了實(shí)現(xiàn)逆變電源的小型化、輕便化和高效化的目的,必須研究
31、新的逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或控制策略。高頻鏈逆變技術(shù)就是在這種背景之下應(yīng)運(yùn)而生。Mr. Espelage于1977年提出了高頻鏈逆變技術(shù)。采用高頻鏈逆變技術(shù)的目的就是高頻變壓器取代基頻變壓器傳輸能量,并實(shí)現(xiàn)變流裝置的一、二次側(cè)的電氣隔離,這樣不僅僅減小了逆變器的體積、重量,而且也大大提高了逆變器的性能。雖然該文獻(xiàn)提出的可變高頻鏈逆變技術(shù)的概念具有許多的優(yōu)點(diǎn),然而由于當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體器件的限制,其工作頻率局限在2k~4kHz的范圍,還不能完全體現(xiàn)出高頻
32、鏈逆變技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過高頻DC/DC環(huán)節(jié)獲得合適的直流電壓,然后通過逆變器獲得所需的交流輸出,這種拓?fù)湓贒C/DC環(huán)節(jié)中使用了高頻變壓器,避免了使用工頻變壓器。</p><p> 進(jìn)入上世紀(jì)90年代,高頻鏈逆變技術(shù)開始受到國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注,發(fā)表了大量的相關(guān)文獻(xiàn)。有人首次提出了一種適用于中小功率場合、新穎的全橋電流源高頻鏈逆變器,其特點(diǎn)是電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,無需輸出濾波電感,控制方案容易實(shí)現(xiàn)等。進(jìn)入本世紀(jì),
33、又相繼出現(xiàn)了一些新的高頻鏈逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方案,主要提出了推挽式、半橋式和反激式電流源高頻鏈逆變器的電路拓?fù)浜涂刂品桨?,電路結(jié)構(gòu)都是基于反激式Fly-back變換器。它是由高頻逆變器和周波變換器組成,其中高頻變壓器不但提供電氣隔離和電壓調(diào)整還兼具儲(chǔ)能作用,因此可以省去輸出濾波電感[1]。與傳統(tǒng)的逆變拓?fù)湎啾?,高頻鏈逆變技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)有:系統(tǒng)的效率高可接近DC/DC變換器的效率、可靠性較高、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、輸出電壓的波形失真度小
34、以及系統(tǒng)易于串并聯(lián)。在本設(shè)計(jì)中涉及的高頻鏈技術(shù)主要是工程運(yùn)用中電池電源電壓等級(jí)不是很高一般都是24V、48V。所以就需要一個(gè)高頻變壓電路實(shí)現(xiàn)升壓功能,將低壓直流先高頻逆變得到高頻電壓,經(jīng)過變壓得到所需電壓等級(jí),在經(jīng)過整流穩(wěn)壓后就可以實(shí)現(xiàn)DC/DC的變換,即運(yùn)用高頻鏈技術(shù)[1]。</p><p> 所謂高頻鏈逆變技術(shù)就是采用高頻脈沖變壓器替代低頻變壓器傳輸能量,并實(shí)現(xiàn)變流裝置的一、二次側(cè)電源之間的電氣隔離。從不同
35、角度看高頻鏈逆變器,可以有不同的劃分形式。按電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又可分為AC/AC變換型、DC/DC變換型(DC/HFAC/DC/LFAC)和周波變流型。本文主要介紹DC/DC電路。</p><p> DC/DC這種類型高頻鏈逆變器是目前應(yīng)用最廣泛的單向功率流動(dòng)電壓源高頻鏈逆變器方案,它的經(jīng)典電路如圖1.1所示。該拓?fù)涫窃谥绷鱾?cè)和逆變器之間插入一級(jí)DC/DC變換器,使用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整和電氣隔離。很明顯,它具有三
36、級(jí)功率變換過程:DC/HFAC/DC/LFAC。</p><p> 圖1.1 DC/DC逆變電路拓?fù)鋱D</p><p> 這種DC/DC變換型式的主要優(yōu)點(diǎn)有電路中所有開關(guān)都是單向的,DC/DC部分和DC/AC部分的控制相對獨(dú)立,兩部分配合起來比較簡單,基本上不需要同步。但同時(shí)存在一些不足如功率流向單向流動(dòng)、電路中通態(tài)損耗大、并且由于功率級(jí)較多,導(dǎo)致可靠性降低。</p>&
37、lt;p> 高頻鏈轉(zhuǎn)換器是一種靈活多變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其共同特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)形式緊湊,功率密度和效率高,響應(yīng)速度快。另外,系統(tǒng)可以工作在20kHz以上,無音頻噪音,濾波相對容易,并且功率可達(dá)級(jí)以上。因此,無論在恒壓恒頻(CVCF)領(lǐng)域,還是在調(diào)頻調(diào)壓(VVVF)領(lǐng)域都有很大實(shí)用價(jià)值,它是未來繼續(xù)研究發(fā)展的一個(gè)重要課題。</p><p> 1.3 主要研究內(nèi)容</p><p> 本論文
38、主要描述的是數(shù)字式SPWM波形的研究,課題重點(diǎn)研究單極性SPWM調(diào)制技術(shù)及雙極性BSPWM調(diào)制技術(shù),并以50Hz高頻鏈逆變器為研究對象,通過MATLAB仿真研究兩種調(diào)制技術(shù)對此種逆變器的影響及優(yōu)缺點(diǎn)比較。在場控型自關(guān)斷器件的不斷涌現(xiàn)的同時(shí),相應(yīng)的高頻SPWM技術(shù)在電機(jī)調(diào)速中得到了廣泛應(yīng)用。這種SPWM的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化,因此能有效抑制低次諧波,使輸出的正弦波的諧波含量容易控制在規(guī)定的范圍內(nèi),而無需采用其他降低諧波含量的方法。本設(shè)計(jì)
39、采用的是橋式高頻鏈逆變器,電路設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分:DC/DC變換電路,穩(wěn)壓電路和SPWM逆變電路。DC/DC電路主要完成從直流電源變壓到工作電壓以及電氣隔離,穩(wěn)壓電路主要采用電容電路來消除變壓電路中的紋波,SPWM電路是橋式逆變電路在SPWM調(diào)制波的觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)的工頻交流電的輸出,其主電路具體包括直流電壓—PWM高頻逆變—高頻變壓器—快恢復(fù)二極管整流—大電容濾波—SPWM逆變器—單相50Hz正弦波輸出。仿真利用的是MATLAB中的SI
40、MULINK仿真,在搭建的逆變電路中分析在單極性SPWM和雙極型SPWM調(diào)制得到的波形,分別進(jìn)行FFT諧波分析,比</p><p> 第一章是緒論部分,主要對本課題研究的背景和意義進(jìn)行一些闡述,在大量查閱國內(nèi)外學(xué)者對數(shù)字式SPWM調(diào)制技術(shù)的研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,分析了本文主要能夠完成的研究與研究目標(biāo)。</p><p> 第二章主要是針對一個(gè)高頻鏈逆變器作為研究對象,對電路的整體方案進(jìn)行了設(shè)
41、計(jì),并且對SPWM調(diào)制技術(shù)原理和規(guī)則采樣法進(jìn)行了分析。</p><p> 第三章是逆變電路主要參數(shù)計(jì)算,包括輸入電源參數(shù)、開關(guān)管參數(shù)計(jì)算及選型以及濾波參數(shù)計(jì)算。</p><p> 第四章是主要是電路建模和控制仿真,本設(shè)計(jì)主要是MATALB軟件simulink模塊搭建模型,本章主要介紹了軟件的使用方法和反饋電路中PI計(jì)算。</p><p> 第五章是比較兩種調(diào)制
42、方式的輸出結(jié)果,主要是對電路中波形失真度和效率對比分析兩個(gè)方面分析。</p><p> 后面是本文結(jié)束語和致謝。</p><p> 第2章 逆變電路方案設(shè)計(jì)</p><p> 本章主要是對文獻(xiàn)[6]中提出的逆變電路中存在的兩種調(diào)制方案進(jìn)行原理性分析。</p><p> 2.1 逆變電路整體方案</p><p>
43、 本方案論證主要包括三個(gè)部分DC/DC電路、逆變電路和SPWM波形電路三個(gè)部分。進(jìn)一步分析任務(wù)書題目要求,在工程應(yīng)用中需要考慮在負(fù)載端或輸入端加入有擾動(dòng)的情況,所以需要在電路中加入一個(gè)負(fù)反饋,來保持輸出電壓有效值的穩(wěn)定,減少紋波的輸出。本設(shè)計(jì)方案的原理框圖如圖2.1所示。</p><p> 圖2.1 方案總體原理框圖</p><p> 電池電源輸入為低電壓,經(jīng)過PWM高頻逆變得到高頻
44、的交流電壓,再經(jīng)過高頻變壓</p><p> 圖2.2 DC/DC電路部分電路圖</p><p> 器得到輸出電壓所需要的電壓等級(jí),再經(jīng)過電容穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)電路的穩(wěn)壓以保持DC/DC電路穩(wěn)壓輸出,在經(jīng)過由SPWM波驅(qū)動(dòng)逆變電路后,可以得到50Hz的正弦電壓輸出,其中SPWM電路中正弦調(diào)制信號(hào)的頻率為50Hz,三角載波信號(hào)頻率為20kHz,那么就需要開關(guān)管承受20kHz的開關(guān)頻率。其中,D
45、C/DC部分電路如上圖2.2所示。</p><p> 低壓直流逆變采用的是全橋逆變電路,驅(qū)動(dòng)信號(hào)是高頻的PWM波形,從而可以實(shí)現(xiàn)輸出波形的高頻,由于高頻技術(shù)可以讓設(shè)備體積更小,其中的優(yōu)點(diǎn)在第一章中原理分析已經(jīng)介紹清楚,后面是變壓器,變壓器可以將電壓變壓到相關(guān)的輸出電壓中[9]。在后面就是采用的不控整流電路,將交流整流成所需的電壓314V左右的直流電壓。</p><p> 圖2.3 逆變
46、電路部分電路圖</p><p> 上圖2.3是逆變電路部分電路圖,該逆變電路中是SPWM逆變電路,在經(jīng)過DC/DC直流變換后得到所需要的電壓,在通過單相橋式逆變實(shí)現(xiàn)電壓的逆變,開關(guān)管采用的是IGBT,同時(shí)開關(guān)管反并聯(lián)的是一個(gè)二極管是在IGBT斷開時(shí)用來續(xù)流的。利用SPWM模塊產(chǎn)生的是SPWM波形來驅(qū)動(dòng)電路中開關(guān)管的通斷。</p><p> 從而實(shí)現(xiàn)逆變。由于雙極性SPWM逆變器的直接輸
47、出電壓含有大量的高頻諧波, 一般采用LC濾波器(上圖2.3所示)濾除輸出電壓中的高頻諧波成分,降低輸出電壓的總諧波畸變。濾波電感是LC濾波器的重要器件, 而電感電流有效值和電流峰值是濾波電感設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要參數(shù)。由于電路中需要實(shí)現(xiàn)負(fù)載的擾動(dòng),那么還需要在系統(tǒng)運(yùn)行在某個(gè)時(shí)刻時(shí)加入擾動(dòng)。具體電路會(huì)在仿真電路中給出。同時(shí),在負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)時(shí),輸出電壓波形會(huì)發(fā)生擾動(dòng),這就需要在系統(tǒng)中加一個(gè)負(fù)反饋,讓輸出電壓保持穩(wěn)定。下圖2.4就是負(fù)反饋電路系統(tǒng)流程
48、圖。在逆變電路末輸出的是交流電壓,首先使用的是RMS模塊,是用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算交流波形電壓的有效值,我們知道,參與反饋的需要的是有效值,不然就與給定電壓進(jìn)</p><p> 圖2.4 電路中反饋電路圖</p><p> 行比較時(shí)會(huì)發(fā)生偏差,所以此處采用的是RMS模塊來測定交流電壓的有效值。通過與給定220V電壓值比較再經(jīng)過PI調(diào)節(jié),其中PI帶有限幅值,幅值是沒有加反饋時(shí)的調(diào)制比,得到的可以直
49、接作為帶有反饋的調(diào)制比系數(shù)。另外在電路中除了在負(fù)載端加入負(fù)載,在輸入端電路的直流電壓可能存在擾動(dòng),由于DC/DC可能存在擾動(dòng),直接得到直流模型可以在之上基礎(chǔ)上加上一個(gè)幅值較小的正弦波,來表示輸入擾動(dòng)。具體PI參數(shù)計(jì)算在下面參數(shù)設(shè)置中介紹。</p><p> 2.2 SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)分析</p><p> 在采樣控制理論中,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&l
50、t;/p><p> 基本相同。這是PWM控制的基本思想,也就是面積等效原理 。</p><p> 圖2.5 PWM波形示意圖</p><p> 如上圖2.5所示的,一個(gè)正半波可以和等幅不等寬的脈沖序列來等效,但必須使該半波7等分的各部分面積與相對應(yīng)的7個(gè)脈沖序列面積相等,其作用效果才能相等??梢钥闯?,各脈沖的幅值相等,而寬度按正弦規(guī)律變化。對于正弦的負(fù)半周,也可以
51、用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而且和正弦波等效的PWM波形,稱為SPWM波形。正弦脈沖寬度調(diào)制的方法很多,其中有同步調(diào)制和異步調(diào)制、單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制等[5]。這里主要介紹同步調(diào)制和單極性調(diào)制。</p><p> 在SPWM逆變電路中,調(diào)制波幅值A(chǔ)r與載波幅值A(chǔ)c之比稱調(diào)制度,即Ma=Ar/Ac。載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比,稱為載波比N,即N=fc/fr。載波比N等于常數(shù)
52、,并在變頻時(shí)使載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。相應(yīng)地,載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不保持同步關(guān)系的調(diào)制方式,稱為異步調(diào)制?;就秸{(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,使三相輸出對稱;為使PWM波正負(fù)半周鏡對稱,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。</p><
53、;p> 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3范圍內(nèi),叫做單極性控制方式。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。</p><p> 單相橋式逆變器有四個(gè)帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT組成,分別為VT1~VT4,直流側(cè)</p><p> 圖
54、2.6 單相橋式逆變電路拓?fù)鋱D</p><p> 由兩個(gè)串聯(lián)電容構(gòu)成,他們共同提供直流電壓Ud,負(fù)載為阻感負(fù)載,具體電路如圖2.6所示,調(diào)制電路分別由單相交流正弦調(diào)制波形和三角載波組成,其中三角載波和正弦調(diào)制波的幅值和頻率之比分別被稱為調(diào)制度和載波頻率,這是SPWM調(diào)制中的兩個(gè)重要參數(shù)[2]。</p><p> 本設(shè)計(jì)主要研究的是單極性SPWM和雙極性SPWM調(diào)制技術(shù),下面主要分析的是
55、兩種調(diào)制技術(shù)的原理以及比較。</p><p> 2.2.1 單極性SPWM逆變電路分析</p><p> 在上圖2.6所示的單相橋式SPWM電壓型逆變電路,IGBT作為開頭器件,負(fù)載為感性負(fù)載,工作時(shí)VT1和VT2通斷狀態(tài)互補(bǔ),VT3和VT4通斷狀態(tài)也互補(bǔ)。在負(fù)載上可以得到Ud、-Ud和0三種電平。</p><p> 在輸入電壓U0的正半周,使VT1保持通態(tài)、
56、VT2保持?jǐn)鄳B(tài),VT3和VT4交替通斷。由于負(fù)載電流i0比電壓滯后,在電壓正半周,電流有一段區(qū)間為負(fù)。在負(fù)載電流為正的時(shí),VT1和VT4導(dǎo)通,U0=Ud;VT4關(guān)斷時(shí),由于感性負(fù)載的電流不能突變,負(fù)載電流通過VD3續(xù)流,則有U0=0。在負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間,VT1和VT4導(dǎo)通時(shí),i0實(shí)際上從VD1和VD4流過,仍有U0=Ud;VT4關(guān)斷,VT3導(dǎo)通后,i0從VT3和VD1續(xù)流,U0=0,這樣負(fù)載電壓U0可以得到Ud和0兩種電平。</
57、p><p> 圖2.7單極性PWM控制方式波形圖</p><p> 同時(shí),在輸出電壓U0的負(fù)半周,使VT2保持通態(tài),VT1保持?jǐn)鄳B(tài),VT3和VT4交替通斷。輸出的調(diào)制波形與輸出電壓正半軸相似,控制VT3或VT4通斷方法如圖2.7所示,其中Uc為三角載波信號(hào),Ur為正弦調(diào)制波信號(hào)。 </p><p> 2.2.2 雙極性SPWM逆變電路分析</p>&
58、lt;p> 和單極性SPWM控制方式相對應(yīng)的是雙極性控制方式。在圖2.6所示的橋式逆變電路中,對于雙極性調(diào)制方式,在Ur的半個(gè)周期內(nèi),載波在正負(fù)兩個(gè)方向變化,所得的SPWM波也有正有負(fù)。在Ur的一個(gè)周期內(nèi),輸出SPWM波只有Ud和-Ud兩種電平。在調(diào)制信號(hào)Ur和載波信號(hào)Uc的交點(diǎn)時(shí)需要控制各開頭器件通斷[5]。</p><p> 圖2.8 雙極性PWM控制方式波形圖</p><p&g
59、t; 在Ur正負(fù)半周,對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同,所以在此處不需要分是正半軸還是負(fù)半軸,當(dāng)Ur>Uc時(shí),給VT1和VT4導(dǎo)通信號(hào),給VT2和VT3關(guān)斷信號(hào),輸出U0=UD,如果I0>0,VT1和VT4導(dǎo)通;如果I0<0,VD1和VD4導(dǎo)通。當(dāng)Ur<Uc時(shí),給VT2和VT3導(dǎo)通信號(hào),給VT1和VT4關(guān)斷信號(hào),輸出電壓U0=-Ud,如果I0<0,VT2和VT3導(dǎo)通,如果I0>0,VD2和VD3導(dǎo)通。雙極
60、性調(diào)制方式如上圖2.8所示。</p><p> 對于兩種方案的選擇,本論文將在第4章繼續(xù)研究電路中單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種方案的優(yōu)劣。</p><p> 2.3 SPWM波形脈寬計(jì)算</p><p> 對于SPWM波形的脈寬得到本設(shè)計(jì)采用的是規(guī)則采樣法,按照SPWM控制的基本原理,在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷,這種生成的SPWM波形的
61、方法稱為自然采樣法。自然采樣法是最為基本的方法,所得到的SPWM波形很接近正弦波。但是這種方法要求復(fù)雜的超越方程,在采用微機(jī)控制技術(shù)時(shí)需花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間,難以在實(shí)時(shí)控制中在線控制,因而在工程中實(shí)際運(yùn)用的不多[10]。</p><p> 規(guī)則采樣法是一種運(yùn)用較廣的工程實(shí)用方法,其效果接近自然采樣法。但計(jì)算量卻比自然采樣法小的多。取三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc。在自然采樣法中,每個(gè)脈沖的中點(diǎn)并不和三角波
62、一周期的中點(diǎn)(即負(fù)峰點(diǎn))重合。而規(guī)則采樣法使兩者重合,也</p><p> 圖2.9 規(guī)則采樣法說明圖</p><p> 就是使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)對稱,這樣就使計(jì)算大為減化。圖2.9為規(guī)則采樣法說明圖,在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對正弦信號(hào)波采樣而得到D點(diǎn),過D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別是分別交于A點(diǎn)和B點(diǎn),在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制功率開關(guān)器件的通斷??梢钥闯觯眠@種
63、規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。[2]</p><p><b> 設(shè)正弦調(diào)制信號(hào)波為</b></p><p><b> (2.1)</b></p><p> 式中,稱為調(diào)制度;為正弦信號(hào)波角頻率。從圖2.9中可以得到如下關(guān)系式</p><p><b>
64、 (2.2)</b></p><p><b> 因此可得到</b></p><p><b> (2.3)</b></p><p> 在三角波的一個(gè)周期內(nèi),脈沖兩邊的間隙寬度為</p><p><b> (2.4)</b></p><p&g
65、t; 結(jié)合設(shè)計(jì)的具體要求:開關(guān)頻率為20kHz,輸出的電壓頻率為50Hz。那么可以計(jì)算出Tc=0.00005s,=2πf =rad/s,因此可以得到</p><p> =0.000025(1+) (2.5)</p><p><b> (2.6)</b></p><p> 對于雙極性電路,在2.2.2中可以知道,在Ur>Uc時(shí)
66、輸出電壓為Ud,在Ur<Uc時(shí)輸出電壓為-Ud,那么可以得到的關(guān)系式如下。</p><p><b> Ud 或</b></p><p> U0= (2.7)</p><p><b> - Ud</b></p><p> 上面的
67、公式中k表示為三角波的個(gè)數(shù),用正整數(shù)的0、1、2、3……表示,公式中相關(guān)數(shù)據(jù)有 Ud表示輸出的SPWM電壓值,這里需要注意的是由于本逆變器電路中的開關(guān)管為IGBT,在工程運(yùn)用中需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路,本仿真電路中可以直接把Ud設(shè)置為其驅(qū)動(dòng)電壓,如一般IGBT驅(qū)動(dòng)電壓需要的電壓大致需要5V,就可以設(shè)定SPWM波形的Ud為10V。另外,數(shù)據(jù)中Tc=0.00005s,。</p><p> 在單極性電路,在2.2.1中可以得
68、到,在調(diào)制正弦波正半軸,在Ur>Uc時(shí)輸出電壓為Ud,在Ur<Uc時(shí)輸出電壓為0,在調(diào)制波負(fù)半軸,在Ur<Uc時(shí)輸出電壓為-Ud,在Ur>Uc時(shí)輸出電壓為0。上面的公式僅使用于雙極性的電路,對于單極性電路中,考慮到調(diào)制波在正負(fù)半軸的差異,同時(shí)載波在正半軸時(shí)為正和載波在負(fù)半軸時(shí)為負(fù)。</p><p> 圖2.10 單極性SPWM規(guī)則采樣法圖</p><p> 對照
69、圖2.10可以得到單極性關(guān)系式</p><p><b> (2.8)</b></p><p><b> (2.9)</b></p><p> 按照雙極性同樣可以得到</p><p><b> (2.10)</b></p><p> 那么在正半軸
70、電路中:</p><p><b> Ud 或</b></p><p> U0= (2.11)</p><p><b> 0</b></p><p><b> 在負(fù)半軸電路中:</b></p><p
71、><b> -Ud 或</b></p><p> U0= (2.12)</p><p><b> 0</b></p><p> 那么可以得到關(guān)系式如下:</p><p><b> Ud (或)</b>&
72、lt;/p><p><b> 且 </b></p><p> U0=0 (2.13)</p><p><b> - Ud 或)</b></p><p><b> 且</b></p><p> 其中Tr為調(diào)制波周期,
73、在本設(shè)計(jì)中由于輸出電壓50Hz,那么取Tr=0.02s。</p><p> 第3章 逆變電路參數(shù)計(jì)算</p><p> 這里參數(shù)計(jì)算包括電路中輸入電源參數(shù)、開關(guān)管參數(shù)、濾波參數(shù)的相關(guān)計(jì)算。設(shè)定本逆變器功率為5kW級(jí)別的,SPWM調(diào)制電路三角波頻率為20kHz。</p><p> 3.1 輸入電源參數(shù)計(jì)算</p><p> 根據(jù)題目給定
74、的電池電源(24V),經(jīng)過DC/DC變換器電路,可以得到直流電壓,本設(shè)計(jì)主要研究的是DC/AC部分,對于DC/DC研究本設(shè)計(jì)就不做仿真研究,依照在之前電路原理分析中的方案,這里我們來計(jì)算DC/AC直流母線電壓的大小討論。這里可以直接根據(jù)輸出電壓范圍,以及直流母線到電網(wǎng)的電壓損失,計(jì)算所需的最低母線電壓,從而確定直流母線電壓。</p><p> 由于輸出電壓為220V,考慮到20%的左右浮動(dòng),那么輸出電壓為220
75、V的0.8或者1.2即220×0.8~220×1.2即184V~264V,不考慮開關(guān)管、濾波電感引起的壓降,直流母線電壓范圍,(考慮到幅值問題)184×1.414~264×1.414=260V~373V。</p><p> 對于開關(guān)管導(dǎo)通壓降:導(dǎo)通電阻Ron=0.15Ω,由于開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)是上下各導(dǎo)通一個(gè)開關(guān)管,所以需要考慮兩個(gè)開關(guān)管的壓降,那么開關(guān)管上的導(dǎo)通壓降為<
76、/p><p><b> (3.1)</b></p><p> 對于開關(guān)頻率為20KHz,其中死區(qū)時(shí)間Td=1us,那么死區(qū)引起的最大電壓損失為</p><p><b> (3.2)</b></p><p> 對于基波電流在濾波電感上的壓降有如下公式</p><p><
77、;b> (3.3)</b></p><p> 那么最小的直流母線電壓Udc=373+4.75+4.4+6=388.15V,那么在考慮相關(guān)裕量時(shí)可以選擇直流母線電壓為Udc=400V。</p><p> 3.2 逆變電路開關(guān)器件選型</p><p> 對于開關(guān)管的選擇,由于在本設(shè)計(jì)中SPWM波形三角載波的頻率為20KHz,結(jié)合電力電子技術(shù)中介
78、紹的各種開關(guān)管的適用場合,采用的是結(jié)合了MOSFET開關(guān)管電壓控制和開關(guān)速度快特點(diǎn)和雙極型晶體管與之相反的特點(diǎn)的IGBT管。由于該逆變器的額定電壓和額定電流都比較大,且工作頻率比較高,工作頻率能在10KHz以上的開關(guān)器件有MOSFET和IGBT,但是MOSFET的工作電流不是很大,需要采用多管并聯(lián)。故本設(shè)計(jì)采用的器件為IGBT,它集MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身,既具有MOSFET的輸入阻抗高、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn),又具有GTR耐壓高、過
79、流電流大的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)開始成為中等功率電力電子裝置中大的主流器件。IGBT為電壓驅(qū)動(dòng),所需的驅(qū)動(dòng)功率小,開關(guān)損耗小,工作頻率高。</p><p> 在電路中給IGBT反并聯(lián)的二極管是在逆變電路工作時(shí)起續(xù)流作用的。下面主要分析IGBT開關(guān)管電流電壓主要的參數(shù),按照第1章中分析的原理,開關(guān)管中需要考慮的參數(shù)包括:</p><p> 開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),流過的IGBT電流It;</p>
80、<p> 開關(guān)管斷開時(shí),IGBT需要承受最大反向電壓和最大正向電壓Uoff1和Uoff2;</p><p> 開關(guān)管斷開時(shí),續(xù)流二極管流過的最大電流和承受的最大電壓。</p><p> 由于續(xù)流二極管狀態(tài)和電流和二極管中流過的電流和電壓是相同的,所以容量的考慮可以直接考慮It 、Uoff1和Uoff2。另外還要考慮的包括柵極驅(qū)動(dòng),由于本電路涉及的主要是開關(guān)管在電路中功率損
81、耗,那么驅(qū)動(dòng)相關(guān)參數(shù)在此處不做詳細(xì)分析。下面主要就在單極性和雙極性電路分析。</p><p> 在單極性電路中,分析第一章電路中的原理,在輸出電壓正半軸時(shí),負(fù)載端承受電壓為Ud和0,在輸出電壓負(fù)半軸時(shí),負(fù)載端承受電壓為-Ud和0,那么IGBT四個(gè)開關(guān)管承受最大關(guān)斷電壓為Ud,IGBT導(dǎo)通時(shí)通過最大的電流不會(huì)超過輸入端電流,續(xù)流電路中二極管導(dǎo)通時(shí)最大的電流為輸入端電流。</p><p>
82、 在雙極性電路中,同樣分析在第一章的內(nèi)容,在輸入電壓無論正負(fù)半軸,負(fù)載端輸出電壓為Ud和-Ud,那么四個(gè)IGBT開關(guān)管承受的最大關(guān)斷電壓為Ud,IGBT導(dǎo)通時(shí)通過最大電流不會(huì)超過輸入端的電流,續(xù)流電路中的導(dǎo)通時(shí)最大電流為輸入端電流。</p><p> 查閱相關(guān)資料可以得到后面的DC/AC變換器效率大約為96%,這里需要確定逆變器開關(guān)管的耐壓和耐流;由于由3.1中計(jì)算得到,選擇直流母線電壓約為400V??紤]到逆變
83、橋能正常工作并含有一定的安全裕量,選擇開關(guān)管的耐壓為Umin= 600V,逆變器以最大功率正常工作時(shí),流過MOS管的電流峰值和主電路峰值相等。因此,在選取MOS管的電流額定值時(shí),必須大于電感電流峰值的最大值。由設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求可知,逆變器的最大輸出功率為5kW,輸出電壓為184V,可以算出電流最大值: </p><p><b> (3.4)</b></p><p>
84、 所以逆變器開關(guān)管的耐壓和耐流:600V/40A,網(wǎng)上查詢相關(guān)資料,可以找到很多符合條件的開關(guān)管,綜合其它溫度等因素,可以選取的型號(hào)為BSM50GB60 DLC,該型號(hào)的具體參數(shù)參見附錄。</p><p> 3.3 緩沖電路參數(shù)計(jì)算</p><p> 緩沖電路又叫吸收電路,用來抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓或者過電流,以減小器件的開關(guān)損耗。由于IGBT工作在比較高的開關(guān)頻率下,主回路有分
85、布電感,逆變橋如果不加緩沖電路,工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)過大的尖峰電壓加在開關(guān)器件上,必然會(huì)使開關(guān)器件損壞,故需要在IGBT的集電極和發(fā)射極之間加吸收電路,吸收IGBT關(guān)斷過程中出現(xiàn)的尖峰電壓。在母線上加入開通緩沖電路,抑制開通時(shí)的過電壓和過電流[2]。</p><p> 關(guān)于導(dǎo)通緩沖電路,在橋式電路中,為了限制了二極管反響恢復(fù)期間橋臂電流的上升率,應(yīng)該設(shè)置開通緩沖電感,選用IGBT的DI/DT額定為1500,則所選電感值
86、為</p><p><b> ?。?.5)</b></p><p> 該電感應(yīng)該是線性的,可以直接用導(dǎo)線繞制成空心電感,圓形導(dǎo)線做成單層圓柱線圈電感的值為:</p><p><b> ?。?.6)</b></p><p> 式中為常系數(shù)12.6,N為線圈匝數(shù),S是線圈截面積,是線圈長度。根據(jù)該公
87、式計(jì)算并繞制線圈,用電感表測量其值,同時(shí)調(diào)整線圈至其值為即可。</p><p> 對于關(guān)斷緩沖電路,電路的開關(guān)管是IBGT,由于二極管具有單向?qū)щ娦?,IGBT關(guān)斷時(shí),立即起作用,因?yàn)閮啥说碾妷翰荒芡蛔?,這樣限制了集電極和發(fā)射極之間的電壓上升率,電容越大,則電壓上升率越小,即</p><p><b> ?。?.7)</b></p><p>
88、式中為最大負(fù)載電流。有緩沖電容時(shí),IGBT關(guān)斷時(shí)其集電極被電容電壓牽制,從而限制了集電極電壓和電流同時(shí)達(dá)到最大值。</p><p> 電容上的電場能量,在IGBT下一次開通時(shí),通過電阻吸收,該緩沖電路減少了開關(guān)器件的關(guān)斷損耗,但是減少的損耗消耗在吸收電阻上,故稱為耗能式緩沖電路。如果令開關(guān)器件和電阻上的總損耗最小,IGBT的電流恢復(fù)時(shí)間是tfi=1us,且Im=40A,則可得到緩沖電容為</p>
89、<p> 0.04uF (3.8)</p><p> 那么,可選用500V/0.04uF的交流電容。</p><p> 對于電阻的選擇,應(yīng)該選擇使得在時(shí)間內(nèi)完全放電結(jié)束。由阻容放電理論知,經(jīng)過時(shí)間常數(shù),電容通過電阻可完全放電,一般認(rèn)為時(shí),放電基本結(jié)束。則有</p><p><b> (3.9)</b></p&
90、gt;<p> 在IGBT管開通后,一般要限制其產(chǎn)生的附加電流不宜過大,不超過最大電流的25%,即</p><p> , (3.10)</p><p> 根據(jù)以上要求,可以取=10。放電電阻的功耗可計(jì)算為</p><p> 9.68W(3.11)</p><p> 二極管選用IDW100E60型號(hào)的
91、快速恢復(fù)二極管,其額定值為500V,100A,反向恢復(fù)時(shí)間約為120ns。</p><p> 3.4 輸出濾波參數(shù)計(jì)算</p><p> 在高頻SPWM逆變器中,逆變器輸出LC濾波器主要是用來濾除開關(guān)頻率及其鄰近頻帶的諧波,下面將從分析LC濾波器特性著手討論濾波器設(shè)計(jì)的方法。</p><p> 當(dāng)忽略主電路電感電阻及線路阻抗,濾波器輸出電壓相當(dāng)于逆變橋的輸出電
92、壓的傳遞函數(shù)為:</p><p><b> (3.12)</b></p><p> 式中,,是LC諧振角頻率;,為阻尼系數(shù)。</p><p> 這是一個(gè)典型二階振蕩系統(tǒng),幅相頻率特性是</p><p><b> (3.13)</b></p><p><b>
93、 其中,, </b></p><p> 根據(jù)上式,可求得對數(shù)幅頻特性為</p><p><b> (3.14)</b></p><p> 在的低頻段,可知在的高頻段,所以低頻段漸近線是一條零分貝水平線,高頻段漸近線是一條斜率為的直線。這兩條直線的相交頻率為。當(dāng)<0.707時(shí),對數(shù)幅頻特性出現(xiàn)峰值。</p>
94、<p> 從上面的分析可知,影響濾波效果的參數(shù)主要是轉(zhuǎn)折角頻率和阻尼比,選擇LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率,對開關(guān)頻率和附近的諧波具有明顯的抑制作用,通常取LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為開關(guān)頻率的十分之一到五分之一[2]。本設(shè)計(jì)中,開關(guān)頻率為20KHz,取LC濾波的轉(zhuǎn)折頻率為開關(guān)頻率的十分之一,即</p><p><b> =2kHz,也就是</b></p>&l
95、t;p><b> (3.15)</b></p><p> 一般來說,加大濾波電感可以減小流過濾波電感的電流紋波,從而相應(yīng)減小了流過開關(guān)管的峰值電流,減小了器件損耗。而且濾波電感增加會(huì)使得濾波電路的體積和重量明顯加大,而且濾波電感上的基波壓降增大,影響力濾波電壓的輸出[2]。因此,濾波典范既不能選得太小,也不能選得太大,需綜合考慮各方面因素。</p><p>
96、 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)濾波電路時(shí),首先確定電容的值,基本原理是,在額定負(fù)載時(shí),使容性電流補(bǔ)償一半的感性電流。根據(jù)電路中的一致性,我們這里假定電路的功率參數(shù)為0.8,那么對于容性電流IC和電容C0分別如下有:</p><p><b> (3.16)</b></p><p><b>
97、; (3.17)</b></p><p> 那么選取電容為250uF電為50Hz、500V的交流電容。對于單極倍頻SPWM調(diào)制方式進(jìn)行理論分析,逆變器輸出電壓除基波外,還含有高次諧波[8]。其中最低次諧波階次為2p-1次,p為半周期內(nèi)單極性波頭數(shù),本裝置開關(guān)頻率為20kHz,其中p為200,那么最低次諧波頻率為fi=(2×200-1)×50Hz=19950Hz,考慮死區(qū)影響,一
98、般選取輸出濾波器的諧振頻率為最低次諧波頻率的1/5~1/10,那么取諧振頻率為2kHz~4kHz,在本設(shè)計(jì)中,選取的諧振頻率為2kHz,那么可以通過諧振公式得到波形求取的L0:</p><p><b> (3.18)</b></p><p> 那么,取值為0.03mH。將設(shè)置好的參數(shù)設(shè)置好在仿真電路中。</p><p> 另外,選取開關(guān)管
99、的道統(tǒng)電阻為0.15Ω,電感折算電阻為1Ω,考慮到功率等級(jí),負(fù)載電阻在電路中取值為10Ω,12Ω,15Ω,20Ω,25Ω,30Ω。</p><p> 第4章 電路建模與控制仿真</p><p> 4.1 SIMULINK軟件介紹</p><p> MATLAB 是一個(gè)功能強(qiáng)大的常用數(shù)學(xué)軟件, 它不但可以解決數(shù)學(xué)中的數(shù)值計(jì)算問題, 還可以解決符號(hào)演算問題, 并且
100、能夠方便地繪出各種函數(shù)圖形。。由于MATLAB帶有一些強(qiáng)大的具有特殊功能的工具箱,而且隨著近年來它的版本不斷升級(jí),所含的工具箱功能越來越豐富,工具越來越多,應(yīng)用范圍也越來越廣,涵蓋了當(dāng)今幾乎所有的工業(yè)、電子、醫(yī)療、建筑等各領(lǐng)域,MATLAB自1984年由美國的MathWorks公司推向市場以來,歷經(jīng)十幾年的發(fā)展和競爭,現(xiàn)已成為國際最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一。[11]</p><p> Simulink提供了各種仿
101、真工具,尤其是它不斷擴(kuò)展的、內(nèi)容豐富的模塊庫,為系統(tǒng)的仿真提供了極大便利。在 Simulink 平臺(tái)上,拖拉和連接典型模塊就可以繪制仿真對象的模型框圖,并對模型進(jìn)行仿真。在Simulink平臺(tái)上仿真模型的可讀性很強(qiáng),這就避免了在 MATLAB 窗口使用 MATLAB 命令和函數(shù)仿真時(shí),需要熟悉記憶大量 M 函數(shù)的麻煩,對廣大工程技術(shù)人員來說,這無疑是最好的福音。MATLAB 已經(jīng)不再是單純的"矩陣實(shí)驗(yàn)室"了,它已經(jīng)成
102、為一個(gè)高級(jí)計(jì)算 和仿真平臺(tái)。[11]</p><p> Simulink原本是為控制系統(tǒng)的仿真而建立的工具箱,在使用中易編程、易拓展,并且可以解決MATLAB 不易解決的非線性、變系數(shù)等問題。它能支持連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真,支持連續(xù)離散混合系統(tǒng)的仿真,也支持線性和非線性系統(tǒng)的仿真,并且支持多種采樣頻率(Multirate)系統(tǒng)的仿真,也就是不同的系統(tǒng)能以不同的采樣頻率組合,這樣就可以仿真較大、較復(fù)雜的系統(tǒng)。因
103、此,各科學(xué)領(lǐng)域根據(jù)自己的仿真需要,以MATLAB為基礎(chǔ),開發(fā)了大量的專用仿真程序,并把這些程序以模塊的形式都放人Simulink中,形成了模塊庫。Simulink 的模塊庫實(shí)際上就是用 MATLAB 基本語句編寫的子程序集。</p><p> 本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要運(yùn)用的Simulink來搭建逆變器模型和SPWM調(diào)制信號(hào)模型,根據(jù)選用相關(guān)器件型號(hào)來確定在仿真電路下相關(guān)器件參數(shù)設(shè)定,并利用示波器來顯示相關(guān)器件的電流電壓數(shù)
104、值,從而計(jì)算器件功率損耗,進(jìn)一步計(jì)算出功率的效率,同時(shí)利用powergui模塊中FFT分析輸出電壓諧波,基于波形的諧波和功率利用效率兩點(diǎn)分別對兩種調(diào)制方式進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。</p><p> 4.2 逆變電路仿真電路</p><p> 此處建模主要是著眼于單極性和雙極性調(diào)制電路,那么關(guān)于電路中的DC/DC就不在仿真電路研究的范圍,那么電路就直接經(jīng)過DC/DC電路得到314V的直流電壓
105、。此處設(shè)定電壓為360V,是因?yàn)樽詈蟮玫降碾妷簽?20V交流,220V的幅值為314V(設(shè)定為360V是因?yàn)榭紤]到電路中的損耗)這是因?yàn)槟孀冸娐分绷麟妷罕划?dāng)成逆變交流電壓幅值。在運(yùn)用MATLAB/Simulink軟件搭建逆變模型需要在相關(guān)元件中設(shè)置相關(guān)參數(shù),其中包括開關(guān)管IGBT,濾波電容、電容,以及相關(guān)電路電阻。這里需要說明電路中需要注意的問題,由于simulink軟件的局限性,特別是在設(shè)計(jì)開關(guān)管IGBT時(shí),軟件直接將開關(guān)管等效成一個(gè)
106、導(dǎo)通電阻,這樣就需要相關(guān)的折算,具體的算法見下面第5章功率損耗的具體分析。在IGBT管中主要有內(nèi)電阻、緩沖電阻、緩沖電容三項(xiàng)。</p><p> 仿真圖原理圖如下圖4.1所示。</p><p> 圖4.1 電路仿真電路圖</p><p> 參數(shù)設(shè)置如下圖4.2所示。</p><p> 圖4.2 IGBT管參數(shù)設(shè)置圖</p>
107、<p> 其中,圖4.2仿真電路主要參數(shù)設(shè)定有直流電壓為314V,開關(guān)管IGBT如圖4-1所示,濾波電路根據(jù)第3章計(jì)算的電感取3mH,電容選取為3.3uF,另外折算電路中的損耗電阻為1Ω,負(fù)載RL電路中R=100Ω,L=0.05mH,擾動(dòng)負(fù)載電阻也為100Ω,擾動(dòng)時(shí)間為0.3s-0.4s,電路仿真時(shí)間設(shè)定為0.5s。</p><p> 其中單極性調(diào)制波仿真電路如下圖4.3所示。</p>
108、;<p> 4.3 單極性調(diào)制波仿真電路</p><p> 雙極性調(diào)制波仿真電路如下圖4.4所示。</p><p> 4.4 雙極性調(diào)制波仿真電路</p><p> 對于擾動(dòng)電路,是將兩個(gè)IGBT反并聯(lián),并且在運(yùn)行得某個(gè)時(shí)間段觸發(fā)開關(guān)管,讓負(fù)載中的并聯(lián)電阻接入負(fù)載中,從而造成負(fù)載擾動(dòng)。這里的觸發(fā)脈沖為0.3s-0.4s內(nèi),其他時(shí)間段維持原負(fù)載不
109、變。脈沖電路仿真圖如下圖4.5所示。</p><p> 圖4.5 脈沖產(chǎn)生仿真圖</p><p> 對于輸入擾動(dòng)來說,可以建立這樣的模型即一個(gè)恒壓輸入加上一個(gè)變壓,前面的恒壓電路電壓經(jīng)過相關(guān)估算大致可以設(shè)定為360V,后面的變壓可以簡化成一個(gè)正弦信號(hào),由于是擾動(dòng)輸入,則輸出幅值為10V左右,具體輸入電路波形如下圖4.6所示。其中恒壓源電壓為360V,擾動(dòng)信號(hào)為幅值為10V、頻率為20H
110、z的正弦信號(hào)。</p><p> 圖4.6 輸入電壓波形圖</p><p> 4.3 PI參數(shù)計(jì)算</p><p> SPWM控制的逆變電路采用的反饋是利用了PI調(diào)節(jié),其控制技術(shù)是采用的是電壓有效值控制電路。這是因?yàn)殡娐分胁捎玫挠行е狄环矫嫘枰紤]MATLAB軟件的局限性,另一方面需要考慮的是電路中如果采用的是瞬時(shí)值,那么需要考慮的是電路中的相應(yīng)速度問題。為了
111、維持性能和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的要求常常是相互矛盾的,必須恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)校正裝置,常用的方法是比例積分(PI)調(diào)節(jié)器,由于積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)無靜差。因此,比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀,而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。電壓環(huán)采用PI控制,其中比例環(huán)節(jié)及時(shí)反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào),偏差一旦產(chǎn)生,控制器立即產(chǎn)生控制作用,以減少偏差;積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差,提高系統(tǒng)的無差度。</p>
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