基于PWM的逆变电路分析吉遇

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'基于PWM的逆变电路分析吉遇'
电力电子课程设计题目:基于PWM的逆变电路分析Title: Analysis of Inverter Circuit Based on PWM学号:B12043819姓名:吉遇摘要PW控制技术是你变电路屮应用最为广泛的技术。为了对PWM型逆变电路进 行研究,首先建立了逆变器控制所需的电路模型,采用TGBT作为开关器件,并 对单相桥式屯压型逆变屯路和PWM控制屯路的工作原理进行了分析。使用双踪示 波器对电路的输出波形进行分析,给出了仿真波形。实践表明:运用PW控制技 术能够很好地实现逆变屯路的运行要求。1引言PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制 约,在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代,随着全控型 电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子 技术、微屯子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理 论、非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛,対逆变电路的影响也最为深刻。现在大 虽:应用的逆变电路中,绝大部分都是PW\I型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在 逆变电路屮的应用,才发展得比较成熟,并确定了他在电力电子技术屮的重要地位。2 PWM控制的基本原理PWM( Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术, 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅 值)。在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量和等而形状不同的窄脉冲加在 具有惯性的环节上吋,其效果基木相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效 果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变 换分析,则其低频段非常接近,仅在高频段略有茅异。例如图1 (a),图1 (b), 图1 (c)所示的3个窄脉冲形状不同,其屮图1 ( a)为矩形脉冲,图1 ( b)为 三角形脉冲,图1(c)为正弦半波脉冲,但他们的面积(即冲量)都等于1,那么, 当他们分别加在具有惯性的同一个环节上吋,其输出响应基木相同。当窄脉冲变 为图1 (d)的单位脉冲函数S (t)时,环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。图1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲上述原理可以称之为面积等效原理,他是PW控制技术的重要理论基础。3 PWM逆变电路及其控制方法PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛,目前中小功率的逆变电路几乎 都采用了 PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合,PWM逆变电 路可分为电压型和电流型两种。目前实际应用的PWM逆变电路儿乎都是电压型电 路。其控制方法这里主要讲解计算法和调制法。3.1计算法和调制法根据PWM控制的基木原理,如果给出了逆变电路的止弦波输出频率、幅值和 半个周期内的脉冲数,PWM波形屮各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按 照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断,就可以得到所需要的PWM波形, 这种方法称之为计算法。可以看出,计算法是很繁琐的,当需要输出的正弦波的频 率、幅值或相位变化时,结果都要变化。与计算法相对应的是调制法,即把希槊输 出的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过信号波的调制得到所 期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波,其屮等腰三角波应用 最多。因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线形关系且左右对称,当他 与任何一个平缓变化的调制信号波相交吋,如果在交点吋刻对电路屮开关器件的 通断进行控制,就可以得到宽度止比于信号波幅值的脉冲,这止好符合PWM控制 的要求。在调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形,这种情况应用最 广。当调制信号不是正弦波,而是其他所需要的波形时,也能得到与之等效的PWM 波。4 逆变电路的原理图4. 1主电路图及其工作原理图2是采用1GBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。设负载为阻感 负载,工作时VI和V2的通断状态互补,V3和V4的状态通断状态也互补。具体 的控制规律如下:在输出电压山的正半周,让VI保持通态,V2保持断态,V3和V4 交替通断。出于负载电流比电压滞后,因此在电压正半周,电流有一段区间为正, 一段区间为负。在负载电流为止的区间,VI和V4导通时,负载电压uO等于直流 电压ud o在负载电流为负的区间,仍为VI和V4导通时,因10为负,故10实际 上从VD1和VD4流过,仍有uO二ud。这样,uO就可以得到ud电平。同样, 在uO的负半周,让V2保持通态,VI保持断态,V3和V4交替通断,负载电压uO 口J以得到- ud和零两种屯平。图2 主电路图单相桥式逆变电路在采用双极性控制方式时的波形如图3所示。图3 双极性PWM控制方式波形采用双极性方式时,在Q的半个周期内,三角波载波不再是单极性的,而是 有正有负,所得的PWM波也是有正有负。在必、的一个周期内,输出的PWM波有土 山/两种电平。在a的正负半周,对各开关器件的控制规律相同,即当uc 时,给VI和V4以导通信号,给V2和V3以关断信号,这时如70 > 0,则VI和 V4通如70 < 0 ,则VD1和VD4通,不管哪种情况都是输出电压u0 = ud o当 ur <必时,给V2和V3以导通信号,给VI和V4以关断信号,这时如70 < 0 , 则V2和V3通,如/0 > 0 ,则VD2和VD3通,不管哪种情况都是uO = - ud。4. 2 PWM信号产生屯路及其工作原理在图6中XFG1为止弦波发生器,为希望输出的波形,此信号作为调制信号 ur,连接到比较器LM139AJ的同相端(正极端);XFG2为三角波发生器,此信号 作为载波信号uc ,接到比较器的反向端(负极端)。波形发生器和比较器的公共 端接地,15 V直流电源V CC作为比较器的驱动源,XSC1为双综示波器A、B端 点分别为两个通道,G为接地端,T是外触发输入端。由波形发生器产生的正弦 信号波和三角载波送到比较器电路,经调制就得到所需的PWM波形。为了得到如 图6所示的输出波形,将三角波波发生器的参数设置为:信号频率为2 kHz,山 空比为50 %,输出幅度为10 V ,直流偏置为0。正弦波发生器的参数设置为: 信号频率为200 kHz ,输出幅度为8 V ,直流偏置为0。图6 PWM信号产生电路5仿真与实验依照图6的原理图用示波器进行仿真,其输出波形如图7所示。图7 输出波形6结果与分析由仿真和实验波形可见,各相上下桥臂控制信号的相位上下互补。任何时刻, 冇一个控制信号处于高位,其余的处于低位。已调制控制信号的脉宽随时间按正 弦规律变化,但在同一时间内其脉宽则随调制比的值变化而变化。参考文献【1】王兆安,刘进军?电力电子技术机械工业出版社,2009. 5【2】张加胜,张磊.PWM逆变器的直流侧等效模型研究.中国电机工程学报,2007 【3】沈传文,刘玮,路强,等.基于前馈解耦的三相PWM整流器研制.电力电子技
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