单相PWM逆变电路课程设计

电力电子技术课程设计题目：单相PWM逆变电路设计

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目录

一前言

1.1 电力电子简介 (2)

1.2 课题目的 (3)

1.3 课题内容及要求 (3)

1.4 课题意义 (3)

二单相桥式逆变电路

2.1 电压型逆变电路 (4)

2.2 电流型逆变电路 (6)

三单相桥式PWM逆变主电路设计

3.1 逆变控制电路的设计 (9)

3.2 正弦波输出变压变频电源调制方式 (11)

3. 3种调制方式下逆变器输出电压谐波分析 (13)

四驱动和保护电路的设计

4.1 过电流保护 (14)

4.2 驱动电路的设计 (14)

五使用的元件 (16)

六仿真实验 (19)

七心得体会 (24)

八参考文献 (24)

一前言

1.1 电力电子简介

随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外绝缘材料的缺陷也是一个问题。在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本次课程设计研究单相桥式PWM逆变电路，通过该电路实现逆变电源变压、变频输出。

1.2 课题的目的

1) 通过对单相桥式PWM逆变电路的设计，掌握单相桥式PWM逆变电路的工作原理，综合运用所学知识，进行单相桥式全控整流电路和系统设计的能力。

2) 了解与熟悉单相桥式PWM逆变电路拓扑，控制方法。

3) 理解和掌握单相桥式PWM逆变电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。

4) 具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。

1.3课题的内容及要求

对单相桥式PWM逆变电路的主电路和控制电路进行设计，设计参数如下：直流电压为100V；

阻感负载；

负载中R=2 ，L=1mH；

要求输出频率范围：10HZ~100HZ。

1.4 课题的意义

电力系统变电站和调度所的继电保护和综合自动化管理设备有的是单相交流供电的，其中有一部分是不能长时间停电的。普通UPS设备因受内置蓄电池容量的限制，供电时间比较有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比较大，所以需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。

逆变电源的工作原理与UPS有以下两点区别：

1）逆变电源不需要与交流电网锁相同步，因为其负载可以瞬间停电（几秒以内）。2）逆变电源的输入直流电压为180～285V，而UPS内置电池电压为12V或24V。

二单相桥式逆变电路

根据直流侧电源性质的不同,逆变电路可分为：

电压型逆变电路——电压源型逆变电路和电流型逆变电路，又称为电流源型逆变电路。

2.1 电压型逆变电路

2.1.1 电压型逆变电路的特点：

(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。

(2)交流侧输出电压为矩形波，输出电流和相位因负载阻抗不同而不同。

(3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。

2.1.2 单相全桥逆变电路的移相调压方式：

共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180°。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。

改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压U d来实现。阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压——移相调压。

图1

图2

2.1.3 带中心抽头变压器的逆变电路

交替驱动两个IGBT ，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。U d 和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，u o 和i o 波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。此电路与全桥电路的比较： 1）比全桥电路少用一半开关器件。

2）器件承受的电压为2U d ，比全桥电路高一倍。

3）必须有一个变压器 。

图3

u u u i o

u o

2.2 电流型逆变电路

2.2.1电流型逆变电路主要特点：

1) 直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。

2) 交流侧输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位因负载不同而不同。

3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。

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。

2.2.2 单相电流型逆变电路

图4单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路

此电路的工作原理如下：

1）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d i/d t。

2）工作方式为负载换相。

3）电容C和L、R构成并联谐振电路。

4）输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。