三相电压型逆变器的技术研究

学号业设计(论文)题 目 ：三相电压型逆变器的技术研究作 者 曹 龙 骏 届 别 2017 届 湖南理工学院毕业设计(论文)II 院 别 信 息 与 通 信 工 程 学 院 专 业 自 动 化 指 导 教 师 荣 军 职 称 副 教 授 完 成 时 间 2017 年 5 月 10 日 湖南理工学院毕业设计(论文)III 摘 要逆变器是一种把直流电能转变为交流电能的装置，其在日常生活中不可或缺并被广泛运用于生产生活的各个方面。本文首先介绍了逆变器研究的背景意义及其种类，并简述其发展历程。紧接着对三相电压形 PWM 逆变器工作原理及其控制方式进行介绍，并推导了其数学模型。最后对 SPWM 工作原理进行介绍，并给出其工作原理图。在Matlab 工作环境下对基于 SPWM 的三相电压形逆变器进行仿真，仿真结果表明基于SPWM 控制的三相电压形逆变器工作过程中基本无谐波产生，其输出电压波形无限接近正弦波，调制结果精确。关键词：三相电压型逆变器；结构 ；SPWM；仿真湖南理工学院毕业设计(论文)IV ABSTRACTInverter is a device that converts direct current into AC power, which is indispensable in daily life and widely used in all aspects of production life. Firstly this paper introduces the background meaning and its kind of research of inverter,and describes its development course. Then the principle of the three-phase voltage PWM inverter is introduced and its mathematical model is deduced. Finally, the principle of SPWM is introduced and its working principle is presented. Three-phsae vdtage inverter for SPWM is made simulation based on Matlab environment and the simulation results show that three-phase vdtage inverter for SPWM-controling has no harmonse in the working process,and the output volcage waveform infinitely closes to the sine wave and precise modulation results.Key words: three-phase voltage source inverter; structure；SPWM；simulation湖南理工学院毕业设计(论文)V 目 录摘 要 .IIABSTRACT.III1 绪 论 .11.1 逆变器的意义 .11.2 逆变器的发展历程 .11.2.1 逆变器发展历史 .11.2.2 逆变器种类介绍 .21.3 本章小结 .32 三相电压型 PWM 逆变器 .12.1 逆变器的介绍 .12.1.1 逆变器原理 .12.1.2 逆变器的拓扑结构及开关状态 .22.1.3 逆变器换流过程 .32.1.4 逆变器的运行和控制 .52.2 数学模型的建立 .62.2.1 三相 ABC 坐标系数学模型 .72.2.2 两相静止坐标系下的数学模型 .92.2.3 采用等量变换的数学模型 .92.2.5 采用等功率变换数学模型 .102.2.6 两相同步旋转 dq 坐标系数学模型 .112.3 本章小结 .13湖南理工学院毕业设计(论文)VI 3 SPWM 控制系统的应用 .143.1 SPWM 的工作原理 .143.2 SPWM 的结构电路 .143.3 SPWM 的基波电压和空间矢量 PWM 调制 .153.4 最大升压调制法和简单升压调制法 .173.5 本章小结 .174 SPWM 在三相逆变器中的 MATLAB 仿真 .184.1 三相 PWM 逆变器的输出电压波形仿真 .18结语 .25参考文献 .26致谢 .27湖南理工学院毕业设计(论文)1 1 绪 论1.1 逆变器的意义生活中逆变器相信大家都不会很陌生，这是一种对电能进行转换的工具，简单的说，它主要是把电网传输的直流电变成普遍使用驱动的交流电，一般在一些电力设备上使用，和变压器一个作用，它也是在日常生活中不可缺少的一种电力装备，所以它在生活中使用范围是非常广泛的 1。在家常生活中经常会使用到逆变器。电脑、电视、还有洗衣机和空调等电器设备，在这些电器设备上的应用都是十分的广泛，在一些生产生活中，在一些电力设备中使用也是非常广泛的，逆变器的适用范围非常的广。1.2 逆变器的发展历程1.2.1 逆变器发展历史从 19 世纪到 20 世纪的中间发展中，为完成将直流变为交流电源的转换人类开始使用旋转转换器和电动发电机组（镁套） 。在 20 世纪初期，真空管和充气管的出现打破了这个局面。它们开始被用于逆变器的开关电路研究。其中被应用的最多的是闸流管。从 90 年代初到现在 21 世纪为止，畅销于国内市场的家用逆变器电源，经历了多次改革换代。从最初的逆变器电源（自激推挽饱和式变换器） ，两只推挽开关管靠变压器的磁饱和，或开关管的相对饱和进行换向。这类原始的饱和式变换器电路，他们的特点是：效率低，损耗大，且会由于开关管的截止时间而产生延迟，产生两管共态导通的现象几乎是必然的，因此它们的可靠性很低。在这之后，某些生产厂又生产采用分件组装的方式，由多谐振荡器来驱动它激式逆变器电源。它激式变换器开关管依靠驱动脉冲来控制转换方向，经过这次改变后， “饱和”形成的能源损耗降低了，但是共态导通的现象仍未得到有效的压制，击穿开关管的现象依旧在发生 2。上述中的两大类逆变器电源均采用的是 DC/AC 变换器的基本电路，产生的波形为接近矩形波的交变电压输出。目前的逆变器如果我们观察它的电路结构，它们的它激式逆变电路都是采用开关电源专用双端驱动 IC 组成。这种驱动集成电路都有基本类似的功能方框图，只不过是具体组成有所差别而已。由于该设计是是适用于大功率的开关电源驱动器，它的 IC 内部不仅设有两种时序不同的驱动输出，还设有死区时间设定电路，PWM 稳压电路和开关电流控制电路，由上述四种电路组成逆变电源，在效率和可靠性方面有了较大的提高，功能也随之一起完善 3。湖南理工学院毕业设计(论文)2 大功率变换器（含有逆变器）的电路结构基本上采用推挽或者是半桥或是桥式开关电路。蓄电池是用于中、小功率 DC/AC 逆变的 DC 供电，但是采用串联方式来供电的半桥式电路和桥式电路是不适合这种供电方式的。饱和压降较小的锗大功率管作推挽开关(如常见的 UPS 电源中的 MJ11033 被应用在这里，它在 12V24V 供电下会得到较高的效率。假如我们把自激式变换器作为第一代产品，那么第二代产品就肯定是采用它激驱动的双极型开关管变换器（原有 UPS 大多为这种电路） 。毫无疑问的是第二代产品在效率和可靠性方面远远高于第一代，但不可避免的是它们也有着相应的弱点。为了将 12V 直流变成 220V 交变电压，同时得到足够的输出功率，先决条件就是开关管的电流必须够大。比如说 Aixcom 公司生产的变换器，在它的输出功率达到 200W 时，要求开关管 BVceo 的电压是 40Vlcm 40A。那么如果按照第二代产品的方式采用双极型开关管时，由于大功率管 HFE 很少有超过 20 的产品，那么就需要基极驱动电流一定要在 2A 或者 2A 之上，导致的结果就是驱动 IC 的输出至少经过三次放大，才能满足我们的结果要求（例如 UPS600 中，由中功率管 8050、大功率管 TIP41C 作驱动放大器，驱动 4 只 MJ4502，这一举动必然会使电路变得更加复杂，调试难度也相应增加了4。在这是第三代交换器应运而生，并且第三代产品也正在以极快的速度在变换器和开关电源中普及。由 Aixcom 公司开发的汽车车载逆变器，被认为是第三代产品的典型代表。第三代开关变换器依靠着 MOSFET 管的电压控制特性由此工作，在理论上这种加强型绝缘栅场效应管并不需要驱动功率，所以它不存在驱动电流会被多次放大，驱动 IC 仅仅需要 MOS 绝缘栅在充电过程中产生一定的脉冲幅度，就能使开关管打开但是它的栅极端口并不消耗功率。开关管打开后，绝缘栅形成的电容又在脉冲作用下，下降为低电，再通过驱动 IC 的放大变成灌电流。这样一来，不但变换器的电路变简单了，而且 MOSFET 管有了自动分配电流的功能，可以采用并联电路的方式且电路中不需要加入均流电阻。1.2.2 逆变器种类介绍（1）按逆变器输出交流的频率，可分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。工频变换逆变电源使采用工频变压器实现输入输出之间的电气隔离。这种逆变器结构简单、工作可靠，但这种逆变器体积大，笨重、噪声大，效率方面也有待提高。随着对电源性能要求的日益提高，传统的工频变换逆变电源逐渐难以适应轻量化、高功率密度、高可靠性的要求。高频变换是采用高频变换技术，它的优点是体积小、重量轻、噪音小、效率高。（2）按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。湖南理工学院毕业设计(论文)3 （3）按逆变器的主电路形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等。（4）按逆变器主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应管逆变器、IGBT 逆变器，等。（5）按输出的稳定参量，可分为电压型逆变器和电流型逆变器。（6）按控制方式，可分为移项控制方式和 PWM 控制方式。移项控制的原理是，全桥变换电路每一个桥臂的两个开关互补导通，两个桥臂的开关导通之间相差一个相位，通过调节移相角的大小，来调节输出电压脉冲的宽度，达到调节输出电压的目的 5。1.3 本章小结本章主要介绍了人类逆变器发展史上的三代产品，并且简单介绍了每一代逆变器的特点以及它们各自的优缺点。详细介绍了逆变器种类，为本文的研究方向提供线索。湖南理工学院毕业设计(论文)12 三相电压型 PWM 逆变器PWM 逆变器电路比较简单，功率可以进行双方向的流动，拥有较小的输出电压THD，输出滤波器体积小，动态响应好，拓扑结构分为电压型和电流型两种。电压型逆变电路容易实现，电路比较简易方便，不需要复杂的输出滤波器就可以减小电磁干扰。目前，电压型逆变电路的研究的比电流型逆变电路的研究更深入，应用更广泛。2.1 逆变器的介绍2.1.1 逆变器原理三相逆变器是一种由 DC 变为 AC 的变压器，它与转化器一样是一种电压逆变的过程。转换器是将电网的交流电压转变为稳定的 12V 直流输出，而逆变器的作用是将Adapter 输出的 12V 直流电压改为输出高频高压交流电；两个元器件都采用了脉宽调制（PWM ）技术。它们的核心部分是一个 PWM 集成控制器，不同的是 Adapter 采用的是 UC3842 芯片，而逆变器则用的是 TL5001 芯片。 TL5001 芯片的工作电压范围为3.640V 之间，芯片内部由误差放大器，调节器、振荡器、控制死区的 PWM 发生器、低压保护回路及短路保护回路等组成 6。输入端口部分：输入端有 3 个信号源，12V 直流输入 VIN、工作使能电压 ENB 及Panel 电流控制信号 DIM。 VIN 由 Adapter 提供， ENB 的电压是由主板上的 MCU 提供，电压的值是 0V 或 3V，当 ENB 上电压为 0V 时，此时逆变器不进行工作，而 ENB 上电压 3V 时，逆变器进入工作状态；而 DIM 电压由主