电力电子设计PWM整流电路

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引言
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（MOSFET）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，MOSFET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。MOSFET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MOSFET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。本次毕业设计研究单相桥式PWM逆变电路，通过该电路实现逆变电源变压、变频输出。
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简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
（4）梯形波与三角波比较法
前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的,从而忽视了直流电压的利用率,如SPWM法,其直流电压利用率仅为86.6%.因此,为了提高直流电压利用率,提出了一种新的方法--梯形波与三角波比较法.该方法是采用梯形波作为调制信号,三角波为载波,且使两波幅值相等,以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制。
本设计为双极性PWM方式下的单相全桥逆变电路，主要包括双极性SPWM控制信号的发生电路和带反并联二极管的IGBT作为开关器件的单相全桥电路。设计的重点在于运用MATLAB中的SIMULINK建立电路模型，对电路进行仿真，并对仿真结果进行分析，得出系统参数对输出的影响规律。
关键词：双极性PWM控制;逆变电路;SIMULINK仿真
（1）等脉宽PWM法
VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压.等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的,是PWM法中最为简单的一种.它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化.相对于PAM法,该方法的优点是简化了电路结构,提高了输入端的功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外,还包含较大的谐波分量。
（2）双极性PWM控制方式：在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平。同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通， uo=Ud 。当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud 。这样就得到图二所示的双极性的SPWM波形。
4）具有一定电力电子电路及系统实验和调试的能力。
1.3 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路将直流电逆变成单相交流电。
图2.2单相桥式PWM逆变电路
（1）单极性PWM控制方式：在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。ur正半周，V1保持通，V2保持断。当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud 。当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0 。ur负半周，V2保持通，V1保持断。当ur<uc时使V3通，V4断，uo=-Ud ;当ur>uc时使V3断，V4通，uo=0 。这样就得到图一所示的单极性的SPWM波形。
图2.1单极性PWM控制方式波形
上图波形称为单极性PWM波形，根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，即双极性PWM波形，而且这种方式在实际应用中更为广泛。
图2.1双极性PWM控制方式波形
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PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种，目前实际应用的几乎都是电压型电路，因此本节主要分析电压型逆变电路的控制方法。要得到需要的PWM波形有两种方法，分别是计算法和调制法。根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形，这种方法称为计算法。由于计算法较繁琐，当输出正弦波的频率、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，即把希望调制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作为载波，在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。下面具体分析单相桥式逆变电路的单极性控制方式和双极性控制方式。图（2.2）是采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。
由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时,其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值,从而可以有效地提高直流电压利用率.但由于梯形波本身含有低次谐波,所以输出波形中含有5次,7次等低次谐波。
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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的波形。PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理，即：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就可得到下图b所示的脉冲序列，这就是PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。SPWM波形如图2-1所示：
（3）低次谐波消去法
低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法.其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开,表示为u(ωt)=ansinnωt,首先确定基波分量a1的值,再令两个不同的an=0,就可以建立三个方程,联立求解得a1,a2及a3,这样就可以消去两个频率的谐波。
该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波,但是,剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大,而且同样存在计算复杂的缺点.该方法同样只适用于同步调制方式中。
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PWM技术的的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
脉宽调制(PWM（Pulse Width Modulation）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
1.1
MATLAB (Matrix Laboratory)为美国Mathworks公司1983年首次推出的一套高性能的数值分析和计算软件，其功能不断扩充，版本不断升级，1992年推出划时代的4.0版，1993年推出了可以配合Microsoft Windous使用的微机版，95年4.2版，97年5.0版，99年5.3版，5.X版无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，可以方便的浏览。至2001年6月推出6.1版，2002年6月推出6.5版，继而推出6.5.1版, 2004年7月MATLAB7和Simulink6.0被推出，目前的最新版本为7.1版。
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采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.PWM控制技术就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。