三相电压型桥式逆变电路

电力电子建模与仿真

题 目：三相电压型逆变电路

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摘 要

逆变电路在电力电子电路中占有十分突出的位置，而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该技术。基于三相电压型逆变电路的工作原理，运用PWM技术使输出电压、电流接近正弦波。本文详尽分析三相逆变电压电路在感性负载情况下的工作原理，通过电路中电流流通状况，确定逆变电路的输出电压，同时，在这一分析过程中，三相PWM逆变电源的三相输出桥臂的控制信号由三角载波和调制波相比较给出。最后借助ORCAD仿真软件对该设计电路输出特性进行建模与仿真，为提高仿真效率和缩短仿真时间可提高电压和电流的绝对精度。仿真模型分别考虑了主电路和控制器的模型，较为精确的反映了实际情况。

关键词：三相电压型逆变电路 PWM技术 ORCAD仿真

目 录

第一章 引言

第二章 电路基本原理

第三章 三相电压型逆变电路的建模仿真

第四章 电路建模仿真结果

第五章 设计小结

第六章 参考文献

一． 引言

随着大功率全控型电力电子器件（GTO、IGBT、MOSFET、IGCT）的开发成功和应用技术的不断成熟，电能变换技术出现了突破性进展。由于像逆变电源之类大功率电力电子装置结构复杂，直接对装置进行试验，耗资耗力，故借助计算机仿真技术对装置的运行机理与特性、控制方法的有效性进行验证，以预测并解决潜在的问题，同时缩短研制时间和减少研制费用。ORCAD/PSpice软件具有模拟、数字混合仿真功能，具备大量的模拟功能模型和系统分析能力，对于一个三相电压型逆变电路建立仿真模型，能够对其输出特性进行仿真分析。

二、电路基本原理

在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路，采用IGBT作为开光器件的电压型三相桥式逆变电路如下图1所示。

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一种电压型三相桥式逆变电路的设计与应用

作者：汤泽容

来源：《商情》2016年第48期

【摘要】电压型逆变电路在交流传动、不间断电源、有源无功补偿等领域占着一种主导地位，本文阐述一种电压型三相桥式逆变电路的设计与应用。

【关键词】电压型 三相桥式 逆变电路 设计与应用

一、电路结构

图1为电压型三相桥式逆变电路。电路由三个半桥电路组成。电路中的电容器为了分析方便画成两个，并有一个假想的中性点N’，在实际中可用一个。由于输入端施加的是直流电压源，电力晶体管V1~V6始终保持正向偏置，VD1~VD6是与V1~V6反并联的二极管，其作用是为感性负载提供续流回路。同一半桥，上下两个桥臂以180°为间隔交替开通和关断，V1~V6以60°的相位差依次开通和关断,所以任一瞬间将有三个桥臂同时导通，在逆变器输出端形成U、V、W三相电压。

二、工作原理

图2为三相桥式逆变电路的波形图。设N与N’连接，负载为星形联结。在0＜ωt≤π/3之间，V1、V5和V6导通。负载电流经V1和V5被送到U相和W相绕组，经V相负载和V6流回电源。在ωt=π/3时刻，V5的触发脉冲下降到零，V5迅速关断，由于感性负载电流不能立即改变方向，VD2导通续流，C相负载电压被钳位到零电位。其他两相电流通路不变。当VD2中续流结束时（续流时间取决于负载电感和电阻的大小），W相电流反向经V2流回电源。

三相桥式逆变电路输出线电压UUV的有效值为

(1)

其中基波分量有效值UUV1为

(2)

负载相电压有效值UUN为

(3)

其中基波分量有效值UUN1为 龙源期刊网

(4)

此时负载电流由电源经V1和U相负载，分流到V相和W相负载，分别经V6和V2流回电源。

1 1 主电路设计

逆变电路的作用是将直流电压转换成梯形脉冲波，经低通滤波器滤波后，从而使负载上得到的实际电压为正弦波。

1.1 主电路图

图1三相电压型桥式逆变电路

1.1 主电路原理分析

图1是采用IGBT作为开光器件的电压型三相桥式逆变电路，可以看成由三个半桥逆变电路组成。图1的直流侧通常只有一个电容就可以了，但为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出假象中点N′。和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180°导电方式，即每个桥臂的导电角度为180°，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流 2 1.2 工作波形分析和绘制

对于U相输出来说，当桥臂1导通时，2'dUNUu，当桥臂4导通时，2'dUNUu。因此，'UNu的波形是幅值为2dU的矩形波。V、W两相的情况和U相相似，'VNu、'WNu的波形形状和'UNu相同，只是相位依次相差120°。'UNu、'VNu、'WNu的波形如图2a、b、c所示。

图2 三相电压型桥式逆变电路的工作波形

负载线电压UVu、VWu、WUu可由下式求出

''''''UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu1''''''UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu 3 图2d是依照上式画出的UVu波形。

设负载中点N与直流电源假象点N′之间的电压为'NNu，则负载各相的相电压分别为

把上式各式相加并整理可求得

设负载为三相对称负载，则有0WNVNUNuuu，于是

２０１４年第２期　（总第５７期）　西安铁路职业技术学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ，ａｎ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｎｏ．２，２０１４　Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．５７　

基于等效电路的三相电压型桥式逆变电路分析方法研究　

程民利　

（西安铁路职业技术学院陕西西安７１００１４）　

摘要：三相电压型桥式逆变电路是很多应用领域的核心电路，但其工作原理复杂，难理解。本文简述了传统的三　相电压型桥式逆变电路的分析方法，指出传统分析方法的不足，提出了依据ＩＧＢＴ的控制时序确定６个１ＧＢＴ的通　断，得到三相电压型桥式逆变电路的等效电路，并基于等效电路分析三相电压型桥式逆变电路工作原理的方法；分　析过程简易懂，分析结果直观明确，克服了传统分析方法复杂，繁琐，理解困难等不足。　关键词：三相逆变电路；ＩＧＢＴ；分析方法；等效电路　中图分类号：１］Ｐ２７１　文献标识码：Ａ　文章编号：９４０４２一（２０１４）０２—００３８—０４　

Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｎｌａｙｓｉｓ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｔｈｒｅｅ・－－ｐｈａｓｅ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｔｙｐｅ　

Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　

Ｃｈｅｎｇ　Ｍｉｎｌｉ　

（Ｘｉ’ｆｉｌｌ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｌｌ，Ｓｈｎａｎｘｉ　７１００１４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｙｐｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｎ　ｍａｎｙ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｂｕｔ　ｉｔｓ　ｗｏｒｋｉｎｇ　

ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｉｓ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ａｎｄ　ｄｉｆｉｃｕｌｔ　ｔｏ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｔｈｒｅｅ—　ｐｈａｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｙｐｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ，ｐｒｏｐｏｓｅ　ＩＧＢＴ　ｃｏｎ—