单相逆变电路的PWM控制设计与研究
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扬州大学水利与能源动力工程学院
本科生课程设计
题 目 单相逆变电路的PWM控制设计与研究
课 程 电力电子技术
专 业 电气工程及其自动化
班 级
学 号
姓 名
指导老师 刘大年
完成日期 2016 年 1 月 1
目录
1 绪论 ........................................................... 2
1.1 课程题目 .................................................. 2
1.2 设计目的及要求 ............................................ 2
1.5 日程安排 .................................................. 2
1.6 主要参考书 ................................................ 2
2 单相桥式逆变电路 ............................................... 4
2.1 电压型逆变电路 ............................................ 4
2.2 电流型逆变电路 ............................................ 6
3 单相桥式PWM逆变主电路设计 .................................... 10
3.1 逆变控制电路的设计 ....................................... 10
3.2 正弦波输出变压变频电源调制方式 ........................... 12
4 驱动和保护电路的设计 .......................................... 14
4.1 过电流保护 .............................................. 14
4.2驱动电路的设计 ........................................... 15
5 仿真实验 ..................................................... 16
5.1 单相桥式PWM逆变主电路原理图 ............................. 16
5.2 单极性控制电路原理图 .................................... 16
5.3 仿真所得波形 ............................................. 17
7 小结 .......................................................... 23
8 参考文献 ...................................................... 24
2
1 绪论
1.1 课程题目
单相逆变电路的PWM控制设计与研究
1.2 设计目的及要求
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。
1.5 日程安排
本次课程设计时间共一周，进度安排如下：
1、设计准备，熟悉课题设计要求及内容。（1天）
2、分析控制要求、电路方案设计。（1天）
3、绘制电路接线图。（2天）
4、电路分析、计算。（2天）
5、整理计算书及图纸、写课程设计报告。（1天）
1.6 主要参考书
1、 孙树朴等、电力电子技术（第一版）、中国矿业大学出版社、1999
2、邵丙衡、电力电子技术（第一版）、铁道出版社、1997
3、王兆安，黄俊、电力电子技术（第四版）、机械工业出版社、2008
4、 叶斌、电力电子技术习题集（第一版）、铁道出版社、1995 3
5、赵良炳、现代电力电子技术基础（第一版）、清华大学出版社、1995
4
2 单相桥式逆变电路
单相全桥逆变电路主要由逆变电路和控制电路组成。逆变电路包括逆变全桥和滤波电路，其中逆变全桥完成直流到交流的变换．滤波电路滤除谐波成分以获得需要的交流电；控制电路完成对逆变桥中开关管的控制并实现部分保护功能。
单相桥式逆变电路S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。
图2逆变电路及其波形
电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io滞后于uo，波形也不同。t1前：S1、S4通，uo和io均为正。 t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向。 io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大
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5
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Ud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。
V3的基极信号比V1落后θ（0＜θ＜180 °）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1前移180°－θ。输出电压是正负各为θ的脉冲。改变θ就可调节输出电压。故移相调压就是调节输出电压的脉宽。
t O t O t O t O t O
b G u G u G u G
u o i o
t 1 t 2 t 3 i o u o 6
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。Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：1时，uo和io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2Ud，比全桥电路高一倍。
3）必须有一个变压器 。
图2.1带中心抽头变压器的逆变电路
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
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图2.2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di/dt。
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。
5、负载电路对基波呈现高阻抗而对谐波呈现低阻抗，故负载电压波形接近正弦波。
工作分析
一个周期内有两个导通阶段和两个换流阶段
1、t1~t2：VT1和VT4稳定导通阶段，iｏ=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。
t2~t4：t2时触发VT2和VT3开通，进入换流阶段。
2、LT使VT1、VT4不能立刻关断，电流有一个减小过程。VT2、VT3电流有一个增大过程。
3、4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。
4、LT1、VT1、VT3、LT3到C；另一个经LT2、VT2、VT4、LT4到C。
5、iｏ在t3时刻，即iVT1=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点。
6、t= t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，换流阶段结束。t4-t2= t称为换流时间。
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图5并联谐振式逆变电路工作波形
2.2.3保证晶闸管的可靠关断及有关参数计算。
晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间t，t= t5- t4应大于晶闸管的关断时间tq。
为保证可靠换流，应在uo过零前t= t5- t2时刻触发VT2、VT3 。.
t为触发引前时间 ：
io超前于uo的时间：表示为电角度 ：
ω为电路工作角频率；γ、β分别是对应的电角度。
t O t O
t O
t O
t O
t O
t O
t O u G1, u G2, i T
i o I d
t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 t
u o t
u A t
t I d i VT 1, i VT 2,3
u VT 2,3
u VT 1,4
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