单相方波逆变

1. 绪论

1.1.电力电子简介

电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，是一门实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析的方法来研究。仿真技术为电力电子电路的分析提供了崭新的方法。我们在电力电子技术课程的教学中引入了仿真，对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，学生的想法可以通过仿真来验证，对培养学生的创新能力很有意义，并且可以调动学生的积极性。实验实训是本课程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有限的，也受到学时的。而仿真实训不受时间、空间和物质条件的，学生可以在课外自行上机。仿真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用。

PWM控制技术是逆变电路中应用最为广泛的技术，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。为了对PWM型逆变电路进行分析，首先建立了逆变器控制所需的电路模型，采用IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和PWM控制电路的工作原理进行了分析，运用MATLAB中的SIMULINK对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并运用MATLAB提供的powergui模块对仿真波形进行了FFT分析（谐波分析）。通过仿真分析表明，运用PWM控制技术可以很好的实现逆变电路的运行要求。 1.2.matlab的简介

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分

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相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

1.3.基本任务

本文设计了一单相桥式方波逆变电路。

单相方波逆变电路，开关器件选用IGBT，直流电压为300V，阻感负载，电阻1，电感2mh。

完成上述方波逆变电路的设计，并进行计算机仿真，观察输出电压波形、系统输入电流波形、电压电流波形的谐波情况。

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2. 主电路图工作原理说明

2.1 逆变电路

逆变概念：逆变——直流电变成交流电，与整流相对应。

主要内容：换流方式，电压型逆变电路，电流型逆变电路，多重逆变电路和多电平逆变电路。

无源逆变逆变电路的应用：

蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，需要逆变电路。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。

2.2 逆变电路的基本工作原理

单相桥式逆变电路为例：

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3-1 逆变电路及其波形举例

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（图3-1b）。

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。

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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。

2.3 电压型逆变电路

逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆变电路。

图3-3 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）

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) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。

(3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。 2.3.1 半桥逆变电路

电路结构：见图3-4 工作原理：

V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io波形随负载而异，感性负载时，图5-6b，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向

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负载提供能量，VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。

图3-4 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形

优点：简单，使用器件少

缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几kW以下的小功率逆变电源。

单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。 2.3.2 全桥逆变电路

电路结构及工作情况：

图3-3，两个半桥电路的组合。1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通180°。uo波形同图3-4b。半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud。io波形和图3-4b中的io相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。

输出电压定量分析

uo成傅里叶级数

基波幅值

基波有效值

uo为正负各180º时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。

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移相调压方式（图3-5）。

可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180º正偏，180º反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变。V3的基极信号只比V1落后q ( 0图3-5 单相全桥逆变电路的移相调压方式

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3. 计算机仿真

3.1单项桥式方波逆变电路仿真

设计单相方波逆变电路，开关管选择IGBT，单相方波逆变电路直流电压为300V，阻感负载，电阻1，电感2Mh； 3.1.1单项桥式方波逆变电路

图4-1单项桥式方波逆变电路

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3.1.2单相方波逆变仿真结果分析

将仿真时间设为0.1s，选择ode45的仿真算法，将误差设为1e-5，运行后可得 仿真结果。

途中自上而下位逆变器输出的交流电压，电流和直流侧电流波形。交流电压为正负300V的方波电压，周期与驱动信号同为50Hz。交流电流和直流电流波形有阻感负载的特性所决定。直流电流为负的期间，电流通过反并联二极管流向电源，负载电感的磁场储能向直流母线馈送；直流电流为正的期间，电流通过IGBT流向负载。若为纯电阻负载，则直流电流无波动。

图4-2 单相方波逆变电路仿真波形

根据傅里叶模块，逆变器输出的交流基波电压幅值为381.4V，与理论值相符。

交流电压THD为48.4%。可见，单相方波逆变器输出电压的基波幅值大于直流电压，其电压利用率较高，但同时谐波含量较大，难以满足多数负载的要求。

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总结

电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，是一门实践性和应用性很强的课程。由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析的方法来研究。仿真技术为电力电子电路的分析提供了崭新的方法。我们在电力电子技术课程的教学中引入了仿真，对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。掌握了仿真的方法，学生的想法可以通过仿真来验证，对培养学生的创新能力很有意义，并且可以调动学生的积极性。实验实训是本课程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有限的，也受到学时的。而仿真实训不受时间、空间和物质条件的，学生可以在课外自行上机。仿真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用。

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参考文献

1 宏乃刚，电力电子技术基础，清华大学出版社，2007 2 王兆安，电力电子技术，电子工业出版社，2003

3 谢卫，电力电子与交流传动系统仿真，机械工业出版社，2009 4 电力电子应用技术的MAYLAB仿真，中国电力出版社，2009

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体会

短短一个周的课程设计就要结束了，在老师细心指导下终于完成任务，虽然在整个课程设计的过程中花费了很多时间和精力，而是在这个过程中学到了很多知识。课设的时间很短，但是这个过程中学到了很多东西，好多原来在课堂上没有学到的知识在这次课设中巩固和加深。

这次课设中最大的收获就是发现了光了解课本知识是不够的，还要善于利用各种工具获得需要的资源，而且加深了对各种知识的理解，也对将来走向社会积累了经验。

由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。 平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。 最后在这里感谢老师的悉心教导！

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