逆变器把直流电变成交流电_毕业设计(编辑修改稿)

逆变器把直流电变成交流电_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

60。 按逆变器开关电路工作方式分，可分为谐振式逆变器，定频硬开关式逆变器和定频软开关式逆变器。 按逆变器换流方式分，可分为负载换流式逆变器和自换流式逆变器。 按逆变器拓扑结构分类有组合式、半桥式和全桥式逆变器。 这里侧重于逆变器拓扑结构的讨论,如图21,为组合式逆变器的电路结构。 图21 组合式逆变器组合式逆变器一般由三个相同的单相低频环节或高频环节逆变器星形联结构成,且能够实现单相和三相四线制供电。 由于三个单相逆变器是相互独立的,因此具有极强的带不平衡负载能力,并且可以实现各相的独立控制(只要以某一相为基准,其它两相分别滞后2/3和超前2/3即可)。 该电路的优点是控制简单、易于模块化、具有N+1个模块冗余技术,而缺点是元器件数较多、成本高。 图22给出了三相半桥式逆变器拓扑结构。 这种拓扑结构存在直流侧中点电压偏移问题,需要保证直流侧的两个串联电解电容足够大,才能够实现两个电容上平均分担直流电压。 与三相全桥拓扑结构相比,三相半桥的直流电压利用率低,并且功率主开关管承受的电压应力相对较大。 三相半桥的也具有较强的带不平衡负载能力,但这会大大增加系统的体积和重量。 图22 三相半桥逆变器 三相全桥式逆变器的拓扑结构如图23所示,由于其具有电路结构简单、易于控制和主开关管承受的电压应力低等优点,在并网逆变器中而得到广泛采用,但是其缺点是其带不平衡负载的能力较弱。 图23 三相全桥逆变器 逆变器的工作原理[4]用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路，但在三相逆变电路中，应用最广的还是三相桥式逆变电路，采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路如图23所示的直流侧通常只有一个电容器件就可以了，但为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出了假想中点，和单相半桥、全桥逆变电路相同，电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是180176。 导通方式，即每个桥臂的导通角为180176。 ，同一相即同一半桥的上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度一次相差120176。 ，这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通，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的，因此也被称为纵向换流。 下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形，对于U相来说，当桥臂1导通时，当桥臂4导通时， 因此，的波形是幅值为的矩形波。 V、W两相的情况和U相类似，、的波形形状和相同，只是相位一次相差120176。 负载线电压可由下式求出 （21） 该负载中点N与直流电源假想中点之间的电压为，则负载各相的相电压分别为 （22）把上面各式相加并整理可求得 （23）设负载为三相对称负载，则有，故可得 （24） 的波形为矩形波，但其频率为频率的3倍，幅值为其1/3，即为。 且的波形形状相同，只是相位一次相差120176。 负载参数已知时，可以由的波形求出U相电流的波形。 负载的阻抗角不同，的波形和相位都有所不同，桥臂1和桥臂4之间的换流过程和半桥电路相似，上桥臂1中的从通态转换到断态时，因负载电感中的电流不能突变，下桥臂4中的先导通续流，待负载电流降到零，桥臂4中的电流反向时，才开始导通，负载阻抗角越大，导通时间就越长。 的上升段即为桥臂1导电的区间，其中时为导通，的下降段即为桥臂4导电的区间，其中时为导通。 可知，、的波形和形状相同，相位一次相差120176。 把桥臂5的电流加起来，就可得到直流侧电流的波形，每隔60176。 脉动一次，而直流侧电压基本是无脉动的，因此逆变器从电网侧向直流侧传送的功率是脉动的，且脉动的情况和脉动情况大体相同，这也是电压型逆变器的一个特点。 下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析，把输出线电压展开成傅里叶级数得： （25）式中，k为自然数输出线电压有效值为： （26）其中基波幅和基波有效值分别为 （27） （28）下面再来对负载相电压进行分析，把展开成傅里叶级数得： （29）式中，k为自然数负载相电压有效值为 （210）其中基波幅值和基波有效值分别为 （211） （212）在上述180176。 导电的方式逆变器中，为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起的直流电源的短路，要采取“先断后通”的方法，即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间，死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就可以越短，这一“先断后通”的方法对于工作在上下桥臂通断互补方式下的其他电路也是适用的，显然，前述的单相半桥和全桥逆变电路也必须采取这一方法。 基于LCL滤波器的PWM逆变器数学模型LCL 滤波的高频PWM逆变器拓扑结构如图24 所示。 逆变器侧是三个电阻为，电感为L 的电抗器，网侧是三个电阻为 ，电感为 的电抗器，网侧电抗器和逆变器侧电抗器之间是三个星型联结的电容器。 电抗器 L 除滤波外，还具有升压及能量交换功能， 、 用于滤除高次谐波，满足电网对电流谐波的要求。 图24 基于LCL 滤波的三相高频PWM 逆变器拓扑结构取单相LCL 滤波的PWM 整流器结构进行分析:图25 LCL 滤波器的单相拓扑结构可得其在连续静止坐标系下的数学模型为： （213） （214） （215）式中： ——电网电压、电容器电压、整流器侧控制电压——电网侧电流、电容器电流、整流器侧电流由式（213），（214），（215）及前面开关函数的定义，可以推出LCL 滤波的三相PWM 整流器在三相电网电压对称情况下的开关数学模型： （216） （217） （218） 式中：C ——整流器直流侧电压、负载电阻及支撑电容根据KCL、KVL 得到三相静止abc 坐标系下各相方程：a相： （219）b相: （220）c相: （221）式中： ——三相电网侧交流电压 ——三相滤波电容上的电压 ——整流器交流侧的三相电压 ——三相电网侧交流电流 ——整流器交流侧的三相电流经过整理可得采用LCL 滤波器的状态方程: （222）可以看出，三相LCL 滤波器的状态空间方程为9 阶的状态方程，对这样一个高阶被控系统来说，如果不采用一定的方法进行降阶处理的话，则很难设计控制器。 因此，对此状态方程进行abc→αβ 变换，按照式（216），（217）的转换矩阵，可得αβ坐标系下的LCL 滤波器状态空间方程为： （223） 然后进行αβ →dq根据式（220），（221）的变换矩阵，可得dq坐标系下的LCL滤波器状态空间方程为： （224）式中:——三相电网电压的基波角频率 ——三相电网电压矢量的d，q 轴分量——三相滤波电容电压矢量的d，q 轴分量——整流器交流侧电压矢量的d，q 轴分量 ——三相电网电流矢量的d，q 轴分量——整流器交流侧电流矢量的d，q 轴分量 由式（224） 所示的LCL 滤波器的结构框图。 控制的目的是给出正确的控制矢量,使网侧电流与电压同相位。 可以看出，基于LCL 滤波器的PWM整流器是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 锁相环节的工作原理逆变器输出电压电流同频同相才能并网供电，所以控制器的设计中都要设置锁相环节。 锁相环路是一种反馈电路，锁相环的英文全称是PhaseLocked Loop,简称PLL。 其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。 因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。 锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。 在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。 因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。 因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。 锁相环的基本结构： 锁相环路是一个相位反馈自动控制系统。 它由以下三个基本部件组成：鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）。 其组成方框图如下所示。 图26 锁相图的基本方框图锁相环的工作原理： 1. 压控振荡器的输出经过采集并分频； 2. 和基准信号同时输入鉴相器； 3. 鉴相器通过比较上述两个信号的频率差，然后输出一个直流脉冲电压； 4. 控制VCO，使它的频率改变； 5. 这样经过一个很短的时间，VCO 的输出就会稳定于某一期望值。 锁相环可用来实现输出和输入两个信号之间的相位同步。 当没有基准（参考）输入信号时，环路滤波器的输出为零（或为某一固定值）。 这时，压控振荡器按其固有频率fv进行自由振荡。 当有频率为的参考信号输入时，和同时加到鉴相器进行鉴相。 如果和相差不大，鉴相器对和进行鉴相的结果，输出一个与和的相位差成正比的误差电压ud，再经过环路滤波器滤去中的高频成分，输出一个控制电压,将使压控振荡器的频率（和相位）发生变化，朝着参考输入信号的频率靠拢，最后使=，环路锁定。 环路一旦进入锁定状态后，压控振荡器的输出信号与环路的输入信号（参考信号）之间只有一个固定的稳态相位差，而没有频差存在。 这时我们就称环路已被锁定。 环路的锁定状态是对输入信号的频率和相位不变而言的，若环路输入的是频率和相位不断变化的信号，而且环路能使压控振荡器的频率和相位不断地跟踪输入信号的频率和相位变化，则这时环路所处的状态称为跟踪状态。 锁相环路在锁定后，不仅能使输出信号频率与输入信号频率严格同步，而且还具有频率跟踪特性，所以它在电子技术的各个领域中都有着广泛的应用。 逆变器的SPWM调制方式分析SPWM(正弦脉宽调制)是调制波为正弦波，载波为三角波的一种脉宽调制法，这项技术的特点是原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多种作用，是一种比较好的波形改善法。 它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。 SPWM可分为双极性SPWM调制，单极性SPWM调制和单极性SPWM倍频调制三种，半桥逆变电路只能使用双极性SPWM调制而全桥逆变电路则三种调制方式均用[10]。 双极性SPWM调制方式的原理如图22所示，图中调制波，幅值为，频率。 载波为全波三角波，频率为,幅值为。 同时定义调制比为正弦调制波的辅助与三角载波的幅值之比，频率比为三角载波与正弦调制波的频率之比。 图27 双极性SPWM调制原理由上图可见，当时，开关管TT4 导通而TT3截至，桥臂中点间电压；当时，开关管TT4截止而TT3导通，桥臂中点间电压。 通过上述过程，就将输入的直流电压转变为脉宽按正弦规律变化的正弦脉冲序列。 下面是单极性SPWM调制方式的原理：图23为单极性SPWM调制原理图，这种调制方式使用半波三角波作为载波，当大于零时，载波为正的半波；当小于零时，载波为负的半波。 在双极性调制中，四个开关管都工作在高频状态，而在单极性调制中，一对开关管工作在高频状态，而另一对开关管工作在低频状态。 当时，T3一直截止而T4一直导通，此时当时，开关管T1导通而T2截至，桥臂中点间电压；当时，开关管T1截止而T2导通，桥臂中点间电压。 当时，T3一直导通而T4 一直截止，此时当时，开关管T1导通而T2截至，桥臂中点间电压；当时，开关管T1截止而T2导通，桥臂中点间电压。 从上述过程中看出，在输出波形中包含有，0和三个状态，因此这种调制方式也被称为三态调制（对应得，双极性调制也被称为两态调制）图28 单极性SPWM。