电压型无源逆变器的设计与仿真

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1、电压型无源逆变器的设计与仿真一设计要求1）完成电压型无源逆变器的设计、仿真；2）设计要求：输入：DC100V； 输出：AC60V，50Hz设计合理的滤波电路，使输出负载电流接近正弦波。计算其主开关器件所承受的最大正反向电压，器件的额定电流，并建立合适的仿真模型，对主电路进行仿真。然后根据电压型无源逆变器的驱动控制要求，设计其控制电路，产生符合电路驱动所要求的触发波形。二题目分析 无源逆变的作用：无源逆变电路主要用在变频领域。把某种固定频率的电能转变为另一种固定频率或频率可调节的电能称为变频，这种变换通常有两种方式：一种是先把交流电能转变成直流电能，然后再把直流电能转换成固定频率或频率可调的交流

2、电能，这种通过中间直流环节的变频叫间接变频，也被叫作交-直-交变频；另一种方式是不通过中间环节而实现直接变频，叫直接变频，也被称为交-交变频。交-直-交变频中交-直的过程就是整流的过程，而直-交的过程就是无源逆变的过程。由此可知许多变频电路就是由整流电路和无源逆变电路构成的。无源逆变器输出的电压或电流除了频率可以调节外，幅值也可以调整。 无源逆变的特点：从总体上讲，逆变电路的功率流向是从直流侧到交流侧，但在逆变过程中也有从交流侧到直流侧的过程，即在逆变过程中包含了整流过程，因此设计逆变器时必须保证它能够在4个象限工作。电压型逆变电路的输出波形可能是电压方波，也可能是PWM波。单向方波型电压逆变

3、器电路的类型：输出电压为方波的逆变器叫方波型无源逆变器，方波型逆变器有两种主要的工作方式，逆变器不调节输出电压的幅值，只调节输出电压的频率，输出电压的幅值完全由输入端的直流电压决定。还有一种工作方式就是逆变器在调节输出电压频率的同时还要调节输出电压的幅值。 电压型无源逆变器有半桥逆变电路，也有全桥逆变电路，我们选用的是全桥逆变电路。电压型全桥逆变电路的原理图如下。它共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180度。其输出电压u0的波形和半桥电路的波形u0形状相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍。在直流电压和负载

4、都相同的情况下，其输出电流i0也和半桥的i0形状相同，仅幅值增加一倍。 在阻感负载时，还可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式称为移相调压。移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。在单相桥式逆变电路中，个IGBT的栅极信号仍为180度正偏，180度反偏，并且V1和V2的栅极信号互补，V3和V4的栅极信号互补，但V3的基极信号不是比V1落后180度，而是只落后（0180).也就是说，V3、V4的栅极信号不是分别和V2、V1的栅极信号同相位，而是前移了180-。这样，输出电压u0就不再是正负各180度的脉冲，而是正负各为的脉冲，由于输入为DC100V，输出幅值也是100V，要使输出

5、有效值是AC60V，50Hz，可以使=108，这样可以使输出电压有效值为60V。各IGBT的栅极信号uG1uG4及输出电压u0、输出电流i0的波形如下图所示。下面对其工作进行具体分析。(100Vx)/0.01s=60VX=0.006s(100Vx)/180=60Vx=108设在t1=0.006时刻前V1和V4导通，输出电压u0为Ud=100V,t1时刻V3和V4栅极信号反向，V4截止，而因负载电感中的电流i0不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流。因为V1和VD3同时导通，所以输出电压为零。到t2时候V1和V2栅极信号反向，V1截止，而V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道

6、，输出电压为-Ud。到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，u0仍为-Ud。t3时刻V3和V4栅极信号再次反向，V3截止，而V4不能立刻导通，VD4导通续流，u0再次为零。以后的过程和前面类似。这样，输出电压u0的正负脉冲宽度就各为=108。改变，就可以调节输出电压。在纯电阻负载时，采用上述移相方法也可以得到相同的结果，只是VD1VD4不再导通，不起续流作用。在u0为零期间，四个桥臂均不导通，负载也没有电流。显然，上述移相调压方式并不适用于半桥逆变电路。不过在纯电阻负载时，扔可采用改变正负脉冲宽度的方法来调节半桥逆变电路的输出电压。这时，上下桥臂的栅极信号不再各是1

7、80度正偏、180反偏并且互补，而是正偏的宽度为108、反偏的宽度为180-，二者相位差180度。这时输出电压u也是正负脉冲的宽度各为。三主电路设计、元器件选型及计算：主电路的原件：输入直流电压源对应的模板为v_dc，其ref属性值为vdc，dc_value属性值为100。 输入电容对应的模板为c，其ref属性值为cin，属性值c为1u。本课题由于使用的是软件仿真，输入为理想直流源，故省略输入电容。 在设计中放置一个电感，电感值为88mH，放置一个电阻，其阻值为30。在设计中放置4只180NQ045二极管，该元件为MAST元件，为Motorola公司的产品，其属性值接受默认值。在设计中放置4只

8、与igbt模板对应的IGBT元件，ref属性分别为IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4，这4只IGBT的其它属性值完全相同。在触初级模拟阶段，IGBT可以用一只开关管来代替。其效果与直接使用IGBT相同。IGBT1属性值接受默认值，不做修改。以上部分内容是Motorola公司公布的资料。 本设计中IGBT的两端电压最大值为50V，器件选型时注意选择符和要求的器件。四主电路仿真分析输出电压波形仿真图输出电流波形仿真图五控制电路设计 控制电路的原理：在设计中放置2个与v_clock模板对应的时钟电压源，CLK1的属性值为initial为0，pulse为12，period为20m，tr为1

9、00n，tf为100n，width为wd，clock_delay为0，start_delay为0，其余属性值均设置为0。CLK2的start_delay属性值为10m，其它属性值与CLK1的属性值相同。 数字信号的延时元件。在设计中放置两个与buf_l4模板对应的元件。该元件模板的tplh和tphl属性值模拟了数字电路的延时特性。本设计中将tplh设置为1n。 在设计中放置4只与id_d2a模板对应的元件，其saber_model属性值均设置为：von 20，vol 0，vxh 6，vxl 5，tr 100n，tf 100n，tdon 2n，tdoff 2n，rout 0。它确定了数字量转换为

10、模拟电气量的规则。在设计中放置4只电阻，它们的阻值均为50。在设计中放置2个与vcvs模板对应的电压控电压源，ref属性值分别为VG1和VG2，k属性值均为1。六、控制电路仿真分析V2的波形仿真图V3的波形仿真图V4的波形仿真图V5的波形仿真图七设计总结通过这一个星期的课程设计，我们小组成员试着将电力电子技术课程中学到的基础理论知识与课本上现成的一些知识，用到实际设计工作中去，从而设计出满足条件的电力电子电路，并进行设计的仿真验证，在测得各器件的电流电压后，根据相关主电路的开关器件的选型办法确定各个器件，根据控制电路的控制要求设计符合条件的控制电路。通过这次对电压型无源逆变器的设计计算与仿真及

11、其相关电力电子变换的控制电路的设计，加深了我对电力电子技术的四种基本变换整流、逆变、直直变流、交交变流的工作原理的理解，特别是与本设计课题密切相关的逆变。同时，通过本次课程也锻炼我独立设计与分析以及讨论交流的能力。在设计过程中也出现了不少的问题。比如我们起初将题目理解错误试着把输出的电压波形也试着进行滤波。后来用画图工具ORCAD时也遇到了一些问题，而且由于操作不当使得软件关闭了无数次，甚至在单击保存时也出现了关闭程序的情况。但是我们并没有放弃，一次次的重新画原理图，一次次的探索问题的所在，终于功夫不负有心人，我们顺利完成了原理图的设计与仿真，并得到了理想的仿真波形。经过这场软件风波，让我明白

12、了一个道理，急是不能解决问题的，必须沉着应对，仔细思考，勇于实践。一百发箭总有一发要中吧。如同从量变到质变是一个道理。下面谈谈我们的课题设计步骤，选定课题后，按照技术指标进行课题分析计算，得出相关电力电子变换的主电路，并设计相关电力电子变换的控制电路，并用ORCAD软件绘制完成本课题的主电路图设计。然后根据仿真结果完成主开关器件的选型，确定开关器件的型号，至此本课程设计暂告一段落。另外，感谢汤老师的指导，使我们少走了不少弯路。感谢小组成员的积极配合，我们能快速得完成。参考文献： 1 王兆安编著.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2004年5月. 2 邱关源，罗先觉主编.电路.5版.北京：高等教育出版社，2006.5.7