无源逆变的工程应用 课程设计

无源逆变器的工程应用-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）逆变器的设计与仿真输入：DC100V ； 输出：AC60V ，50Hz

设计分析 ：理想的逆变器，从直流变到交流的功率总是一定的值而没有脉动，直流电源波形和电流波形中也不应该产生脉动; 而在实际的 逆变电路中，因为逆变器的脉动数等有限制，因而逆变功率P 是脉动的。当逆变器的逆变功率p 的脉动波形由直流电流来体现时，称之为电压型逆变器. 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u 0的波形和半桥电路的波形u 0形状相同，也是矩形波，但其幅值高

出一倍。在直流电压和负载都相同的情况下，其输出电流i 0也和半桥的i 0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V 1和V 2的栅极信号互补，V 3和V 4的栅极信号互补，但V 3的基极信号不是比V 1落后180度，而是只落后θ（0

V 3、V 4的栅极信号不是分别和V 2、V 1的栅极信号同相位，而是前移了180-

θ。这样，输出电压u 0就不再是正负各180度的脉冲，而是正负各为θ

的脉冲，由于输入为DC100V ，输出幅值也是100V ，要使输出有效值是AC60V ，50Hz ，可以使θ=108，这样可以使输出电压有效值为60V 。各IGBT 的栅极信号u G1～u G4及输出电压u 0、输出电流i 0的波形如下图所示。

下面对其工作进行具体分析。

(100Vx)/0.01s=60V

X=0.006s

(100Vx°)/180°=60V

x=108

设在t 1=0.006时刻前V 1和V 4导通，输出电压u 0为U d =100V,t1时刻V 3和V 4栅极信号反向，V 4截止，而因负载电感中的电流i 0不能突变，V 3不能立刻导通，VD 3导通续流。因为V 1和VD 3同时导通，所以输出电压为零。到t 2时候V 1和V 2栅极信号反向，V 1截止，而V 2不能立刻导通，VD 2导通续流，和VD 3构成电流通道，输

出电压为-U d 。到负载电流过零并开始反向时，VD 2和VD 3截止，V 2和V 3开始导通，

u 0仍为-U d 。t 3时刻V 3和V 4栅极信号再次反向，V 3截止，而V 4不能立刻导通，VD 4导通续流，u 0再次为零。以后的过程和前面类似。这样，输出电压u 0的正负脉冲

宽度就各为θ=108°。改变θ，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VD 1～VD 4不再导通，不起续流作用。在u 0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180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-θ，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θ。

三

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100n ，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50Ω。

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

逆变电源就是相对于整流器而言通过半导体功率开关器件的开通和关断把直流电变换成交流电的这么一个装置。逆变电源也叫做逆变器。逆变器（Inverter ，逆向变压器件）是一种直流到交流（DC to AC）的变压器，可将可变直流输出转换成清洁220V 正弦 50Hz 或 其他类型交流电，可用于各类设备，最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。广泛用在通讯、工业设备、卫星通信设备、军用车载、医疗救 护车、警车、船舶、太阳能及风能发电领域。

通过这一个星期的课程设计，我们将课程中学到的基础理论知识与课本上现成的一些知识，用到实际设计中去。通过这次对电压型无源逆变器的设计计算与仿真及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。