移相調(diào)壓階梯波合成逆變器的研究碩士學(xué)位論文(已修改)

　

【正文】 分類(lèi)號(hào) 學(xué)號(hào) 2003611310066學(xué)校代碼 10487 密級(jí) 碩士學(xué)位論文移相調(diào)壓階梯波合成逆變器的研究A Thesis Submitted in Fulfillment of the RequirementsFor the Degree of Master of ScienceResearch on staircase waveform inverterswith phaseshifted control technologyCandidate: Xiong ZhaochunMajor : Power Electronics and Electric DriveSupervisor: Professor Li XiaofanHuazhong University of Science amp。 TechnologyWuhan 430074, April, 2006 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律效果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密□，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)。不保密□。 本論文屬于 （請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“√”） 學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日65摘 要傳統(tǒng)的大功率逆變電源一般采用SPWM調(diào)制方式，這種方式開(kāi)關(guān)損耗大，效率低，電磁兼容性差，采用多重疊加方式的逆變電源有效的克服了上述缺點(diǎn)。由于逆變器本身不具備調(diào)壓功能，需要增加一級(jí)變換器實(shí)現(xiàn)直流環(huán)節(jié)調(diào)壓或者通過(guò)兩臺(tái)逆變器移相調(diào)壓。常用的可控整流調(diào)節(jié)方式輸入端低次諧波比較嚴(yán)重、動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，而高頻DC－DC變換調(diào)壓則會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)高頻干擾。移相調(diào)壓方式通過(guò)改變兩臺(tái)輸出電壓的相位差角，達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)輸出電壓，它本身不改變階梯波逆變器的低頻開(kāi)關(guān)工作方式，因而高頻干擾低，同時(shí)又能快速調(diào)節(jié)輸出電壓，達(dá)到較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。本文首先分析了移相調(diào)壓階梯波合成逆變器工作原理，并對(duì)移相角與輸出各次諧波的幅值，THD的關(guān)系做了詳細(xì)的理論分析。根據(jù)逆變電源的實(shí)際電路結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出了電源的動(dòng)態(tài)模型，并利用該動(dòng)態(tài)模型討論系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，確定了調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)運(yùn)用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。，詳細(xì)分析設(shè)計(jì)了功率電路和控制電路。最后對(duì)所設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行了試驗(yàn)，給出了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和波形。，證明了采用移相調(diào)壓階梯波合成方案，控制電路簡(jiǎn)單，波形質(zhì)量較好，從而為該技術(shù)在大功率場(chǎng)合下的應(yīng)用做了技術(shù)儲(chǔ)備。關(guān)鍵詞: 逆變器 階梯波合成 移相調(diào)壓 CPLDAbstractThe basic advantages of multilevel inverters with staircase wave superposition technology are its simplicity for hardware realization and that their switching frequency is lower than a traditional SPWM inverter, which means they have reduced switching losses, increased system efficiency and reduced EMI emission. In phaseshifted control model, by changing the phase angle of the two inverters, the output required fundamental voltage can be controlled without additional higher order harmonics and the fine dynamic performance can be achieved.At the point of keeping the quality of the output waves, staircase wave superposition scheme with phaseshifted control technology has a simple adjusting voltage circuit and the system with this technology has a good reliability. Its principle is analyzed in this paper, and the relation of phase shifted angle, the amplitude of each harmonic content and the THD is also analyzed in detail. Then the system is simulated in MATLAB. In the end，this paper analyses and designs the power and the control circuit by taking a inverter for an exampleIt is proved that the scheme of the staircase wave superposition technology with phaseshifted control technology has several advantages, through the developing of the 2KVA inverter. Its control circuit is very simple, and the quality of the output waves is very high. Accordingly this technology can be taken as a repertory used in high power condition.Keywords: Inverter Staircase wave superposition Phase shift control CPLD目 錄摘 要 IAbstract II1 緒論 (1) (5) (8)2 移相調(diào)壓12階梯波逆變器原理 12階梯波逆變器原理 (10) (14) (15) (20) (30)3逆變電源主功率電路分析 (31) (31) (32) (35) (41)4控制電路部分設(shè)計(jì) (42) CPLD及設(shè)計(jì)工具介紹 (44) CPLD實(shí)現(xiàn)12階梯波逆變器的控制電路 (47) (51)5 試驗(yàn)結(jié)果 (52) (57)全文總結(jié) (58)致 謝 (60)參考文獻(xiàn) (61)附錄(攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文目錄) (64)1 緒論 電力電子技術(shù)概述由于當(dāng)今社會(huì)對(duì)電能的普遍應(yīng)用以及節(jié)約能源的緊迫要求，電力電子技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位和作用越來(lái)越突出。尤其是80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)取得了飛速發(fā)展，開(kāi)關(guān)器件性能不斷改善，容量不斷增大，以PWM控制為代表的、采用數(shù)字控制的電力電子裝置性能日趨完善。目前，電力電子技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化、電機(jī)傳動(dòng)、新能源、航天、激光、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，是國(guó)家工業(yè)發(fā)展不可缺少的一門(mén)基礎(chǔ)和實(shí)用技術(shù)，它給現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響[1]。 電力電子技術(shù)的構(gòu)成及發(fā)展現(xiàn)代電力電子技術(shù)是一門(mén)新興的高新技術(shù)學(xué)科，是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的學(xué)科。事實(shí)上，早在二十世紀(jì)初期，電力電子技術(shù)就已經(jīng)出現(xiàn)了。但真正意義上的電力電子技術(shù)的革命卻開(kāi)始于1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell laboratories）發(fā)明可控硅和1958年GE（General Electric）公司使晶閘管的成功商業(yè)化。從此，電力電子技術(shù)開(kāi)始得到真正的應(yīng)用與發(fā)展，成為一門(mén)新興的學(xué)科。1974年，第四屆國(guó)際電力電子會(huì)議首次提出電力電子技術(shù)（或稱(chēng)電力電子學(xué)）的定義，：電力電子技術(shù)是橫跨在電力學(xué)、電子學(xué)及控制學(xué)之間的邊緣學(xué)科[2]。此外，電力電子技術(shù)的發(fā)展還與其他許多基礎(chǔ)學(xué)科有著緊密的聯(lián)系，如微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、拓?fù)鋵W(xué)、仿真技術(shù)、信息處理與通信技術(shù)等等。每一門(mén)學(xué)科或?qū)I(yè)技術(shù)的重大發(fā)展和突破都為電力電子技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的推動(dòng)力[3]。 現(xiàn)代電力電子器件當(dāng)今電力電子器件的發(fā)展速度非常迅速，所謂現(xiàn)代電力電子器件是指以MOS結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的功率MOSFET、IGBT、MOS控制晶閘管（MCT）、集成門(mén)極換流晶閘管（IGCT）、MOS控制整流管（MCD）、功率集成電路（PIC）以及智能功率模塊（IPM）。這些器件的共同特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率高、輸入阻抗高、用電壓控制。因此控制電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率小、可采用集成驅(qū)動(dòng)電路，從而大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，縮小裝置體積，提高系統(tǒng)的效率和可靠性。隨著二十世紀(jì)電能應(yīng)用走進(jìn)了在國(guó)民生產(chǎn)生活的每一個(gè)角落，電力電子技術(shù)得到迅猛的發(fā)展。作為二十一世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，其發(fā)展逐漸進(jìn)入一個(gè)日新月異的階段。作為集電力、電子和控制技術(shù)為一體，并以電力電子器件制造為核心的電力電子技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等領(lǐng)域密切相關(guān)，逐漸成為一門(mén)多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科。當(dāng)今許多高新技術(shù)均與電能的轉(zhuǎn)換和控制密切相關(guān)，而現(xiàn)代電力電子技術(shù)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行精確和快速的變換處理，從而成為其他多項(xiàng)高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展必將導(dǎo)致大幅度降低能耗，節(jié)約用材以及提高效率，并最終為現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。通常認(rèn)為，1956年第一個(gè)晶閘管發(fā)明之日即為電力電子技術(shù)誕生之時(shí)。在之后的近半個(gè)世紀(jì)里電力電子技術(shù)的發(fā)展大體上可劃分為兩個(gè)階段：1957年至1980年稱(chēng)為傳統(tǒng)電力電子技術(shù)階段；1980年至今可稱(chēng)為現(xiàn)代電力電子技術(shù)階段[4]。現(xiàn)代電力電子技術(shù)在器件、電路及控制技術(shù)方面與傳統(tǒng)電力電子技術(shù)相比有如下的特點(diǎn)：集成化。幾乎所有全控型器件都由許多單元胞管子并聯(lián)而成，即一個(gè)器件是由許多子器件所集成。例如一個(gè)1000A的GTO含有近千個(gè)單元GTO，一個(gè)40A的功率MOSFET由上萬(wàn)個(gè)單元并聯(lián)而成，一個(gè)300A的SITH含有5萬(wàn)個(gè)子器件。高頻化。從高電壓大電流的GTO到高頻率多功能的SIT，其工作頻率已從數(shù)千赫到兆赫，這標(biāo)志著電力電子技術(shù)已進(jìn)入高頻化時(shí)代。目前GTO的工作頻率可達(dá)1－2kHz，電力晶體管可達(dá)2－5kHz，功率MOSFET可達(dá)數(shù)百千赫，SIT則可達(dá)10MHz以上。全控化。電力電子器件實(shí)現(xiàn)全控化，也即自關(guān)斷化是現(xiàn)代電力電子器件在功能上的重大突破。無(wú)論是雙極型器件的GTO，GTR，SITH或單極型器件的功率MOSFET，SIT以及混合型器件IGT，MGT，MCT等都實(shí)現(xiàn)了全控化，從而避免了傳統(tǒng)電力電子器件關(guān)斷時(shí)所需要的強(qiáng)迫換流電路。電路弱電化、控制數(shù)字化。全控型器件的高頻化促進(jìn)了電力電子電路的弱電化。PWM電路、諧振變換電路以及高頻斬波電路這些本來(lái)用在弱電領(lǐng)域的電路而今又成為電力電子電路的主要形式。控制這些電路的技術(shù)也逐步數(shù)字化。多功能化。傳統(tǒng)電力電子器件只有開(kāi)關(guān)功能，多數(shù)用于整流運(yùn)行。而現(xiàn)代電力電子器件的品種增多、功能擴(kuò)大、使用范圍拓寬，不但具有開(kāi)關(guān)功能，有的器件還具有放大、調(diào)制、振蕩及邏輯運(yùn)算的功能，因而使電力電子器件多功能化[5]。 電力電子技術(shù)變換技術(shù)電力電子技術(shù)根據(jù)電能的變換形式不同可以分為四大類(lèi)[6]：ACDC變換器：將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，又稱(chēng)為整流器。主要用于充電、電鍍、電解及直流調(diào)速等領(lǐng)域。目前，采用快速自關(guān)斷器件的高頻整流器能達(dá)到功率因數(shù)接近1，正在逐步取代傳統(tǒng)的相控整流器1) DCAC變換器：把直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，又稱(chēng)為逆變器。逆變器的輸出可以是恒頻，如恒壓恒頻（CVCF）電源和不間斷電源（UPS）；也可以是變頻，如各種變頻電源、高頻感應(yīng)加熱、電焊機(jī)電源及交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速等。當(dāng)前逆變器發(fā)展中的研究熱點(diǎn)是輸出波形控制技術(shù)、高頻鏈技術(shù)及軟開(kāi)關(guān)技術(shù)等。2) ACAC變換器：將交流電源的任一參數(shù)（幅值、相位和頻率）加以轉(zhuǎn)換，使之變換為另一種規(guī)格的交流電。輸入和輸出頻率保持不變的稱(chēng)為交流調(diào)壓器，頻率發(fā)生變化的稱(chēng)為周波變換器或變頻器。ACAC變換器目前仍以相控方式為主，主要用于調(diào)溫、調(diào)光及低速大容量交流調(diào)速系統(tǒng)。基于PWM理論的矩陣變換器（Matrix Converter），能在保持功率因數(shù)1的條件下直接進(jìn)行大頻率范圍的交流電能變換，但控制比較復(fù)雜。3) DCDC變換器：用于將一種電壓、電