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1、摘 要具有逆向变换功能的电路是利用晶闸管将直流电转变成交流电，这种相对于整流的逆向过程叫做逆变，而逆变器则是将原来的直流电转换成所需交流电的一种装置，其应用领域十分广泛，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，随着高频率逆变技术的发展，逆变器性能和逆变技术的应用都进入了崭新的发展阶段。作为逆变装置中最为简单的一种，单相电压型逆变器也在电力电子领域发挥着极其重要的作用。本课题介绍了当前逆变技术的应用，分析了单相电压型逆变器的结构和工作原理，讨论了PWM调制技术实现逆变的方法，构建了相应的数学模型及MATLAB仿真模型，并对其结果进行了分析讨论，最后得出
2、了相关结论。关键词：电压型；逆变器；MATLAB；PWM调制目 录1. 概述12. 逆变技术的应用13. 单相全桥逆变器23.1 概念23.1 电压型逆变电路的特点23.1 逆变电路的分类34. 系统仿真概述34.1 基本概念34.1 系统仿真的实质34.2 系统仿真的作用34.3 系统仿真的方法35. 逆变失败原因45.1 概述45.2 原因46. 基本电路结构及原理46.1 电路结构的原理图及波形分析45.2 单相电压型全桥逆变电路67. 单元电路设计77.1 触发电路77.2 保护电路88. 逆变电路的PWM控制技术及原理98.1 PWM调制基本原理98.2 PWM调制的实现95.3 载
3、波比和调制深度99. 基于MATLAB的仿真及建模109.1 模型建立及电路仿真1010. 仿真结果分析15（一） 纯电阻负载时：15（二） 电感负载时：16（三） 阻感负载RL时：1611. 总结与体会17参考文献18致谢311. 概述所谓“逆变”，就是将直流电能变换成交流电能，逆变技术作为现代电力电子技术的重要组成部分，正成为电力电子技术中发展最为活跃的领域之一，其应用及其广泛。与此同时，随着各个领域对产品性能要求的不断提高，以及越来越多的用电设备对供电电源要求的多元化，由交流电网提供工频交流电源的单一供电方式已经不能满足产品和生产的实际需要。许多产品和电气设备都要求将不同形式的原始输入电
4、能进行变换，以得到幅值和频率等参数符合各自要求的电能形式，如通信电源，弧焊电源，医用电源，感应加热电源，化汽车电源和电动机调速电源等。目前，这些电源都是采用电力电子技术来实现，其中，应用最多的是通过整流和逆变组合的方式实现电能转换。随着电力电子技术的发展，逆变电路具有广泛的应用范围。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。由于电压型逆变电路具有直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；阻感负载时需要提供无功功率，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等特点而具有广泛的应
5、用范围。电压型逆变电路主要用于两方面：笼式交流电动机变频调速系统。由于逆变电路只具有单方向传递电能的功能，故比较适用于稳态运行、无需频繁起制动和加、减速的场合。不停电的电源。该电源在逆变电路的输入端并联接入蓄电池，类似于电压源。2. 逆变技术的应用逆变电路是所有新能源转换系统中最重要的电能变换装置，其主要的作用是利用晶闸管装置将直流电能经过DC-AC逆变器转变为与电网同一频率的交流电能，为实现并网提供电能做铺垫。(1) 交流电机的变频调速通过改变交流电机的电压，电流和频率来控制交流电机旋转速度的变频调速技术和产品，广泛应用在风机、水泵、机床、轧机等领域。在轨道交通牵引领域，变频调速技术解决了之
6、前交流电机调速性能问题，使其在成本、功率质量比、维修保护性能等方面比直流电机优越很多，使得交流牵引技术成为轨道交通牵引动力的主要发展方向。(2) 不间断的电源系统为了保证给用户可靠且优质的持续不断地供电，经常使用不间断电源。不间断电源的核心技术就是将蓄电池中的直流电能逆变为交流电能的逆变技术。(3) 感应加热由于逆变器通过控制开关管能够产生特别高频率的交流电，再利用涡流效应使金属被感应，以达到加热的目的，其典型的应用有中频炉、高频炉及电磁炉等。(4) 开关电源由一种直流电获得其他形式的直流电，包括各种体积小重量轻的高频率开关电源，其中大部分包含了DC-AC高频率内部调制的中间转变过程。(5)
7、变频电源变频电源输出不同于电网频率的恒压，恒频率交流电，它们为电网向采用不同制式的设备供电提供了便利，例如在飞机上设备供电制式为400Hz的交流电为了在地面对这些设备进行调试、实验等工作，就必须采用输出频率为400Hz的变频电源。(6) 电子整流器普通日光灯整流器由于工作在工频电压下，不但效率和功率因数差，而且体积和质量大，采用逆变技术的电子整流器能有效地提高效率和功率因数，并可以大幅度减小体积和质量，实现绿色照明。(7) 有源滤波和无功补偿为了消除电网的谐波污染，抑制谐波电流，提高供电系统的功率因数，对工频交流电网进行有源滤波和无功补偿技术的核心是逆变技术。(8) 家用电器为了节能和改善使用
8、性能，在现代的家用电器中，无不渗透着电力电子技术的最新成就，一些技术含量较高的新产品不断上市，如变频空调、微波炉等。除此之外。逆变电路还有许多的应用，譬如风力发电机的变速恒频率励磁、太阳能发电控制系统以及高压直流输电技术等。逆变技术除了完成将直流电能转换成交流电能最为简单的任务外，更为重要的在于其节能、高效和低耗的优势，在能源短缺的今天，逆变技术显示出其强大的生命力和毋庸置疑的发展前景。3. 单相全桥逆变器3.1 概念单相全桥逆变器有两个桥臂，各个桥臂分别由开关器件和反并联二极管组成，负载连接在两个桥臂的中点。单相全桥逆变器既可组成电压型逆变器，又可组成电流型逆变器。电压型逆变电路，输出电压是
9、矩形波，电流型逆变电路输出电流是矩形波。单相全桥电压型逆变器由两个半桥电路所构成，它是单相逆变电路中应用最多的。根据直流侧电源性质的不同可分为两种形式:直流侧是电压源的称之为电压型逆变电路；直流侧是电流源的则为电流型逆变电路。3.1 电压型逆变电路的特点(1) 直流侧为电压源，或并联大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。(2) 由于直流电压源具有钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位随着负载阻抗的变化而变化。(3) 交流侧为阻感负载时，则需要提供无功功率，直流侧电容起到缓冲无功能量的作用，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能
10、量提供通道，逆变电路每个桥臂并联反馈二极管，也称续流二极管。3.1 逆变电路的分类逆变电路可以分为单相和三相两大类：单相逆变电路大多采用桥式接法，主要有单相半桥逆变电路和单相全桥逆变电路；而三个单相电压型逆变电路则可组成三相电压型逆变电路。4. 系统仿真概述4.1 基本概念所谓系统仿真(system simulation)，就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。4.1 系统仿真的实质(1) 仿真是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无
11、法通过建立数学模型求解时,仿真技术能有效地来处理。(2) 仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映像的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的，这是仿真的主要功能。4.2 系统仿真的作用(1) 仿真的过程也是实验的过程,而且还是系统地收集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。(2) 对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。(3) 通过系统仿真，可以把一个复杂系统降低阶数成若干子系统以便于分析。(4) 通过系统仿真，能启发新的思想
12、或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。4.3 系统仿真的方法系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。由于连续系统和离散(事件)系统的数学模型有很大差别，所以系统仿真方法基本上分为两大类，即连续系统仿真方法和离散系统仿真方法。5. 逆变失败原因5.1 概述逆变运行时，一旦发生换相失败，外部联接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路电路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路的内部电阻很小，会造成很大的短路电流，这种情况称之为逆向变换失败，或逆向变换颠覆。5.2 原因
13、(1) 晶闸管本身出现故障，如不能正常导通或关断。(2) 触发电路工作不可靠或出现故障，如个别相失去脉冲或产生脉冲延时等。(3) 变流器处于逆变状态时，交流电源断相或突然消失，使变流器直流侧丧失了与直流电动势抗衡的直流平均电压。(4) 未能充分考虑变流器交流侧电抗引起的换相重叠角对逆变电路工作情况的影响，导致换相裕量角不足，从而造成换相失败。6. 基本电路结构及原理6.1 电路结构的原理图及波形分析6.2.1 逆变电路的原理框图图 6-1逆变电路原理框图6.2.2 逆变电路图及其波形举例图 6-2如图 6-2所示，是桥式电路的四个桥臂，由电力电子器件及辅助电路组成。(1) 、闭合，、断开时，负
14、载电压为正。图 6-3、闭合，、断开时电路和波形图(2) 、闭合，、断开时，负载电压为负。图 6-4、闭合，、断开时电路和波形图根据分析得知，改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率；电阻负载时，负载电流和的波形相同，相位也相同；阻感负载时，相位滞后于，波形也不同。图 6-5等效图及输出波形(3) 当开关、闭合，、断开时，负载电压为正；(4) 当开关、断开，、闭合时，负载电压为负；如此交替反复进行，在负载上得到了有直流电变换的交流电，的波形由图 b)所示；输出交流电的频率与两组开关的切换频率呈正比例关系，即实现了直流电能到交流电能的逆向变换。5.2 单相电压型全桥逆变电路6.2.1 电路结构
15、特点及分析图 6-6单相电压型全桥逆变电路图由电路图可得，单相全桥逆变电路总共有4个桥臂,也可看成是由两个半桥电路组合而成，两组桥臂交替导通180。输出电压和电流波形和半桥电路波形相同，幅值高出一倍。改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压来实现。可采用移相方法调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各个栅极信号为180正偏，180反偏，且T1和T2互补，T3和T4互补关系不变化。T3的基极信号只比T1落后q ( 0q 180)，T3、T4的栅极信号分别比T2、T1的前移180-q，成为正负各为q 的脉冲，改变q 即可调节输出电压有效值。6.2.2 电压型逆变电路的主要特点(1) 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本没有脉动，直流回路呈现低阻抗状态。(2) 由于直流电压源具有钳位的作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角没有关联，而交流侧输出电流波形和相位随着负载阻抗情况的不同而不同。(3) 交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为
