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1、XIAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY毕业设计（论文）开题报告题目三电平逆变器硬件电路设计与仿真院（系）电信学院专业_电气工程及其自动化班级050413姓名张天东学号050413124导师毕雪芹2009年3月5日毕业设计（论文）开题报告1.毕业设计（论文）题目背景、研究意义及国内外相关研究情况。电力电子技术是一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的技术。它通过使用电力半导 体器件，应用电路和设计理论及分析开发工具来实现对电能的高效变换的控制。它介于电力、 电子和控制之间，是一门渗透了多种学科理论的综合性交叉学科。电力电子技术主要包括三个 方面的内容：电力电子器件，变流电路
2、和控制电路。并且，随着科学技术的进一步发展，它将 与现代控制理论、材料科学、微电子技术，计算机技术及电机工程等学科产生更加密切的联系1956年，世界上第一只晶闸管诞生了，这标志着电力电子学的诞生。从那时开始到70年代 后期是电力电子的传统发展阶段。在这个时期，器件主要是以半控型器件普通晶闸管为核心， 控制方法则以移相控制为主。它的特点是开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低， 波形改善以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变器的效率较低。到了 20世纪70年代后期， 可关断晶闸管GTO，电力晶闸管GTR及其模块相继投入了实际使用。80年代以后，电力电子 技术与微电子技术得到了结合，各种高频化
3、的全控型器件得以产生，如功率场效应管MOSFET， 绝缘栅双极晶体管IGBT，静电感应晶体管SIT等，电力电子技术进入了高频化阶段。它的特点 是开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM方法为主，体积重量 较小，逆变效率较高。逆变器是整流器的逆向变换装置，它的作用是通过半导体功率开关器件（如SCR，GTO， GTR，IGBT和功率MOSFET模块等）的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能。因此， 这是一种电能变换装置。由于它是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的。 它的转换效率比较高，但转换输出的波形却是一个含有相当多谐波分量的方波。但对多数负载 而言，它
4、们所需要的是正弦波输入。所以，如何通过控制半导体开关器件的开通和关断来使得 逆变器的输出为正弦波或是尽可能性地接近正弦波，就成了一项极为重要的研究课题4。传统的逆变器可以输出两个电平状态，故称为两电平逆变器。它的实现和控制相对简单， 但若把它应用于高压大容量的场合时，当逆变器的开关频率较高时就会产生一些问题，如：开 关损耗增加，电磁干扰加大，谐波分量增多，输出波形变差，电压变化率牛和电流变化率牛过 dtdt大引起开关应力较大等等。在这种背景下，人们提出了多电平逆变器。所谓多电平，指的是逆变器的桥臂上有4个或者更多的电力半导体器件。通过对直流侧的 分压和开关状态的不同组合，多电平逆变器输出的电压
5、波形是由两种电平状态以上的组成的阶 梯波。三电平逆变器的出发点是通过对主电路拓扑结构的改进，使得所有的功率器件能工作在 基频以下，并藉此达到减小开关应力，改善输入波形的目的。随着输出电压电平数的增加，多 电平逆变器的输出波形也就具有了更好的谐波频谱。另外，多电平逆变器每个开关器件所承受 的电压应力较小，并且无需均压电路，并且它们是工作在输出电压的基频以下，开关损耗不大， 因此可以避免前面所述的各种问题。这种电路结构能有效地提高换流系统的耐压能力，降低输 出电压谐波的系统开关损耗。因此，在电力系统的大功率应用中，这是非常好的优点5。2.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施。一.
6、 研究主要内容主要内容：1）研究三电平逆变器的实现方法，分析、掌握该课题总体方案，广泛阅读相 关技术资料，并提出自己的见解。2）掌握三电平逆变器的工作原理，按照设计指标要求设计硬件电路，绘制电 路原理图和PCB板图。3）对设计的硬件系统进行仿真。4）掌握系统调试方法，使系统达到设计要求。二. 研究方案硬件。与传统的两电平逆变器结构相比，首先，三电平逆变器能有效地降低开关频率并减少谐波， 从而减小系统损耗。在输出相同的条件下，三电平逆变器的开关频率仅为两电平逆变器的20%。du第二，它的电压上升率；-只有普通两电平逆变器的一半，这就意味着污染电气性能的电流上升dtdi率；减少了，对电机绝缘性能的
7、损害也会随之减少，从而能延长电机的工作寿命。这对异步电dt动机工作性能是极为有利的。第三，随着电平数的增加，电压变化的减少，主电路电流所含的 脉动成分将会减小，转矩脉动和电磁噪声也会降低。第四，由于与吸收电路有关的电路电压只 有直流侧电压的一半，流入吸收电路的能量会减小，发热量也将随之减少，因此，电路体积就 可以减小一些。最后，当三电平逆变器的负载是中点悬空三相对称的星形负载时，则负载电流 将不会含有3的整数次谐波分量。三电平的拓扑结构有很多，目前常用的主要是基于Nabae方案 拓扑结构上的各种方案软件仿真。MATLAB是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能，使用简单，扩充方便
8、。 它带有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且MATLAB的库函数同用户 文件在形成上是一样的，因此用户文件也可作为MATLAB的库函数来调用，这样，用户就可以 根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高MATLAB使用效率，扩充功能。此外， MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便地实现与其他语言的混合编程。三. 研究方逆变器的控制策略逆变器的控制策略有很多例如。1单脉冲控制2脉宽调制PWM控制方式2.1采用120导 电型正余弦波的SPWM控制方式2.2采用错开90。相位的等腰三角形调制波SPWM控制方式 2.3采用上下两个等腰三角形调制波的PWM控制方
9、法。还有3 SVPWM控制方法。现在比较主 流的为一一一一基于空间电压矢量的控制策略。四. 研究措施：前期，对三电平逆变器的国内外现状做调查，确定研究方向和目的。中期，确定研究方案，设计硬件原理图、PCB图，制出PCB板。后期，焊接元器件，进行硬件调试，和仿真实现主要技术指标：输人直流电压：10001500V；输出相电压：380VAC/50Hz输出功率：15kVA最终，整理资料，撰写论文，准备答辩。3.预期成果形式。三电平逆变器硬件电路原理图，PCB图和仿真结果4. 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作。一重点：其中基于空间电压矢量的控制策略是本文的分析重点。难点：三电平逆变器的MATLAB
10、仿真、三电平逆变器的一个固有缺点-中点电位偏移问题 控制的尝试。三.以开展工作：对现在国内外三电平逆变器的现状做了大概的调查，确定了研究 方向；并提前草拟出了系统的软、硬件框架。5. 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）。第1周第3周：了解和熟悉三电平逆变器系统的工作原理。通过图书馆和上网查 询有关的三电平逆变器资料，注意了解三电平逆变器系统在国内外的发展现状和发 展趋势。根据要求开题报告。第4周第7周：设计出三电平逆变器系统的原理设计图（用 空间电压矢量的控 制策略。第8周第13周：做出硬件系统和MATLAB仿真。第14周第18周：整理资料和书写毕业论文。6. 指导教师意见（对课题的
11、深度、广度及工作量的意见）。指导教师：年 月 日参考文献1张杰，邹云屏，张贤，丁凯.二极管箝位式三电平控制策略研究D.武汉:华中科技大 学,2002. Yo-Han Lee, et al. A Novel PWM Scheme for a Three-Level Voltage Source Inverter with GTO ThyristorsJ IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, No.2, March/April. 19963 刘凤君正弦波逆变器M.北京:科学出版社,20024 倪红 基于SVPWM的中频变频器的研究
12、D.上海:东华大学,2000.5 王长兵 三电平逆变器SVPWM控制算法的研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学,20026 易荣，吴浩烈.三电平逆变器异步电机空间矢量控制技术与仿真研究A.7 吴守箴，臧英杰.电气传动的脉宽调制控制技术M.北京:机械工业出版社,19988 李夙.异步电机直接转矩控制技术M.北京:机械工业出版社,19989 钟彦儒，高永军，曾光采用空间电压矢量PWM方法三电平逆变器研究J.电力电子技 术,2000,1:10-1310 Fei Wang, et al. Sine-Triangle versus Space-Vector Modulation for Three-Level PWM Voltage-Source InvertersJ IEEE Transactions on Industry Application, V)l.38, No.2, March/April. 200211 http:/ http:/ 胡兵三电平逆变器中点控制策略的研究D.上海:同济大学,2002.14 康劲松三电平逆变器交流传动系统及其控制策略D.上海:同济大学,2003.
