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双极性DCAC逆变器设计

[日期:2012-07-29]   来源:28毕业论文网  作者:28毕业论文网   阅读:305[字体: ]
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毕业设计(论文)开题报告

题名称 双极性DC/AC逆变器设计
学    院 电气学院
专    业¬¬ 电气工程及其自动化       
定稿日期: 2010年 12月31 日
双极性DC/AC逆变器设计

摘要:风力发电与太阳能发电是从根源解决化石能源日益枯竭,全球气候变暖这个难题的重要手段之一,在新能源中,无论风电还是太阳能发电都要使用到逆变器,将直流电逆变为交流电,本文主要以DC/AC逆变器为基础,完成直流电到交流电的变换。即将直流电,经双极性正弦调制,最终输出交流电。本文主要介绍双极性DC/AC逆变器电路的设计和LC滤波电路设计,并用SABER软件仿真。

关键词:DC/AC逆变器,PWM逆变电路,双极性,LC滤波,SABER
1 文献综述 
随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高,未来世界能源消费量将持续增长,化石能源逐步枯竭[1]。人类将注意力集中在既可以减少化石燃料用量,又可以增加能源供应量的可再生能源上,其中尤以太阳能和风能最令人期待[2]。在新能源发电领域, 光伏发电、风力发电和生物发电都是现在国内外技术和产业的热点,而电力电子的变换器是新能源发电的关键设备[3]。
电力电子技术作为一个学科仅有半个世纪的历史,但由于它对国民经济有明显的作用,受到国内外的普遍重视,因而发展相当迅速[4]。它是应用于电力领域的电子技术,它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科[5]。在大多新能源发电设备中,逆变器又是不可或缺的新型技术。
凡是能将直流电能转换成交流电能的变换电路泛称为逆变电路。在应用中构成静止式交流电源系统。众所周知,在已有的电能生产方式中,化学能电池和太阳能电池都是属于直流电源。当需由这些电源向交流负载供电时就必须经DC-AC变换[6]。
传统的逆变器绝大多数为方波逆变器和准正弦波逆变器。这两种逆变器虽然电路结构简单, 但输出的电能质量较差, 谐波分量大[7]。SPWM逆变器控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波。SPWM控制技术根据控制信号极性的不同分为单极性和双极性两种。单极性SPWM是指在一个载波周期内,逆变桥的输出电压(即两个桥臂中间点电压)只有0和正电压或者0和负电压。而双极性SPWM则是指一个载波周期内,逆变桥的输出电压既有正电压又有负电压[8]。

2 选题背景及其意义
当前开发新能源是世界各国的战略之一,各国争相推广光伏发电的应用。从本世纪开始光伏并网发电应用比例愈来愈大,已经成为光伏发电的发展趋势。不仅如此,并网光伏发电在整个可再生能源技术中也是增长最快的技术,成为世界最关注的发展新能源的技术。太阳能将成为解决未来人类能源需求和减少温室气体排放的重要方式。
此外,燃料电池是本世纪改变人类生活的十大实用技术之一,是本世纪未来的第四代主要发电技术。燃料电池发出的是直流电,其必须通过逆变器将它换成工频交流电才能使用。所以燃料电池发电站的推广应用,为逆变器的大量应用开辟了一条广阔的道路。
DC/AC逆变技术能够实现直流电能到交流电能的转换,可以从蓄电池、太阳能电池等直流电能变换得到质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。DC/AC逆变技术在交流电机的传动、不间断电源(UPS)、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等许多场合得到了广泛的应用。
DC/AC逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用,把直流电能变换成交流电能,因此是一种电能变换装置。由子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,因此转换效率比较高。但转换输出的波形却很差,是含有相当多谐波成分的方波。而多数应用场合要求逆变器输出的是理想的正弦波,因此如何利用半导体功率开关器件的开通和关断的转换,使逆变器输出正弦波和准正弦波就成了DC/AC逆变器技术发展中的一个主要问题。
在中小容量应用场合,双极性单相正弦脉宽调制( Sine PulseWidthModulation, SPWM)逆变是一种常用的逆变技术。由于双极性SPWM逆变器的直接输出电压含有大量的高频谐波,一般采用LC滤波器滤除输出电压中的高频谐波成分,降低输出电压的总谐波畸变( Total Harmonic Dis2tortion, THD)
本课题《双极性DC/AC逆变器设计》在电力系统中有着广泛的应用,是电力电子变换器的重要组成部分。本课题一方面要掌握双极性DC/AC逆变器的工作原理与LC滤波电路。另一方面需要掌握电力电子专业的仿真软件SABER以进行仿真验证。针对控制部分,要求掌握SPWM信号产生的机理和对主电路的交流输出的相位和幅值进行良好的控制,以达到要求。而且其在各个领域都有广泛的应用,具有一定的工程意义。

3 研究内容
3.1 双极性DC/AC逆变LC滤波电路
本次设计采用了单相全桥逆变电路加LC滤波电路。载波信号采用对称三角波,调制波为正弦波,通过两者的比较来控制晶体管开通关断。全桥中的四个二极管的作用为续流。LC滤波电路由串联电感L 和并联电容C组成了逆变器的输出滤波器,作用为对输出电压的谐波进行选择过滤。
 
图3-1电路拓扑
3.2  双极性SPWM逆变电路原理
如图3-2所示。调制波为幅值频率都发生变化的交流正弦波,载波选用对称三角波,(由于对称三角波具有更好的控制灵敏度,所以更受青睐)输出电压是一个多脉冲波组成的交流电压,脉冲波的宽度近似于正弦规律的变化,即相位在一个周期间,脉宽在正负半轴连续的变化,这种PWM控制方式被称为双极性正弦脉冲宽度调制控制。由于通常三角波的幅值是恒定的,因此改变调制波的幅值就相当于改变调制比。从而可以调节输出电压的大小。
 
图3-2 双极性SPWM电压

3.3  死区时间
PWM全桥变换器在应用中有一定的缺陷,由于实际的功率半导体元件不是理想的元器件,在导通或者截止时,开关管上的电流电压不会瞬间升到峰值或降为零,一个桥臂上两个开关管中的一个断开会发生拖尾现象,而另一个已经导通,即为共态导通,会出现直流电源短路。为了避免该现象的出现,在同一个桥臂的两个开关管的导通信号之间必须加上一个死区时间,来解决该现象的发生。
3.4 双极性开关模态分析
与直流变换电路相同,若采用载波电压和调制波电压相比较的方法生成PWM信号,可得相位互补的两列脉冲列,其脉宽随时间按正弦规律变化。若将这两列脉冲列作为全桥电路中 和 的控制脉冲,则逆变桥中 将以载波频率 轮番导通,其输出电压可表为
                                     式3-1
式3-1中 为输出电压, 为方波幅值,上标“0”表示器件T或D处于通态,下图为双极性SPWM逆变电路开关模态
 
图3-3 时序
 
图3-4 模态1                               图3-5模态2
 
图3-6 模态3                               图3-7模态4
3.5直流电压利用率
双极性SPWM逆变电路在调制比小于等于1,载波重复频率远大于调制波频率的条件下,具有线性调压特性,,双极性SPWM输出电压含有K次谐波。因此双极性SPWM逆变电路的直流电压利用率比较低。
3.6功率开关管的设计
功率开关管是主电路变换电路中的可控元件,他的工作情况直接关系到电路的工作特性和有效性。由于功率开关管决定了这个系统的要求:快速、准确、稳定的开关。所以变换电路中功率开关管的选择非常重要。而在本设计DC/AC变换电路中的功率开关管需要能够承受比较高的电压,从而选择型号。
3.7交流输出滤波电路设计
交流输出滤波电路是将正弦逆变输出斩波中的高次谐波滤除掉。由于采用了高频开关技术,输出的正弦波谐波分量主要集中在开关频率附近。本设计采用常K型Γ型低通滤波器如图3-8所示。串臂阻抗 与并臂阻抗 的乘积 ,一旦 、 的值确定后,K为常数、不随频率变化,故称为常K型Γ型低通滤波器。
 
图3-8 LC低通滤波器

3.8  SABER与控制系统仿真
SABER是美国Analogy公司开发、现由Synopsys公司经营的系统仿真软件,被誉为全球最先进的系统仿真软件,也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品,现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准,可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真,这也是SABER的最大特点。SABER作为混合仿真系统,可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真,便于在不同层面上分析和解决问题,其他仿真软件不具备这样的功能。
在模块电路中,我们的反馈控制方法通常比较简单,一般就是一些电阻和电容的组合,但是对更为复杂的控制模式,控制参数的定义难以用模拟电路组合实现,指标间的对应关系也不直观,应用控制系统仿真,便于直观理解以便优化指标,便于转化到数字实现(DSP),而且可以实现一些复杂的控制方
4 工作特色及其难点,拟采取的解决措施
4.1 工作特色及其难点
(1) 本次设计采用了全桥SPWM双极性逆变LC滤波电路,具有更好的稳定性,能使电路可靠运行。双极性控制简单,输出电压具有线性调压性,谐波含量低等优点。
(2) 开关管在实际应用中并不是理想的元器件,它的开通和关断有一点时间,一个桥臂中的两个开关管,其中一个关断时电压与电流并不立刻为零,有拖尾现象,这样会产生直流短路。
(3) 此次设计放弃用MATLAB仿真软件,而使用SABER仿真软件,后者已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准,可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真,这也是SABER的最大特点。
4.2 拟采取的解决措施
(1) 找寻文献和资料,学习双极性DC/AC逆变器有关内容,自己理解融合关键知识点
(2) 在自己学习过程中,如有不清楚的地方可找指导老师帮助,在指导老师的帮助下解决问题。

5 论文工作量及预期进度
2010年12月----2011年1月:收集资料,确定设计系统总体方案,书写开题报告。
2011年1月---- 2011年2月:学习电力电子变换器中逆变部分有关理论。
2011年2月---- 2011年3月:进行方案论证。
2011年3月---- 2011年4月:进行总体调试。
2011年4月---- 2011年5月:编写毕业论文。
2011年5月---- 2011年6月:毕业答辩准备和答辩。
6 预期成果及其可能的创新点
预期成果:完成双极性DC/AC逆变器总体设计,并完成SABER仿真。
可能的创新点:如果实验条件允许,可以进行硬件的调试,DSP开发系统的编程并完成实物
 
参考文献:
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[4]  林渭勋. 现代电力电子技术.   北京:工业出版社,2006
[5]  林渭勋. 现代电力电子技术.   杭州:浙江大学出版社,2002
[6]  冯少辉. 浅谈电力电子技术的应用与发展. 科技资讯, 2010.
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指导教师意见 
                                             指导教师签名:             
                                                      
年   月    日
 
评议小组意见 1、论文选题:□有理论意义;□有工程背景;□有实用价值;□意义不大。
2、论文的难度:□偏高;□适当;□偏低。
3、论文的工作量:□偏大;□适当;□偏小。
4、设计或研究方案的可行性:□好;□较好;□一般;□不可行。
5、学生对文献资料及课题的了解程度:□好;□较好;□一般;□较差。
6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力:
□好;□较好;□一般;□较差。
7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力:
□好;□较好;□一般;□较差。
8、对论文选题报告的总体评价:□好;□较好;□一般;□较差

(在相应的方块内作记号“√”)
二级学院所确定评议小组名单
(3-5人) 
组长:                     、

组员:             、             、              、            
      单位盖章                主管领导签名:        

 年   月   日
评议结论 


评议小组组长签名:

评议小组组员签名:

                                                                       年   月    日
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