畢業(yè)設(shè)計(jì)精品]3KVA直流逆變器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì).doc

XXX電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1直流逆變器設(shè)計(jì)1概論所謂的SPWM波形就是與正弦波形等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形如圖1所示，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等逆變器是將直流變?yōu)槎l定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電的變換器，傳統(tǒng)方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路實(shí)現(xiàn)，但由于其含有較大成分低次諧波等缺點(diǎn)，近十余年來(lái)，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，全控型快速半導(dǎo)體器件BJT，IGBT，GTO等的發(fā)展和PWM的控制技術(shù)的日趨完善，使SPWM逆變器得以迅速發(fā)展并廣泛使用。PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過(guò)控制電壓脈沖寬度和周期以達(dá)到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)，SPWM控制技術(shù)又有許多種，并且還在不斷發(fā)展中，但從控制思想上可分為四類，即等脈寬PWM法，正弦波PWM法（SPWM法），磁鏈追蹤型PWM法和電流跟蹤型PWM法，其中利用SPWM控制技術(shù)做成的SPWM逆變器具有以下主要特點(diǎn)：（1）逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響。（2）可獲得比常規(guī)六拍階梯波更接近正弦波的輸出電壓波形，低次諧波減少，在電氣傳動(dòng)中，可使傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈沖的大大減少，擴(kuò)大調(diào)速范圍，提高系統(tǒng)性能。（3）組成變頻器時(shí)，主電路只有一組可控的功率環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，由于采用不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)接近于1，且與輸出電壓大小無(wú)關(guān)。1.1SPWM逆變器原理1.1.1SPWM波形所謂的SPWM波形就是與正弦波形等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形如圖1-1所示，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如圖把一個(gè)正弦波分作幾等分（如圖1-1a中，n=12）然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替。XXX電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2tt圖1-1與正弦波等效的等幅不等寬矩形脈沖序列波矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合（如圖1-1b），這樣由幾個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波等效，稱作SPWM波形。同樣，正弦波的負(fù)半周也用同樣的方法與一系列負(fù)脈沖波等效。圖1-2為SPWM濾波線為等效正弦波UmSin1t,SPWM脈沖序列波的幅值為Us/2,各脈沖不等寬，但中心間距相同為/n，n為正弦波半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，令第i個(gè)矩形脈沖寬度為i,其中心點(diǎn)相位角為i，則根據(jù)面積相等的等效原則，可分成)(sin)2/(12/2/ttdUUiimsi)2cos()2cos(nnUiimimnUsin2sin2當(dāng)n值較大時(shí)：nn22sinsimnUU/sin2這就是說(shuō)，第i個(gè)脈沖的寬度與該處正弦波值近似成正比，因此半個(gè)周期正弦波的SPWM波是兩側(cè)窄，中間寬，脈寬按正弦規(guī)律逐漸變化的序列脈沖波形。圖1-2單相式SPWM電壓波形1.1.2SPWM調(diào)制及逆變橋工作原理今以SPWM三相逆變橋?yàn)槔M(jìn)行說(shuō)明，SPWM三相逆變器主電路由六個(gè)全控式功率tUm1sinUs/2t1XXX電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)3開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成三相逆變橋，它們各有一個(gè)繼流二極管反并聯(lián)結(jié)，整個(gè)逆變器由三相不可控整流器提供電壓為Us的直流電壓。圖1-3為單極式脈寬調(diào)制波的形式圖。a圖中Ut為等腰三角形的載波，Ura及Ura為正弦調(diào)制波，調(diào)制波和載波的交點(diǎn)決定了SPWM脈沖序列的寬度和脈沖間的間隔寬度，如圖b所示，當(dāng)A相的UraUt時(shí)，VT1導(dǎo)通，輸出正弦脈沖電壓Us/2，當(dāng)UraUt時(shí)，VT1關(guān)斷Uda=0,在Ura負(fù)半周，用同樣方法控制VT4，輸出負(fù)的脈沖電壓序列，改變調(diào)制波頻率時(shí)，輸出電壓基波頻率隨之改變，降低調(diào)制波幅值時(shí)如Ura，各段脈沖的寬度變窄，輸出電壓基波幅值減少。這種SPWM每相只有一個(gè)開(kāi)關(guān)器件反復(fù)通斷，稱單極性SPWM波形。若有同一橋臂上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)交替地導(dǎo)通與關(guān)斷，則輸出脈沖在“+”和“”之間變化，這樣得到雙極式的SPWM波形，如圖4所示，其調(diào)制方法與單極式相似，只是輸出脈沖電壓的極性不同，當(dāng)UraUt時(shí)，VT1導(dǎo)通VT4關(guān)斷，Uao=+Us/2；當(dāng)UrsUt時(shí)VT1關(guān)斷，VT4導(dǎo)通，輸出相電壓Uao=-Us/2,同理VT3和VT6，VT3和VT5交替導(dǎo)通得到UAO，UCO如圖c和d所示，UAB=UAO-UBO，可得逆變器輸出的線電壓波形UAB=f(t)如e所示。圖1-3三相雙極式SPWM波形1.2SPWM波形的分析對(duì)負(fù)載(交流異步電機(jī))來(lái)說(shuō)，有用的是電壓的基波，希望SPWM波形中基波成分越大越好，通過(guò)對(duì)SPWM脈沖序列波U(t)展開(kāi)成付利葉極數(shù)分析可知，輸出基波電壓幅值Um與i有著直接的關(guān)系，它說(shuō)明調(diào)節(jié)調(diào)制波幅值從而改變各個(gè)脈沖寬度時(shí)，可使逆變器輸出電壓基波幅值平滑調(diào)節(jié)。SPWM逆變器輸出脈沖序列波的基波電壓正是調(diào)制時(shí)所要求的等效正弦波，當(dāng)然這必須是在滿足n不太小XXX電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)4近似條件下得到的。但SPWM逆變器輸出相電壓的基波幅值有常規(guī)六拍階梯波的86%90%，為彌補(bǔ)這一不足，常在SPWM逆變器的直流回路中并聯(lián)相當(dāng)大的濾波電容，以提高逆變器的直流電壓Us.由以上分析可知n越大即功率開(kāi)關(guān)器件半周內(nèi)要開(kāi)關(guān)n次，脈沖數(shù)n=N/2，其中N為載波比，即：N=ft/fr=載波頻率/參考調(diào)制波頻率即希望N越大越好。但從功率開(kāi)關(guān)器件本身的允許開(kāi)關(guān)頻率來(lái)看，N不能太大：N功率開(kāi)關(guān)器件的允許開(kāi)關(guān)頻率/最高的正弦調(diào)制信號(hào)頻率上式中分母實(shí)際上就是SPWM變頻器的最高輸出頻率。現(xiàn)常用功率開(kāi)關(guān)頻率如下：BJT（15kHz）GTO(12kHz)MOSFET（50kHz）IGBT（20kHz）隨著全控型快速半導(dǎo)體器件性能價(jià)格比的提高和PWM技術(shù)的日漸完善和新技術(shù)新工藝新材料的使用，SPWM技術(shù)將在電氣傳動(dòng)及電力系統(tǒng)中得到更廣泛的運(yùn)用。XXX電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)52電路原理及設(shè)計(jì)2.1主電路逆變電源采用圖2-1所示主電路。開(kāi)關(guān)管T1T4是IGBT，其規(guī)格為50A/600v。電感L1是4個(gè)IGBT的開(kāi)通緩沖電路，它還能夠抑制二極管反向恢復(fù)時(shí)間引起的短路電流；關(guān)斷緩沖由電阻R、電容C和二極管D并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成；C2折算到變壓器TM1的原邊后與L2一起構(gòu)成交流輸出濾波電路；變壓器用作電路隔離和升壓。系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)控制是利用開(kāi)關(guān)3S來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中開(kāi)關(guān)的兩個(gè)觸頭用于切除或置入充電電阻R0，一個(gè)觸頭用于啟動(dòng)或關(guān)閉控制系統(tǒng)。J是開(kāi)關(guān)3S的欠電壓脫扣線圈，當(dāng)J的電壓低于其規(guī)定值時(shí)，開(kāi)關(guān)脫開(kāi)；如果輸入電源斷電，欠點(diǎn)啊脫扣會(huì)使得開(kāi)關(guān)脫開(kāi)，保證了啟動(dòng)時(shí)充電電阻R0的置入。圖2-1單相逆變器主電路原理圖2.2控制系統(tǒng)該裝置采用了一種數(shù)模結(jié)合的SPWM控制電路，其框圖如圖2所示，它由數(shù)字分頻電路、三角波形成電路、調(diào)節(jié)器、標(biāo)準(zhǔn)正弦波控制電路及PWM形成電路等組成。系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)是為了穩(wěn)定電壓，電流調(diào)節(jié)是為了限制輸出電流。電源的正弦輸出畸變率小于5%，要求不是太高，逆變器的輸出功率1kW也不大。因此，系統(tǒng)僅采用電壓平均值閉環(huán)控制，穩(wěn)定輸出電壓，對(duì)輸出波形采用開(kāi)環(huán)控制，即直接將幅值受控的標(biāo)準(zhǔn)正弦波和三角波比較。下面分析各環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)電路，逐步了解裝置的組成。XXX電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)6圖2-2SPWM控制電路框圖2.2.1數(shù)字分頻電路圖2-3是數(shù)字分頻電路，Y是石英晶體振蕩器，它有穩(wěn)定的震蕩頻率，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到萬(wàn)分之一。該電路選用震蕩頻率1.8432MHz的晶振，它和R1、C1、C2組成頻率信號(hào)產(chǎn)生的電路，得到1.8432MHz頻率信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)字電路CD4017、CD4040處理，輸出兩路頻率信號(hào)。CD4017是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，第7腳的Q3計(jì)數(shù)端引至第15腳的復(fù)位端可以實(shí)現(xiàn)3分頻。CD4040是串行二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，9腳Q1可以得到2分頻，2腳的Q6可以得到2的6次方既64分頻。1.8432MHz的頻率，分頻后三角波頻率為9.6kHz，標(biāo)準(zhǔn)正弦的掃描頻率為102.3kHz。圖2-3數(shù)字分頻電路2.2.2標(biāo)準(zhǔn)正弦波形成電路標(biāo)準(zhǔn)正弦波的長(zhǎng)生是利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的，電路原理如圖2-4所示。XXX電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)7在EPROM中存放的數(shù)據(jù)（十六進(jìn)制）是這樣得到的；將一個(gè)周期的單位正弦波分成N等份，每一點(diǎn)的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上事先離散計(jì)算好在存放進(jìn)去。由于寫(xiě)入的數(shù)據(jù)只能是正值，單位正弦波是和圖4中Uref的波形一致，幅值為1的正弦波。本例中將一個(gè)周期的正弦波分成N=2048份。正弦掃描頻率引入數(shù)字電路CD4040，CD4040的輸出是一組地址掃描信號(hào)送到EPROM的地址線上，EPROM2732中存放的數(shù)據(jù)便依次送到D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，DAC0832將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成斷續(xù)的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)小電容C1（0.1uf以內(nèi)）濾波，得到連續(xù)模擬信號(hào)Uref，峰峰值由IO1端引入的給定電壓Uc決定，電路中Uc來(lái)自調(diào)節(jié)器的輸出。經(jīng)運(yùn)圖2-4標(biāo)準(zhǔn)正弦波形成電路XXX電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)8放LF365處理，可以獲得正負(fù)對(duì)稱、幅值為Uc的標(biāo)準(zhǔn)正弦波SINE。要產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦波的頻率f1=50Hz，那么掃描頻率應(yīng)該為：kHzHzNffh4.1022048501，和前面分頻電路得到的頻率一致。正弦波的頻率由穩(wěn)定度相當(dāng)高的晶振分頻得到，故正弦波的波形畸變率很低；正弦波的幅值受控于給定電壓。因此，該電路是一個(gè)高精度的正弦發(fā)生器。上述電路具有通用性，對(duì)一個(gè)已經(jīng)寫(xiě)好數(shù)據(jù)的EPROM，若改變正弦掃描頻率，可以改變標(biāo)準(zhǔn)正弦波頻率；若改變EPROM中的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)不同的PWM調(diào)制策略，如梯形波調(diào)制，注入特定次諧波；若再增加兩套電路，在3個(gè)EPROM中存放相位互差120的數(shù)據(jù)，就可實(shí)現(xiàn)三相SPWM控制。2.2.3三角波形成電路分頻電路提供了三角波頻率信號(hào)，即為9.6kHz的脈沖信號(hào)，應(yīng)用隔直、比例和積分電路即可得到幅值適當(dāng)，正負(fù)對(duì)稱的三角波，其頻率為9.6kHz。2.2.4SPWM形成電路本裝置SPWM形成電路如圖2-5所示，正弦波信號(hào)SINE和三角載波信號(hào)TR來(lái)自前級(jí)電路；TL084是運(yùn)算放大器，一TR由它接成的反向器得到。電路中大量使用了芯片LM311，它是DIP8封裝的快速電壓比較器，不僅可以作為比較器，還可以利用他的特點(diǎn)做脈沖封鎖。下面介紹它的應(yīng)用：8腳、4腳分別接芯片電源的正、負(fù)端；2腳、3腳分別是同向、反向輸入；1腳是低電平設(shè)定（可接電源負(fù)或地），它的電壓值決定了LM311輸出的低電平值；7腳為輸出端，邏輯判斷為“高電平”時(shí)，集電極開(kāi)路（OC門(mén)特性），因此，7腳必須有上拉電阻同正電源連接，否則，沒(méi)有高電平輸出，圖中的R1、R2、R3、R4等都是上拉電阻；5、6腳用來(lái)調(diào)節(jié)輸入平衡（可不用），6腳還可以用作選通，如果LM311的6腳接低電平。其輸出恒為高電平，這個(gè)特點(diǎn)往往用來(lái)設(shè)置脈沖封鎖。該系統(tǒng)設(shè)置PWM信號(hào)低電平有效，即PWM信號(hào)為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，IGBT導(dǎo)通。Lock為保護(hù)電路輸出的脈沖封鎖信號(hào)；在電路出現(xiàn)故障時(shí)，lock的低電平送到后級(jí)各個(gè)LM311的6腳，使所有PWM為高電平封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖。如果不利用LM311封鎖驅(qū)動(dòng)，也可以設(shè)置PWM高電平有效，取消后級(jí)的LM311。XXX電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)9圖2-5SPWM波形成電路及其波形圖2-5（a）中R1R4，C1C4和Rp還組成了死區(qū)形成電路，參數(shù)大小決定死區(qū)時(shí)間，Rp可以調(diào)節(jié)死區(qū)大小；IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間為2us左右，死區(qū)時(shí)間設(shè)為4us，根據(jù)圖2-5（a）各個(gè)比較器的輸入信號(hào)和比較器性能，結(jié)合圖2-5（b）不難得出圖2-5（c）所示的單極倍頻電壓波形，利用兩個(gè)反向的三角載波與一個(gè)正弦調(diào)制波比較，同樣實(shí)現(xiàn)了單極倍頻的SPWM調(diào)制。2.3驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)50A/600V的IGBT可選用東芝公司生產(chǎn)的光電耦合器TL250，它是具有驅(qū)動(dòng)能力的快速光耦。