電力電子課程設(shè)計

淮陰工學(xué)院胡恒強課程設(shè)計報告目錄一 基本現(xiàn)狀及意義1.1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢：1.2 三相逆變器研究設(shè)計的意義：二 任務(wù)書要求2.1、設(shè)計目的：2.2、設(shè)計任務(wù)：三基本原理3.1.三相電壓型逆變電路工作原理3.2.控制電路的設(shè)計四系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1系統(tǒng)總體介紹4.2系統(tǒng)參數(shù)計算五仿真電路六仿真波形分析七實驗總結(jié)一基本現(xiàn)狀及意義1.1國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢逆變技術(shù)的發(fā)展可以分為如下兩個階段：1956-1980年為傳統(tǒng)發(fā)展階段，這個階段的特點是，開關(guān)器件以低速器件為主，逆變器的開關(guān)頻率較低，波形改善以多重疊加法為主，體積重量較大，逆變效率低。1980年到現(xiàn)在為高頻化新技術(shù)階段，開關(guān)器件以高速器件為主，逆變器開關(guān)頻率高，波形改善以脈寬調(diào)制為主，體積重量小，逆變效率高。在PWM逆變器中，為了減小其體積重量，提高其功率密度，高頻化是主要發(fā)展方向之一，但高頻化也存在一些問題，如增加開關(guān)損耗和電磁干擾。為此提出兩個解決辦法，一是提高開關(guān)器件的速度，二是使逆變開關(guān)工作在軟開關(guān)狀態(tài)。20世紀(jì)80年代初，美國弗吉尼亞電力電子技術(shù)中心提出了準(zhǔn)諧振變換技術(shù)，使軟開關(guān)與PWM技術(shù)的結(jié)合成為可能。它的研究對于逆變器性能的提高和進一步推廣應(yīng)用，以及電力電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，都有十分重要的意義，是當(dāng)前逆變器的發(fā)展方向之一。高頻軟開關(guān)逆變技術(shù)產(chǎn)生的背景是為了克服傳統(tǒng)逆變器的輸出波形差，開關(guān)應(yīng)力和EMI較大的缺點。在相同背景下，D.A.Nabae于1981年提出了多電平逆變技術(shù)，成為當(dāng)前高壓大功率逆變器的發(fā)展方向。它通過主電路改進，使所有逆變開關(guān)都工作在基頻或低頻，以達(dá)到減小開關(guān)應(yīng)力，改善輸出電壓或電流波形的目的?？傊?，逆變技術(shù)的發(fā)展是在提高波形質(zhì)量的背景下，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展而發(fā)展，進入二十一世紀(jì)，逆變技術(shù)正朝著高功率密度、高變換效率、高可靠性、無污染、智能化和集成化的方向發(fā)展。 1.2三相逆變器研究設(shè)計的意義（1）促進新能源的開發(fā)和利用隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，逆變技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等國防領(lǐng)域和電力系統(tǒng)，交通運輸、郵電通信、工業(yè)控制等民用領(lǐng)域。特別是隨著石油、煤和天然氣等主要能源日益緊張，新能源的開發(fā)和利用越來越受到人們的重視。利用新能源的關(guān)鍵技術(shù)-逆變技術(shù)，能將蓄電池、太陽能電池和燃料電池等其他新能源轉(zhuǎn)化的直流電能變換成交流電能與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。因此，逆變技術(shù)在新能源的開發(fā)和利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。（2）提高供電質(zhì)量國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和國內(nèi)外能源供應(yīng)日益緊張，電能的開發(fā)和利用顯得更為重要。目前，國內(nèi)外都在大力開發(fā)新能源，如太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電等。一般情況下，這些新型發(fā)電裝置輸出不穩(wěn)定的直流電，不能直接供給需要交流電的用戶使用。為此，需要將直流電變換成交流電，需要時可并入市電電網(wǎng)。這種DC-AC變換需要逆變技術(shù)來完成。用電設(shè)備對市電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染，反過來，被污染的市電電網(wǎng)也會使用電設(shè)備工作不正常，用電設(shè)備之間通過市電電網(wǎng)相互干擾。為解決此問題，必須提高市電電網(wǎng)的供電質(zhì)量，以逆變技術(shù)為基礎(chǔ)的電力有源濾波器和電能質(zhì)量綜合補償器可以凈化市電電網(wǎng)，使其為用電設(shè)備提供高質(zhì)量電能。逆變器是一種重要的DC/AC變換裝置，而衡量其性能的一個重要指標(biāo)就是輸出電壓波形質(zhì)量，通過本項目的研究與實踐，研究逆變器波形產(chǎn)生的方法、調(diào)制規(guī)律、以及其波形的評價指標(biāo)，尋求高質(zhì)量的脈寬波形的獲得方法，對所學(xué)知識進行縱深挖掘，加深相關(guān)知識的理解。二任務(wù)書要求2.1、設(shè)計目的：圖1出了三相逆變器主電路，通過本課題的分析設(shè)計，可以加深學(xué)生對三相逆變電路的認(rèn)識和理解。要求學(xué)生掌握三相逆變電路基本工作原理，功率器件、LC濾波器的參數(shù)設(shè)計并學(xué)會分析該電路的各種工作模態(tài)，要求學(xué)生熟悉三相逆變器的SPWM調(diào)制方案，并且學(xué)會用模擬電路或單片機實現(xiàn)三相逆變器的驅(qū)動信號的輸出，熟悉橋式逆變器的驅(qū)動電路，建立硬件電路并進行開關(guān)調(diào)試。輸入：220V DC，輸出：100Vac/1.67A2.2、設(shè)計任務(wù)：1、給出符合輸入輸出要求的電路方案，給出各個模塊的基本框圖，并能設(shè)計其主要參數(shù)；2、根據(jù)輸入輸出的參數(shù)指標(biāo)，計算功率電路中半導(dǎo)體器件電壓電流等級，并給出所選器件的型號，設(shè)計變換器的脈沖變壓器及濾波電容。3、給出控制電路的設(shè)計方案，能夠輸出頻率和占空比可調(diào)的脈沖源。4、應(yīng)用protel軟件作出線路圖，建立硬件電路并調(diào)試。圖1三相逆變器主電路三基本原理3.1三相電壓型逆變電路工作原理逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源的性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。在本文中，我們主要討論三相電壓型逆變電路的基本構(gòu)成、工作原理和特性，圖3.1為其電路。 3.1三相電壓型逆變電路下面，我們討論一下三相全橋電壓型逆變電路。在圖3.1 所示電路中，電路的直流側(cè)通常只有一個電容器就可以了，但為了方便分析，畫作串聯(lián)的兩個電容器并標(biāo)出假想中點。和單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電角度為180，同一相（即同一半橋）上下兩個臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度以此相差120。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導(dǎo)通。可能是上面一個臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導(dǎo)通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行，因此也被稱為縱向換流。3.2控制電路的設(shè)計3.2.1 SPWM控制的基本原理如圖3.3（a）所示，我們將一個正弦波半波電壓分成N等分，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點與相應(yīng)正弦等份的中點重合，得到如圖3.3(b)所示得脈沖列，這就SPWM波形。正弦波得另外半波可以用相同得辦法來等效?？梢钥闯觯揚WM波形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化，稱為SPWM波形。圖3.3 SPWM波形根據(jù)采樣控制理論，脈沖頻率越高，SPWM波形便越接近正弦波。逆變器的輸出電壓為SPWM波形時，其低次諧波得到很好地抑制和消除，高次諧波又能很容易濾去，從而可得到崎變率極低的正弦波輸出電壓。SPWM控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或者其他所需要的波形。從理論上講，在給出了正弦半波頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，脈沖波形的寬度和間隔便可以準(zhǔn)確計算出來。然后按照計算的結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的波形。但在實際應(yīng)用中，人們常采用正弦波與等腰三角波相交的辦法來確定各矩形脈沖的寬度。等腰三角波上下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個光滑曲線相交時，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這種方法稱為調(diào)制方法。希望輸出的信號為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的三角波稱為載波。當(dāng)調(diào)制信號是正弦波時，所得到的便是SPWM波形。當(dāng)調(diào)制信號不是正弦波時，也能得到與調(diào)制信號等效的PWM波形。3.3.2單極性和雙極性SPWM控制方式單極性是指載波和調(diào)制波始終保持同極性的關(guān)系，在調(diào)制波信號的一個周期里，同一橋臂的上下兩個功率管工作狀態(tài)相互切換，分別工作在正弦調(diào)制波的半個周期。單極性SPWM調(diào)制原理圖如圖3.4所示: 圖3.4單極性調(diào)制原理圖雙極性SPWM的載波極性隨時間而正負(fù)變化，和調(diào)制波的極性變化沒有關(guān)系，載波信號的一個周期里，同一橋臂的上下兩個功率管互相切換，在調(diào)制波的半個周期里始終處于按正弦脈寬調(diào)制規(guī)律互補開關(guān)的工作狀態(tài)。雙極性SPWM調(diào)制原理圖如圖3.5所示: 圖3.5雙極性調(diào)至原理圖四系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1系統(tǒng)總體介紹本次設(shè)計的目的是研制一種輸入為220V的直流穩(wěn)定電壓，輸出為100V，1.67A的交流穩(wěn)定電壓，輸出功率較大的三相穩(wěn)壓電源?？紤]到所設(shè)計的系統(tǒng)為大功率電源，所以我們在這考慮使用SPWM逆變技術(shù)，下圖為所設(shè)計的系統(tǒng)框圖。 直流輸入 全橋逆變 輸出濾波 交流輸出 控制電路 驅(qū)動電路該系統(tǒng)的工作原理是輸入220V的直流電壓，然后經(jīng)SPWM全橋逆變，變成100V的SPWM電壓，再經(jīng)輸出濾波電路濾波為100V，1.67A正弦波交流電壓輸出，另外，系統(tǒng)中CPU根據(jù)輸出采樣電壓值來控制SPWM波發(fā)生器輸出的SPWM波形參數(shù)，SPWM發(fā)生器產(chǎn)生的SPWM波經(jīng)四個驅(qū)動隔離電路去驅(qū)動逆變電路，從而把整流濾波后得到的直流電逆變成穩(wěn)定交流電。4.2系統(tǒng)參數(shù)計算 五.仿真電路MATLAB軟件語言系統(tǒng)是當(dāng)今流行的第四代計算機語言，由于它在科學(xué)計算、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)建模與仿真、圖形圖像處理等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及自身的獨特優(yōu)勢，目前MATLAB受到個研究領(lǐng)域的推崇和關(guān)注。本文也采用MATLAB軟件對研究結(jié)果進行仿真，以驗證結(jié)果是否正確。建立仿真模型的步驟：1） 建立主電路的仿真模型2） 構(gòu)造控制部分3） 完成波形觀測及分析部分最終完成仿真模型如下圖所示：500W三相逆變器開環(huán)主電路相開環(huán)控制電路500W三相逆變器閉環(huán)電路六仿真波形分析上圖為電路開環(huán)輸入時輸出的交流電壓為110V上圖為電路開環(huán)輸入時輸出有效值上圖為電路閉環(huán)輸入時輸出的交流電壓為110V七實驗總結(jié)本次課程設(shè)計，主要是進行仿真，做實物，學(xué)習(xí)了MATLAB軟件構(gòu)圖，提升理論知識。在這次課程設(shè)計中，通過理論的學(xué)習(xí)理解和對原理圖的仿真，自己對逆變器有一定的了解。在構(gòu)造原理圖時候，原件的不熟悉給我?guī)砹撕艽蟮睦_，我一個個在百度上查找，最終構(gòu)成了原理圖，當(dāng)然收獲也是巨大的，明白了一些原件在哪里可以尋找，也為以后能熟練使用MATLAB有了很大的幫助。制作完原理圖，最難得莫過于計算參數(shù)，查閱了各種資料，慢慢知道了基本公式，參數(shù)算出來后，我們開始在MATLAB仿真，而參數(shù)值還是需需要有點調(diào)整，經(jīng)過調(diào)整后，輸出的波形也接近完美。經(jīng)過了這些天，我明白了要去做好一個東西最重要的是心態(tài)，也許在你拿到題目時會覺得很困難，但是只要你充滿信心，認(rèn)真去思考，一步一個腳印去實現(xiàn)它，你就肯定會完成課程實踐的。在實踐的過程中，我也遇到了很多困難，發(fā)現(xiàn)我自己在學(xué)習(xí)課本上知識的時候并沒有深刻的去理解，掌握的只是很淺顯的東西，所以在時遇到很多以前在書本上沒有遇到過的實際的問題，我就不知道該如何做了，尤其是畫圖的時候，只要一個小小的錯誤，就無法成功的完成實踐的要求。我在以后的學(xué)習(xí)過程中一定會注意不能僅僅局限于書本上的知識，要懂得知識的擴展。同時我也認(rèn)識到了理論與實際相結(jié)合的重要性，只有把所學(xué)的理論知識成功的應(yīng)用到實踐中去，我們才能學(xué)到很多課本上沒有的知識，才能了解的更多的知識，那么我們的知識面才會拓寬，我們才能成功的提高自己的實際應(yīng)用能力。在這次課程設(shè)計中，我也真正體會到合作的是非常重要的，當(dāng)遇到問題時，可以找同學(xué)討論一下，如果太難的問題還可以去問老師，我們會有很大收獲的。我覺得做每一件事一定要持之以恒，不能遇到困難就輕易放棄，半途而廢，我們要正視這些困難，用科學(xué)的態(tài)度去解決這些困難，獲得屬于自己的成功。在原題仿真無誤的情況下我們也嘗試的焊了電路，但是實物并不是很理想。附錄：SA4828與單片機接口的原理圖如圖3.11所示，采用ARM單片機編程具體程序如下：#include stm32f10x.h#include pwm.h#include adc.h#include dma.h#include delay.h u32 pin=1800; float zhan; float adcy; float adcx; float temp0; float temp1;/* Private typedef -*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;/* Private define -*/* Private macro -*/* Private variables -*/u16 TimerPeriod = 3600;u16 DutyFactor = 50;/* Private function prototypes -*/* Private functions -*/void RCC_Configure(void);void GPIO_Configure(void);void PWM_Configure(void);/* * brief Main program. * param None * retval None */void RCC_Configure() RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4 | RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE); void GPIO_Configure() /* GPIOA配置：通道PA.6和PA.7為 輸出引腳*/ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);void PWM_Configure() /* 通道1，2和3配置在PWM模式 */ TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; /TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable; 互補輸出使能，主要用于高級定時器 TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = DutyFactor * 7200 / 100; /設(shè)置占空比 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;/這里的4行代碼就是設(shè)置PWM的空閑電平、波形方式的！一開始自己一不小心搞成了都高的死區(qū)，這里是都低電平的死區(qū) / TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High; 互補輸出端 /TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set; /TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCIdleState_Reset; TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); /初始化通道1 TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); /初始化通道2 TIM_OC3Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); /初始化通道3 /* 自動輸出使能，中斷，死區(qū)相關(guān)的設(shè)置*/ TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable; TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable; TIM_BDTRInitStructure.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_1; TIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = 12; /死區(qū)時間為 12/SYSTEMCLK (ns) TIM_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Disable; /關(guān)閉外部break功能，當(dāng)然在產(chǎn)品中最好加入這個保護，蠻好用的。 TIM_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High; /中斷時配置端口輸出高電平 TIM_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Enable; /自動輸出使能 TIM_BDTRConfig(TIM3, &TIM_BDTRInitStructure); TIM_CtrlPWMOutputs(TIM3, ENABLE); /* 主輸出啟用 */ /PWM輸出使能int main(void) u32 ad_zhigh=500; u32 ad_phigh=7200; u32 p_high=3600; RCC_Configure(); delay_init(72); GPIO_Configure(); TIM_Configure(3600); PWM_Configure(); NVIC_Configure(); TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); /* TIM3的計數(shù)器使能 */ TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); /* TIM4的計數(shù)器使能 */ DMA_I