電力電子課設(shè)-三相逆變電路設(shè)計(jì)

1、摘要本次課程設(shè)計(jì)題目要求為三相電壓源型SPWM逆變器的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程從原理分析、元器件的選取，到方案的確定以及Matlab仿真等，鞏固了理論知識(shí)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本文將按照設(shè)計(jì)思路對(duì)過程進(jìn)行剖析，并進(jìn)行相應(yīng)的原理講解，包括逆變電路的理論基礎(chǔ)以及Matlab仿真軟件的簡(jiǎn)介、運(yùn)用等，此外，還會(huì)清晰的介紹各個(gè)部分電路以及元器件的取舍，比如驅(qū)動(dòng)電路、抗干擾電路、正弦信號(hào)產(chǎn)生電路等，其中部分電路的繪制采用了Proteus軟件，最后結(jié)合Matlab Simulink仿真，建立了三相全控橋式電壓源型逆變電路的仿真模型，進(jìn)而通過軟件得到較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：三相 電壓源型 逆變電路 Matlab 仿真

2、目錄摘要11 設(shè)計(jì)原理31.1 SPWM控制原理分析31.1.1 PWM的基本原理31.1.2 SPWM逆變電路及其控制方法31.2 IGBT簡(jiǎn)介41.3 逆變電路51.4 三相電壓型橋式逆變電路62 設(shè)計(jì)方案92.1 逆變器主電路設(shè)計(jì)92.2 脈寬控制電路的設(shè)計(jì)102.2.1 SG3524芯片102.2.2 利用SG3524生成SPWM信號(hào)112.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)132.3.1 IR2110芯片132.3.2 驅(qū)動(dòng)電路143 軟件仿真143.1 Matlab軟件143.2 建模仿真154 心得體會(huì)19參考文獻(xiàn)20附錄21三相電壓源型SPWM逆變器的設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)原理1.1 SPWM控制原理分

3、析1.1.1 PWM的基本原理PWM(Pulse Width Modulation)控就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形。PWM控制技術(shù)最重要的理論基礎(chǔ)是面積等效原理，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。SPWM控制技術(shù)是PWM控制技術(shù)的主要應(yīng)用，即輸出脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效。1.1.2 SPWM逆變電路及其控制方法SPWM逆變電路屬于電力電子器件的應(yīng)用系統(tǒng)，因此，一個(gè)完整的SPWM逆變電路應(yīng)該由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要

4、求形成控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷，來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。目前應(yīng)用最為廣泛的是電壓型PWM逆變電路,脈寬控制方法主要有計(jì)算機(jī)法和調(diào)制法兩種，但因?yàn)橛?jì)算機(jī)法過程繁瑣，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位發(fā)生變化時(shí)，結(jié)果都要變化，而調(diào)制法在這些方面有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此，調(diào)制法應(yīng)用最為廣泛。所為調(diào)制法，就是把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接收調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)三相電壓源型SPWM逆變電路，輸出PWM電壓波形等效為正弦波，因而信號(hào)波采用正弦波，載波采用最常用的等腰三角形。單相橋式電路既可以采取單極性

5、調(diào)制，也可以采用雙極性調(diào)制，而三相橋式PWM逆變電路，一般采用雙極性控制方式。所為單極性控制方式，就是在信號(hào)波的半個(gè)周期內(nèi)三角波載波只在正極性或負(fù)極性一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的PWM波形也只在單個(gè)極性范圍變化的控制方式，和單極性PWM控制方式相對(duì)應(yīng)的是雙極性控制方式。采用雙極性方式時(shí)，在的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負(fù)，所得到的PWM波也是有正有負(fù)。在的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM波只有兩種電平，而不像單極性控制時(shí)還有零電平。仍然在調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)器件的通斷。在的正負(fù)半周，對(duì)各個(gè)開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。1.2 IGBT簡(jiǎn)介絕緣柵雙極晶體管（IGBT）本質(zhì)

6、上是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè) P 型層。根據(jù)國際電工委員會(huì)的文件建議，其各部分名稱基本沿用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相應(yīng)命名。 IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。它在結(jié)構(gòu)上類似于MOSFET ，其不同點(diǎn)在于IGBT是在N溝道功率MOSFET 的N+基板（漏極）上增加了一個(gè)P+ 基板（IGBT 的集電極），形成PN結(jié)j1 ，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與MOSFET相似。圖1 IGBT結(jié)構(gòu)剖面圖由圖可以看出，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR ，其簡(jiǎn)化等效電路如圖3所示。圖中Rdr是厚基區(qū)GTR的擴(kuò)展電阻。IGBT是以GTR 為主導(dǎo)件、MOSFET 為驅(qū)動(dòng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)

7、。IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)為：1）IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小；2）在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力；3）IGBT的通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域；4) 與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)可以保持開關(guān)頻率高。1.3 逆變電路逆變電路的作用是將直流電壓轉(zhuǎn)換成梯形脈沖波，經(jīng)低通濾波器濾波后，從而使負(fù)載上得到的實(shí)際電壓為正弦波，逆變電路是由4個(gè)IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）組成的全橋式逆變電路組成，如圖2所示。圖2 逆變電路當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接

8、有電源時(shí)，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載連接時(shí)，稱為無源逆變。此外，逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(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。本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)要求為電壓型逆變電路的設(shè)計(jì)。電壓型逆變電路有以下主要特點(diǎn)：1） 直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻態(tài)。2） 由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗角情況不同而不同。3） 當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量

9、提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。1.4 三相電壓型橋式逆變電路 用三個(gè)單相逆變電路可以組合成一個(gè)三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應(yīng)用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路。采用IGBT作為開關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖3所示，可以看成是由三個(gè)半橋逆變電路組成。圖3 三相電壓型橋式逆變電路電路的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了方便分析，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想中點(diǎn)。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導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度以此相差。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。

10、可能是上面一個(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱為縱向換流。以下分析三相電壓型橋式逆變電路的工作波形。對(duì)于U相輸出來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)，。因此，的波形是幅值為的矩形波。V、W兩相的情況和U相類似，、的波形形狀和相同，只是相位依次差120。負(fù)載線電壓可由下式求出：設(shè)負(fù)載中點(diǎn)N與直流電源假想中點(diǎn)之間的電壓為，則負(fù)載各相的相電壓分別為：三相電壓型橋式逆變電路的工作波形如圖4所示。OOOOOOOO圖4 三相電壓型橋式逆變電路的工作波形下面對(duì)三相橋式逆變電路的輸出電壓進(jìn)行定量分析。把輸出線電壓 展開成傅里葉級(jí)數(shù)得：

11、式中，為自然數(shù)。輸出線電壓有效值為基波幅值和基波有效值分別為；接下來，我們?cè)賹?duì)負(fù)載相電壓進(jìn)行分析。把展開成傅里葉級(jí)數(shù)得式中，k為自然數(shù)。負(fù)載相電壓有效值為基波幅值和基波有效值分別為；2 設(shè)計(jì)方案2.1 逆變器主電路設(shè)計(jì)圖5是SPWM逆變器的主電路設(shè)計(jì)圖。圖中VlV6是逆變器的六個(gè)功率開關(guān)器件，各由一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個(gè)逆變器由恒值直流電壓U供電。一組三相對(duì)稱的正弦參考電壓信號(hào)由參考信號(hào)發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率，應(yīng)在所要求的輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)。參考信號(hào)的幅值也可在一定范圍內(nèi)變化，決定輸出電壓的大小。三角載波信號(hào)是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出

12、，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波。，作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。當(dāng)時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通。和的PWM波形只有兩種電平。當(dāng)時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，。的波形可由得出，當(dāng)1和6通時(shí)，當(dāng)3和4通時(shí)，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，=0。輸出線電壓PWM波由和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓PWM波由(2/3) ，(1/3) 和0共5種電平組成。圖5 SPWM逆變器的主電路設(shè)計(jì)圖防直通的死區(qū)時(shí)間同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由開關(guān)

13、器件的關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。2.2 脈寬控制電路的設(shè)計(jì)2.2.1 SG3524芯片SG3524芯片是集成PWM控制器，其引腳圖和內(nèi)部框圖分別如圖6、圖7所示。圖6 SG3524引腳圖圖7 SH3524內(nèi)部框圖SG3524工作過程是這樣的：直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的5V基準(zhǔn)電壓。5V再送到內(nèi)部（或外部）電路的其他元器件作為電源。 振蕩器腳7須外接電容CT，腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率f由外接電阻RT和電容CT決定，f=1.18/RTCT。振蕩器的輸出分為兩路，一路以時(shí)鐘脈沖形式送

14、至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相端，比較器的反向端接正弦波調(diào)制信號(hào)，通過芯片內(nèi)置的比較器完成載波和調(diào)制波的比較，產(chǎn)生SPWM信號(hào)。2.2.2 利用SG3524生成SPWM信號(hào)2.2.2.1 調(diào)制波及載波的產(chǎn)生正弦波信號(hào)由函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生。圖8 ICL8038用于正弦波信號(hào)發(fā)生正弦波的頻率由、和C來決定，為了調(diào)試方便，將、都用可調(diào)電阻，和R是用來調(diào)整正弦波失真度用的。通過查詢資料得知，當(dāng)時(shí)，取，其中。正弦波信號(hào)產(chǎn)生后，一路經(jīng)過精密全波整流，得到正弦波，另外兩路得到與正弦波同頻率、同相位的方波和三角波。ICL8038的引腳圖如圖9所示。圖9 ICL8038

15、引腳圖載波可以是等腰三角波或者鋸齒波，由于SH3524可以直接產(chǎn)生鋸齒波，所以，直接用SG3524本身產(chǎn)生的鋸齒波作為載波即可。2.2.2.2 SPWM信號(hào)的產(chǎn)生ICL8038產(chǎn)生的正弦波與1V基準(zhǔn)經(jīng)過加法器后得到，輸入到SG3524的腳1，腳2與腳9相連，這樣和鋸齒波將在SG3524內(nèi)部的比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生SPWM信號(hào)。左電橋的控制信號(hào)可以由正弦信號(hào)與直流電壓通過電壓比較器產(chǎn)生，本次課程設(shè)計(jì)采用LM339芯片，其引腳圖如圖10所示。圖10 LM339引腳圖LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，可以任意選用，該電壓比較器主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范

16、圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為1V18V；3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）V；5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。2.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)2.3.1 IR2110芯片由于LM3S1138產(chǎn)生的SPWM信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)IGBT，故逆變橋的驅(qū)動(dòng)采用專用芯片IR2110。IR2110是一種雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速、單片式集成功率驅(qū)動(dòng)模塊，具有體積小(DIP14)、集成度高(可驅(qū)動(dòng)同一橋臂兩路)、響應(yīng)快(典型ton/toff=120/94ns)、偏置電壓高(600 V)、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)還具有外部保護(hù)封

17、鎖端口，常用于驅(qū)動(dòng)MOSFET和IGBT等電壓驅(qū)動(dòng)型功率開關(guān)器件。IR2110包括邏輯輸入、電平轉(zhuǎn)換、保護(hù)、上橋臂輸出和下橋臂輸出。邏輯輸入采用施密特觸發(fā)電路，以提高抗干擾能力。由IR2110構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路如圖11所示。圖11 IR2110構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路2.3.2 驅(qū)動(dòng)電路IR2110自身的保護(hù)功能非常完善：對(duì)于低壓側(cè)通道，利用2片IR2110驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路的電路圖如圖12所示。 圖12 全橋驅(qū)動(dòng)電路為改善PWM控制脈沖的前后沿陡度并防止振蕩，減小IGBT集電極的電壓尖脈沖，一般應(yīng)在柵極串聯(lián)十幾歐到幾百歐的限流電阻。IR2110的最大不足是不能產(chǎn)生負(fù)偏壓，由于密勒效應(yīng)的作用，在開通與關(guān)斷時(shí)，

18、集電極與柵極間電容上的充放電電流很容易在柵極上產(chǎn)生干擾。針對(duì)這一點(diǎn)，本次課設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中的功率管柵極限流電阻R1、R2上反向并聯(lián)了二極管D4、D5。3 軟件仿真3.1 Matlab軟件Matlab軟件提供的仿真工具箱Simulink是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的仿真軟件，它可以根據(jù)用戶的需要方便的為系統(tǒng)建立模型，并且十分直觀，仿真精度高，結(jié)果準(zhǔn)確。特別是其電力系統(tǒng)模塊庫PSB中包含了大量的電力電子功能模塊，為我們仿真提供了極大的便利。Matlab提供了系統(tǒng)模型圖形輸入工具Simulink工具箱。在Matlab中的電力系統(tǒng)模塊庫PSB以Simulink為運(yùn)算環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)等

19、電工學(xué)科中常用的基本原件和系統(tǒng)仿真模型。它由以下6個(gè)子模塊組成：電源模塊庫、連接模塊庫、測(cè)量模塊庫、電力電子模塊庫、電機(jī)模塊庫、基本件模塊庫。在這6個(gè)基本模塊庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要還可以組合出常用的、復(fù)雜的其他模塊添加到所需的模塊庫中，為電力系統(tǒng)的研究和仿真帶來更多的方便。3.2 建模仿真SPWM控制方式下的三相逆變電路主電路如圖13所示：圖13 三相逆變電路主電路圖14 Discreat PWM Generator參數(shù)設(shè)置設(shè)置參數(shù)，即將調(diào)制度m設(shè)置為1.2，調(diào)制波頻率設(shè)為40Hz，如圖14所示。載波頻率設(shè)為基波的30倍（載波比N=30），即1500Hz，仿真時(shí)間設(shè)為0.04s，在powergu

20、i中設(shè)置為離散仿真模式，采樣時(shí)間設(shè)為1e-006s。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，直流電源電壓為400V，要求輸出三相180V、40Hz的交流電，帶對(duì)稱RL負(fù)載（星形接法），其中R的值為2、L 的值為1 0mH，其參數(shù)設(shè)置圖如圖15所示。 圖15 直流電壓、三相負(fù)載參數(shù)設(shè)置運(yùn)行仿真圖形，并點(diǎn)擊示波器可得輸出交流電壓，交流電流波形如圖16、圖17所示：圖16 SPWM方式下三相交流電壓輸出波形圖16 SPWM方式下三相電流輸出波形 從仿真結(jié)果可以得出，本次課程設(shè)計(jì)基本達(dá)到任務(wù)要求，三相輸出電壓約為180V，40HZ，交流電為正弦波滿足條件。4 心得體會(huì)經(jīng)過這次的電力電子課程設(shè)計(jì)后，我從中學(xué)到了很多東西。在我

21、們學(xué)了電路、電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之后，對(duì)專業(yè)課程基礎(chǔ)知識(shí)已經(jīng)有了最基本的掌握和接觸。在經(jīng)過獨(dú)立設(shè)計(jì)，我成功的完成了本次設(shè)計(jì)。對(duì)于我個(gè)人而言，我熟練的掌握了設(shè)計(jì)三相電壓型逆變電路的一般方法，還進(jìn)一步熟悉了其原理。開始拿到課題難免會(huì)感到陌生，不過經(jīng)過自己親手實(shí)踐后才發(fā)現(xiàn)，只有經(jīng)過實(shí)踐運(yùn)用得來的知識(shí)，才是真正屬于自己的東西。這其中還尤為深刻的就是要養(yǎng)成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)習(xí)慣，這樣做起來才會(huì)更有條理性。要把所學(xué)的知識(shí)靈活運(yùn)用，必須要翻閱大量的資料并且要多多請(qǐng)教同學(xué)和老師，有很多的知識(shí)是平時(shí)不會(huì)注意的，但到了實(shí)際操作時(shí)就會(huì)因?yàn)槟敲匆稽c(diǎn)小欠缺而不能完成。我們需要有扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，要熟練地掌握課本上的知識(shí)，這樣才能對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析解決。要有耐心和毅力。理論只有與實(shí)踐結(jié)合才能