3KVA逆變器設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書

1、3kva3kva 逆變器設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書逆變器設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)書 課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計任務(wù)書 題題 目目: : 3kva 三相逆變器設(shè)計 初始條件：初始條件： 輸入直流電壓 220v。 要求完成的主要任務(wù)要求完成的主要任務(wù): : （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體 要求） 設(shè)計容量為 3kva 的三相逆變器，要求達到： 1、輸出 220v 三相交流電。 2、完成總電路設(shè)計。 3、完成電路中各元件的參數(shù)計算。 時間安排：時間安排： 6 月 5 日 6 月 6 日：完成選題，領(lǐng)取設(shè)計任務(wù)書，查閱相關(guān)資料，規(guī)劃總體設(shè)計 方案； 6 月 7 日 6 月 11 日：完成電力電子裝

2、置的具體設(shè)計方案，包括參數(shù)設(shè)計、器件 選取等； 6 月 12 日 6 月 14 日：整理資料，完成設(shè)計論文撰寫。 指導(dǎo)教師簽名：指導(dǎo)教師簽名： 年年 月月 日日 系主任（或責(zé)任教師）簽名：系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年年 月月 日日 目錄 摘要 .1 1 設(shè)計意義及要求 .2 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 1.1 設(shè)計意義.2 1.2 設(shè)計要求.2 2 方案設(shè)計 .3 2.1 設(shè)計原理及思路.3 2.1.1 逆變電路 .3 2.1.2 三相逆變原理介紹.4 2.1.3 spwm 逆變電路原理及其控制方法 .5 2.1.4 設(shè)計思路.8 2.2 方案設(shè)計與選擇.8 2.2.1 逆

3、變電路選擇.8 2.2.2 spwm 采樣方法選擇 .10 3 部分電路設(shè)計 .11 3.1 igbt 三相橋式逆變電路 .11 3.2 脈寬控制電路的設(shè)計 .12 3.2.1 sg3524 芯片 .12 3.2.2 調(diào)制波及載波的產(chǎn)生.13 3.3 驅(qū)動電路的設(shè)計 .14 3.3.1 ir2110 芯片 .14 3.3.2 驅(qū)動電路.14 3.4 lc 濾波 .15 3.5 變壓器升壓模塊.16 4 系統(tǒng)元件有關(guān)參數(shù)的計算 .17 4.1 開關(guān)管和二極管的選擇 .17 4.2 l、c 濾波器的設(shè)計.17 4.3 變壓器參數(shù)設(shè)計 .18 5 基于 matlab 的原理仿真 .19 結(jié)束語 .2

4、2 參考文獻 .24 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 1 摘要 本次系統(tǒng)設(shè)計的是一個輸入 220v 直流，輸出電壓 220v，容量為 3kva 的電壓型三 相逆變器，該三相逆變器是基于 dsp 的 spwm 調(diào)制設(shè)計。系統(tǒng)硬件部分包括輔助電源模 塊，igbt 三相逆變橋模塊，三相逆變驅(qū)動模塊，電壓檢測模塊，過流檢測模塊，后級 升壓濾波模塊，dsp 最小系統(tǒng)。 系統(tǒng)的 spwm 波是由 dsp 專門的 pwm 口產(chǎn)生的，該系統(tǒng)的軟件部分的 spwm 波是采 用的規(guī)則采樣法。在本次設(shè)計中，查閱許多逆變器方面的資料，有感先進的功率器件 及逆變控制器件對電力電子技術(shù)進步的推動作用，大大簡

5、化設(shè)計，極大提高系統(tǒng)的可 靠性，達到以往設(shè)計無法達到的技術(shù)指標(biāo)。 由于時間有限，無法對 svpwm 逆變電路進行研究，而是采用正弦 spwm 技術(shù)，實 現(xiàn)了 220v 直流電到 220v 正弦交流電 3kw 的逆變，并且輸出電壓還可以在一定范圍內(nèi) 調(diào)整。 關(guān)鍵詞： dsp、逆變器、igbt、spwm 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 2 1 設(shè)計意義及要求 1.1 設(shè)計意義 與整流相對應(yīng)，把直流電變成交流電稱為逆變。當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè) 接有電源時，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負載連接時，稱為無源逆變。 逆變電路應(yīng)用非常廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池，干電池，太陽能電池等

6、 都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負載供電時，就需要逆變電路。另外，交流電 動機調(diào)速用變頻器，不間斷電源，感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置使用非常廣泛，其電 路的核心部分都是逆變電路。有人甚至說，電力電子技術(shù)早期曾處在整流器時代，后 來則進入逆變器時代。 逆變電路在電力電子電路中占有十分突出的位置，當(dāng)今世界逆變電源應(yīng)用非常廣 泛，需求量逐年遞增。逆變電源技術(shù)的核心部分是逆變器和其控制部分。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 變電路實現(xiàn)，但其含有較大成分低次諧波等缺點，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

7、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)展并廣泛使用眾所周知。雖然在控制方法上已經(jīng)趨于成熟， 但有些控制方法實現(xiàn)起來仍很困難。隨著開關(guān)頻率的提高，會引起開關(guān)損耗的增加， 逆變效率和直流利用率的降低，因此，對逆變電源技術(shù)進行深入地研究有很大的現(xiàn)實 意義。 1.2 設(shè)計要求 初始條件：初始條件： 輸入直流電壓 220v。 要求完成的主要任務(wù)要求完成的主要任務(wù): : （包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等 具體要求） 設(shè)計容量為 3kva 的三相逆變器，要求達到： 1、輸出 220v 三相交流電。 2、完成總電路設(shè)計。 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)

8、計說明書 3 3、完成電路中各元件的參數(shù)計算。 2 方案設(shè)計 2.1 設(shè)計原理及思路 2.1.1 逆變電路 逆變，是對電能進行變換和控制的一種基本形式，現(xiàn)代逆變技術(shù)是綜合了現(xiàn)代電 力電子開關(guān)器件的應(yīng)用、現(xiàn)代功率變換技術(shù)、數(shù)字信號處理（dsp）技術(shù)、模擬和數(shù)字 電子技術(shù)、pwm 技術(shù)、頻率和相位調(diào)制技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)和控制技術(shù)等的一門綜合性 技術(shù)。已被廣泛地用于工業(yè)、軍事或民用領(lǐng)域的各種功率變換系統(tǒng)和裝置中。 自從 50 年代硅晶閘管問世以后，功率半導(dǎo)體器件的研究工作者為達到理想目標(biāo)做 出了不懈的努力，并已取得了世人矚目的成就。60 年代后期，可關(guān)斷晶閘管 gto 實現(xiàn) 了門極可關(guān)斷功能，并使斬

9、波工作頻率擴展到 lkhz 以上。70 年代中期，高功率晶體管 和功率 mosfet 問世，功率器件實現(xiàn)了場控功能，使高頻化成為可能。80 年代，絕緣門 極雙極型晶體管（igbt）問世，它綜合了功率 mosfet 和雙極型功率晶體管兩者的功能。 igbt 的迅速發(fā)展，又激勵了人們對綜合功率 mosfet 和晶閘管兩者功能的新型功率器件 mosfet 門控晶閘管的研究。 現(xiàn)在許多國家已能穩(wěn)定生產(chǎn) 8000v/4000a 的晶閘管。日本現(xiàn)在已能穩(wěn)定生產(chǎn) 8000v/4000a 和 6000v/6000a 的光觸發(fā)晶閘管（ltt） 。美國和歐洲主要生產(chǎn)電觸發(fā)晶閘 管。近十幾年來，由于自關(guān)斷器件的飛速

10、發(fā)展，晶閘管的應(yīng)用領(lǐng)域有所縮小，但是， 由于它的高電壓、大電流特性，它在高壓直流（hvdc） 、靜止無功補償（svc） 、大功率 直流電源及超大功率和高壓變頻調(diào)速應(yīng)用方面仍然占有十分重要的地位。 目前，gto 的最高研究水平為 6000v/6000a 以及 9000v/10000a。這種 gto 采用了 大直徑均勻結(jié)技術(shù)和全壓接式結(jié)構(gòu)，通過少子壽命控制技術(shù)折衷了 gto 導(dǎo)通電壓與關(guān) 斷損耗兩者之間的矛盾。由于 gto 具有門極全控功能，它正在許多應(yīng)用領(lǐng)域逐步取代 scr。為了滿足電力系統(tǒng)對 lgva 以上的三相逆變功率電壓源的需要，近期很有可能開 發(fā)出 10000a、12000v 的 gto

11、，并有可能解決 30 多個高壓 gto 串聯(lián)的技術(shù)，可望使電力 電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用再上一個臺階。 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 4 igct 可以較低的成本，緊湊、可靠、高效率地用于 0.310mva 變流器，而不需要 串聯(lián)或并聯(lián)。如用串聯(lián)，逆變器功率可擴展到 100mva 而用于電力設(shè)備。雖然高功率 igbt 模塊具有一些優(yōu)良的特性，如能實現(xiàn) di/dt 和 dv/dt 的有源控制、有源箝位，易 于實現(xiàn)短路電流保護和有源保護等，但是，高的導(dǎo)通損耗、低的硅有效面積利用率、 損壞后造成開路以及無長期可靠運行數(shù)據(jù)等缺點，使高功率 igbt 模塊在高功率低頻變 流器中的實際應(yīng)

12、用受到限制。因此可以認為，在大功率 mct 問世以前，igct 將成為高 功率高電壓低頻變流器，特別是在電力工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的優(yōu)選大功率器件。 功率變換技術(shù)是現(xiàn)代逆變系統(tǒng)中最重要的技術(shù)，決定著逆變器的性能。功率變換 技術(shù)研究的目標(biāo)主要是：節(jié)約能源，提高效率，同時減小變換器的大小和減輕變換器 的重量，降低諧波失真和成本；而在電機傳動應(yīng)用中，有時還要求高的精度，快速響 應(yīng)，寬的輸出電壓、電流或頻率的調(diào)節(jié)范圍等。功率變換技術(shù)的發(fā)展大致可分為三個 階段：第一階段，是應(yīng)用二極管和晶閘管的不控或半控強迫換流技術(shù);第二階段，主要 是應(yīng)用自關(guān)斷器件，例如 gto、bjt、功率 mosfet、igbt 等和普遍采

13、用 pwm 控制技術(shù); 第三階段，是以采用軟開關(guān)、無損緩沖電路、功率因數(shù)校正、消除諧波和考慮電磁兼 容為特征。 傳統(tǒng)的逆變器采用模擬電路控制，模擬控制存在著一些不可避免的缺點：模擬控 制需要大量的分立元件，這必然會使系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性降低；模擬控制中參數(shù) 的調(diào)節(jié)依靠可調(diào)電位器等一些模擬器件，如電壓、頻率以及 pid 參數(shù)的調(diào)節(jié)等，這勢 必降低了控制系統(tǒng)的精度和一致性；由于器件的老化以及溫度漂移問題，逆變器的性 能將急驟下降，甚至于不能正常工作；模擬控制系統(tǒng)如果要升級換代，就要對硬件作 根本性的改變，其工作量不亞于重新開發(fā)；模擬控制系統(tǒng)不具有良好的人機界面和通 信功能。 目前，在微電子技術(shù)發(fā)

14、展的帶動下，數(shù)字信號處理（dsp）芯片的發(fā)展日新月異。 dsp 芯片的功能日益強大，性能價格比不斷上升，開發(fā)手段不斷改進。這就為數(shù)字信號 處理算法的實現(xiàn)打下了堅實的基礎(chǔ)。要對逆變器進行數(shù)字控制，實質(zhì)上就是要在數(shù)字 控制系統(tǒng)中應(yīng)用各種先進的數(shù)字信號處理算法：如空間矢量 pwm 控制算法（svpwm 算法） 、快速傅立葉變換算法（fft 算法） 、數(shù)字濾波算法、數(shù)字 pid 調(diào)節(jié)算法等。這些復(fù)雜 的算法都可以在一塊高性能的 dsp 芯片上通過編程實現(xiàn)，這在模擬控制系統(tǒng)中是不可 想象的，也是無法完成的。 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 5 2.1.2 三相逆變原理介紹 用三個單相逆變電

15、路可以組合成一個三相逆變電路，但在三相逆變電路中，應(yīng)用 最廣的還是三相橋式逆變電路。他可分為三相電壓型逆變電路和電流型逆變電路，其 中電壓型的直流側(cè)通常是并一個電容器，而電流型通常是在直流側(cè)串一個電感。采用 igbt 作為開關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖所示。 電路中的直流側(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 n 路的基本工作方式也是導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電角度為，同一相上下橋180180 臂交替導(dǎo)通。因為每次換流都是在上下橋臂之間進行，因此也被稱為縱向換流。 2.1.3 spwm 逆變電路

16、原理及其控制方法 pwm 控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過一系列脈沖的寬度進行調(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，其效果基本相同。 在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論，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，其效果基本相同。上述原理可以稱之為面積等效原理，它是 pwm 控制 技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。spwm 是脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 pwm 波形。 可知如果給出了逆變電路正弦波輸出頻率，幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)，pwm 波形 中各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計算出

17、來。按照計算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器 件的通斷，就可以得到所需要的 pwm 波形， 把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不 等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合，且使矩形脈 沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是 pwm 波形。 對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到 pwm 波形。脈沖的寬度按正弦規(guī) 律變化而和正弦波等效的 pwm 波形，也稱 spwm（sinusoidal pwm）波形。 pwm 波形可 分為等幅 pwm 波和不等幅 pwm 波兩種，由直流電源產(chǎn)生的 pwm 波通常是等幅 pwm 波。 其用 pwm 波代替正弦波的說明圖如圖 2-1 所示

18、。 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 6 圖 2-1 spwm 波形圖 把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過信號波的調(diào)制 得到所期望的 pwm 波形。 通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng) 用最多。spwm 控制方法有單極性和雙極性之分。 單極性 pwm 控制方式 調(diào)制信號 ur 為 正弦波，載波 uc 在 ur 的正半周為正極性的三角波，在 ur 的負半周為負極性的三角波。 其單極性 pwm 控制方式圖如圖 2-2 所示。 u r u cu o wt o wt u o u o f u o u d - u d 圖 2-2 單極性 pwm 控制

19、方式 單相橋式電路既可以采取單極性調(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，就是在信號波 ut 的半個 周期內(nèi)三角波載波 uc 只在正極性或負極性一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的 pwm 波形也 只在單個極性范圍變化的控制方式，和單極性 pwm 控制方式相對應(yīng)的是雙極性控制方 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 7 式。 雙極性 pwm 控制方式在調(diào)制信號 ur 和載波信號 uc 的交點時刻控制各開關(guān)器件的通 斷。 在 ur 的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得的 pwm 波也是有正有負，在 ur 的一個周期內(nèi)，輸出的 pwm

20、 波只有ud 兩種電平。其雙極性 pwm 控制方式圖如圖 2-3 所示。 u r u c u o w t o w t u o u o f u o u d - u d 圖 2-3 雙極性 pwm 控制方式 采用雙極性方式時，在 ut 的半個周期內(nèi)，三角波載波不再是單極性的，而是有正 有負，所得到的 pwm 波也是有正有負。在 ut 的一個周期內(nèi)，輸出的 pwm 波只有正負 ud 兩種電平，而不像單極性控制時還有零電平。仍然在調(diào)制信號 ut 和載波信號 uc 的交 點時刻控制各開關(guān)器件的通斷。在 ut 的正負半周，對各個開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。 pwm 控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過一

21、系列脈沖的寬度進行調(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，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。 spwm 逆變電路屬于電力電子器件的應(yīng)用系統(tǒng)，因此，一個完整的 spwm 逆變電路應(yīng) 該由控制電路、驅(qū)動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)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力 電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。 目前應(yīng)用最為廣泛的是電壓型 pwm 逆變電

22、路,脈寬控制方法主要有計算機法和調(diào)制 法兩種，但因為計算機法過程繁瑣，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位發(fā)生變 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 8 化時，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，因此，調(diào)制法應(yīng)用 最為廣泛。 調(diào)制法就是把希望輸出的波形作為調(diào)制信號 ut，把接收調(diào)制的信號作為載波 uc， 通過信號波的調(diào)制得到所期望的 pwm 波形。本次課程設(shè)計任務(wù)要求設(shè)計三相電壓源型 逆變電路，輸出 pwm 電壓波形等效為正弦波，因而信號波采用正弦波，載波采用最常 用的等腰三角形。 2.1.4 設(shè)計思路 本次系統(tǒng)設(shè)計的是一個輸入 220v 直流電壓，輸出 220v 三

23、相交流電，容量為 3kva 的三相逆變器，因此，先將輸入直流電進行逆變，采用三相橋式 pwm 型逆變電路，得 到 pwm 波，再通過濾波得到交流電壓，最后通過三相變壓器升壓得到 220v 交流電壓。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2-4： : 圖 2-4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2.2 方案設(shè)計與選擇 2.2.1 逆變電路選擇 用三個單相逆變電路可以組合成一個三相逆變電路，但在三相逆變電路中，應(yīng)用 最廣的還是三相橋式逆變電路。他可分為三相電壓型逆變電路和電流型逆變電路，其 中電壓型的直流側(cè)通常是并一個電容器，而電流型通常是在直流側(cè)串一個電感。 方案一（電壓型逆變）：直流側(cè)為電壓源，采用并聯(lián)大電容器來緩沖無功功率， 調(diào)制

24、波、載 波 spwm 波 觸發(fā)脈沖 ac220vpkigbt 三相橋 式逆變電路 三相變壓器 spwm 信號發(fā)生器 dc220v ac220vrms lc 濾波電路 驅(qū)動電路 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 9 則構(gòu)成電壓型逆變器。電壓型逆變電路輸出電壓波形為矩形波，輸出電流波形近似正 弦波。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗；交流側(cè)輸出電壓為矩形波；當(dāng) 交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用等特點。 采用 igbt 作為開關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖 2-5 所示： 圖 2-5 三相電壓型橋式逆變電路 電路中的直流側(cè)通常只有一個電容器就可

25、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 n 電路的基本工作方式也是導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電角度為，同一相上下180180 橋臂交替導(dǎo)通。因為每次換流都是在上下橋臂之間進行，因此也被稱為縱向換流。 方案二（電流型逆變）：采用大電抗器來緩沖無功功率，則構(gòu)成電流源型變頻器。 電流型逆變電路則為電流波形為矩形波電壓波形為近似正弦波。直流側(cè)電流基本無脈 動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗；交流側(cè)輸出電流為矩形波；當(dāng)交流側(cè)為阻感負載時需要提 供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，反饋無功能量時直流電流并不反向 等特點。 采用 igbt 作為

26、開關(guān)器件的三相電流型橋式逆變電路如圖 2-6 所示： 圖 2-6 三相電流型橋式逆變電路 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 10 方案選擇：電流型逆變直流側(cè)需加大電感，價格比較昂貴，而電壓型逆變器整流 變頻裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點。且直流側(cè)只 需并聯(lián)一個電容，故選擇電壓型逆變電路。 2.2.2 spwm 采樣方法選擇 方案一(自然采樣法)：自然采樣法以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進行比較， 在兩個波形的自然交點時刻控制開關(guān)器件的通斷，這就是自然采樣法。其優(yōu)點是所得 spwm 波形最接近正弦波，但由于三角波與正弦波交點有任意性，脈沖中心在一個周

27、期內(nèi)不等距，從而脈寬表達式是一個超越方程，計算繁瑣，難以實時控制。 方案二(規(guī)則采樣法): 規(guī)則采樣法如圖 2-7，規(guī)則采樣法一般采用三角波作為載波， 其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點時刻 控制開關(guān)器件的通斷，從而實現(xiàn) spwm 法。當(dāng)三角波只在其頂點(或底點)位置對正弦 波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期(即采樣周期) 內(nèi)的位置是對稱的。 圖 2-7 規(guī)則采樣法 方案選擇：規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進,其主要優(yōu)點就是是計算簡單，便于 在線實時運算，尤其是利用軟件生成 spwm 系統(tǒng)。其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而 更接近正

28、弦，故選擇規(guī)則采樣法。 uc u o t ur tc ad b ot uo tatdtb 2 2 uc u o t ur tc ad b ot uo tatdtb 2 2 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 11 3 部分電路設(shè)計 3.1 igbt 三相橋式逆變電路 圖 3-1 是三相逆變器的主電路設(shè)計圖。圖中 vlv6 是逆變器的六個功率開關(guān)器件， 各由一個續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個逆變器由恒值直流電壓 u 供電。一組三相對稱的正 弦參考電壓信號 由參考信號發(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)。參考信號的幅值也可在一定范圍內(nèi)變化，決定輸出電壓 的

29、大小。三角載波信號是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零” c u 的飽和輸出，產(chǎn)生 spwm 脈沖序列波。 該電路采用雙極性控制方式，u、v 和 w 三相的 pwm 控制通常公用一個三角載波， c u 三相的調(diào)制信號、和依次相差 120 度。當(dāng)時，給 v4 ru u rv u rw u 2 ruund uuu 導(dǎo)通信號，給 v1 關(guān)斷信號，給 v1、v4 加導(dǎo)通信號時，可能是 v1、v4 導(dǎo)2 und uu 通，也可能是 vd1、vd4 導(dǎo)通。和的 pwm 波形只有兩種電平。當(dāng) d u wn u/ 2 d u 時，給 v1 導(dǎo)通信號，給 v4 關(guān)斷信號，。的波形可由 cru u

30、u / 2 und uu uv u 得出，當(dāng) 1 和 6 通時，當(dāng) 3 和 4 通時，當(dāng) 1 和 3 vnun uu uvd uu uvd uu 或 4 和 6 通時，=0。輸出線電壓 pwm 波由和 0 三種電平構(gòu)成，負載相電壓 pwm uv u d u 波由(2/3) 、(1/3) 和 0 共 5 種電平組成。 d u d u 圖 3-1 三相電壓型橋式 pwm 型逆變電路 v1 v4 v3 v6 v5 v2 vd1vd3vd5 vd2vd6vd4 r 三三 三三 三三 三三三三 uc u u uru rv rw n l n u v w ud/2 c c + + - - ud/2 武漢理工

31、大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 12 防直通的死區(qū)時間同一相上下兩臂的驅(qū)動信號互補，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)斷信號的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短主要由開關(guān)器件的 關(guān)斷時間決定。死區(qū)時間會給輸出的 pwm 波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。 3.2 脈寬控制電路的設(shè)計 本次設(shè)計采用 icl8038 產(chǎn)生正弦波給 sg3524 集成 pwm 控制器產(chǎn)生控制信號。 sg3524 可以產(chǎn)生鋸齒波，作為載波與正弦波比較，產(chǎn)生 spwm 信號。 脈寬控制電路結(jié)構(gòu)圖如圖 3-2： 圖 3-2 脈寬控制電路結(jié)構(gòu)圖 3.2.1 sg3524 芯片 sg3524 芯片是集成 pwm 控

32、制器，其引腳圖如圖 3-3 所示： 圖 3-3 sg3524 引腳圖 sg3524 工作過程： 直流電源從引腳 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，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn) 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 三相正弦波 發(fā)生器 sg3524控制信號 反相輸入 同相輸入 振蕩器

33、輸出 電流檢測+ 電流檢測- rt ct 接地 vinf vc b 管 e b 管 c a 管 c a 管 e 封鎖端 補償端 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 13 態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；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，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。 3.2.2 調(diào)制波及載波的產(chǎn)生 正弦波信號由函數(shù)發(fā)生器 icl8038 產(chǎn)生。 t u r2 r1 res 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14 icl8038 icl8038 r +15v -15v c 三三三 三三三 三三 圖

34、3-4 icl8038 用于正弦波信號發(fā)生 正弦波的頻率由、和 c 來決定，其中： 1 r 2 r ， 12 0.15 f= +rr（）c 為了調(diào)試方便，將、都用可調(diào)電阻，和是用來調(diào)整正弦波失真度用的。 1 r 2 r 2 rr 通過查詢資料得知，當(dāng)時，取，其中。f=50 zh 12 +=9.7rrk=0.22 fc 正弦波信號產(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 r u 弦波同頻率、同相位的方波和三角波。 icl8038 的引腳圖如圖 3-5 所示： 1 14 2 13 3 12 4 11 5 10 6 9 7 8 sin adj1 sin out tri out df

35、 adj1 df adj2 v+ fmblas nc nc sin adj2 v- c so out fmin 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 14 圖 3-5 icl8038 引腳圖 載波可以是等腰三角波或者鋸齒波，由于 sg3524 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。 3.3 驅(qū)動電路的設(shè)計 3.3.1 ir2110 芯片 由于產(chǎn)生的 spwm 信號不能直接驅(qū)動 igbt，故逆變橋的驅(qū)動采用專用芯片 ir2110。 ir2110 是一種雙通道、柵極驅(qū)動、高壓高速、單片式集成功率驅(qū)動模塊，具有體 積小(dip14)、集成度高(可驅(qū)動

36、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)動能力強等特點，同時還具有外部保護封鎖端口，常用于驅(qū) 動 mosfet 和 igbt 等電壓驅(qū)動型功率開關(guān)器件。 ir2110 包括邏輯輸入、電平轉(zhuǎn)換、保護、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)動電路如圖 3-6 所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ir2110 c1 r2 d? c2 r1 三 三 三 三 三 三 三 hin sd lin i1 uss lo com icc is ib ho vc

37、c idc=500v 圖 3-6 ir2110 構(gòu)成的驅(qū)動電路 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 15 3.3.2 驅(qū)動電路 ir2110 自身的保護功能非常完善：對于低壓側(cè)通道，利用 2 片 ir2110 驅(qū)動全橋逆 變電路的電路圖如圖 3-7 所示。 lo 1 com 2 vcc 3 nc 4 vs 5 vb 6 ho 7 nc 8 vdd 9 hin 10 sd 11 lin 12 vss 13 nc 14 u1 ir2110 d13 in4148 d4 d1in4148 c3 104 c1 104 c2 1u c4 100u l1 2mh d5 4.7v d3 15v r5

38、100 r7 20k d6 4.7v q3 q4 +15v r8 res d14 in4148 r6100 d2in4148 圖 3-7 全橋驅(qū)動電路 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)生負偏壓， 由于密勒效應(yīng)的作用，在開通與關(guān)斷時，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。針對這一點，本次課設(shè)在驅(qū)動電路中的功率管柵極限流電阻上反 向并聯(lián)了二極管。 3.4 lc 濾波 濾波電容 c 的作用是和濾波電感 l 一起來濾除輸出電壓中的高次諧波，保證輸出 電壓的

39、 thd 要求，從減小輸出電壓 thd 的角度考慮，c 越大越好。但從另一個角度來看， 在輸出電壓不變的情況下，濾波電容 c 增大意味著無功電流的增加，增加了逆變器的 電流容量，同時也將導(dǎo)致體積重量增加，降低系統(tǒng)效率。因此，濾波電容的選取原則 是在保證輸出電壓的 thd 滿足要求的情況下，取值盡量小。 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 16 lc 濾波電路如圖 3-8 所示。由于變壓器出來的 spwm 波含有較多基波外的雜波，故 需加 lc 濾波器濾除雜波得到正弦信號波。選擇 lc 濾波器的截至頻率遠遠低于 spwm c f 的頻率對開關(guān)頻率則對開關(guān)頻率以及其附近頻帶的諧波具有明顯

40、的抑制作用。但亦不 可太低，否則容易產(chǎn)生低頻振蕩。 u v w n uout vout wout nout 1mh l2 1mh l3 1mh l4 c10c9 6.36f c8 6.36f6.36f 圖 3-8 lc 濾波電路 3.5 變壓器升壓模塊 變壓器升壓電路如圖 3-9 所示。由于輸入的直流電位 220v，故其基波最大的峰峰 值為 220v，相電壓最大有效值為 155.6vrms,而設(shè)計要求輸出為 220vrms，故需要加入 升壓變壓器。設(shè)計采用三個單相變壓器組合而成,220v 直流電通過電容 c17 和 c18 分壓 得到 110v 作為電壓參考點。 w_in v_in u_inu

41、 v w n t1 t2 t3 +c17 1000uf/150v +c18 1000uf/150v r30 5.1k r29 5.1k 220v 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 17 圖 3-9 變壓器升壓電路 4 系統(tǒng)元件有關(guān)參數(shù)的計算 在電路中輸入為220v直流電壓，輸出為220v交流電壓，輸出功率為，wp3000 功率因數(shù)設(shè)為。則電路各元件選取如下：1cos 4.1 開關(guān)管和二極管的選擇 (1)開關(guān)管的選擇 最大輸出情況下，電流有效值為 a v p i64.13 1220 3000 cos max 開關(guān)管額定電流 ce i aiice28.2764.1322 max 開關(guān)管

42、額定電壓 cer v 22 220440 cerm vvv (2)二極管的選擇 二極管額定電壓 rr v 220 rrm vv 最大允許的均方根正向電流 frfrfrms iii57 . 1 2 二極管的額定電流為 a i ifr69 . 8 57 . 1 64.13 57 . 1 max 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 18 4.2 l、c 濾波器的設(shè)計 最低次諧波為次。因此，最低次諧波的頻率12p hzf1995050) 12002( 以選1/10為例，選濾波電感為1mh，則l、c濾波電容為 f l c 36 . 6 1013.157 1 101 1 ) 19952 1 (

43、1 63 2 4.3 變壓器參數(shù)設(shè)計 變壓器參數(shù)計算： 單個變壓器輸出功率為： 2 1000pw 單個變壓器輸入功率： 2 111 1000 *1052.6 0.95 p puiw 式中 為變壓器的效率，這里取 0.95 變壓器的額定功率為: 12 1000 1052.6 1026.3 22 pp pw 一次側(cè)電流為： 1 1 1 1052.6 1.2*8.1 155.6 p ika u 式中 k 是變壓器空載電流大小決定的經(jīng)驗系數(shù)，容量越小的變壓器，k 越大，一般選 1.11.2。 二次側(cè)電流為： 2 2 2 1000 4.5 220 p ia u 故選用三個初級電壓為 155.6v、電流為

44、 8.1a，功率為 1052.6w,次級電壓為 220v、電 流為 4.5a，功率為 1000w 的單相變壓器。 武漢理工大學(xué)電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書 19 5 基于 matlab 的原理仿真 在具體電路設(shè)計之前，本次設(shè)計先利用 matlab 進行仿真驗證，其仿真主體框圖如 圖 5-1 所示?？驁D中包括 igbt 三相逆變半橋模塊，lc 濾波器模塊，spwm 產(chǎn)生模塊， 其中三相電壓幅值控制采用的閉環(huán)控制。 圖 5-1 系統(tǒng)仿真框圖 通過圖中的 measure 模塊（即電壓測量模塊）得到三相電壓值，然后經(jīng)過 voltage regulartor 塊，其內(nèi)部是采用的 pi 控制器控制方式，得到所需要的正弦波。 在將其輸入到 pwm 產(chǎn)生模塊，從而得到三相 spwm 波。其中一路開