交流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計三相橋式spwm逆變器的仿真設(shè)計

1、交流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計題目： 三相橋式SPWM逆變器的仿真設(shè)計 班級： 0 姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)老師： 目 錄摘要2關(guān)鍵詞2緒論2三相橋式SPWM逆變器的設(shè)計內(nèi)容及要求3SPWM逆變器的工作原理3 1 工作原理5 2 控制方式6 3 正弦脈寬調(diào)制的算法9MATlAB仿真設(shè)計12硬件實驗19實驗總結(jié)23附錄 Matab簡介24參考文獻24三相橋式SPWM逆變電路設(shè)計 摘要 ：隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，正弦波輸出變壓變頻電源已被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中，與此同時對變壓變頻電源的輸出電壓波形質(zhì)量也提出了越來越高的要求。對逆變器輸出波形質(zhì)量的要求主要包括兩個方面：一是穩(wěn)態(tài)精度高；二是動態(tài)性能好。因此，研究

2、開發(fā)既簡單又具有優(yōu)良動、靜態(tài)性能的逆變器控制策略，已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點之一。 在現(xiàn)有的正弦波輸出變壓變頻電源產(chǎn)品中，為了得到SPWM波，一般都采用雙極性調(diào)制技術(shù)。該調(diào)制方法的最大缺點是它的6個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，從而產(chǎn)生了較大的開關(guān)損耗，開關(guān)頻率越高，損耗越大。本實驗針對正弦波輸出變壓變頻電源SPWM調(diào)制方式及數(shù)字化控制策略進行了研究，以SG3525為主控芯片，以期得到一種較理想的調(diào)制方法，實現(xiàn)逆變電源變壓、變頻輸出。關(guān)鍵詞： 逆變器 SPWM逆變器的工作原理 正弦脈寬調(diào)制的調(diào)制算法 單極性正弦脈寬調(diào)制 雙極性正弦脈寬調(diào)制 自然采樣法 規(guī)則采樣法 雙極性正弦波等面積法一

3、、緒論正弦逆變電源作為一種可將直流電能有效地轉(zhuǎn)換為交流電能的電能變換裝置被廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟生產(chǎn)生活中 ,其中有:針對計算機等重要負(fù)載進行斷電保護的交流不間斷電源 UPS (Uninterruptle Power Supply) ;針對交流異步電動機變頻調(diào)速控制的變頻調(diào)速器;針對智能樓宇消防與安防的應(yīng)急電源 EPS ( Emergence Power Supply) ;針對船舶工業(yè)用電的岸電電源 SPS(Shore Power Supply) ;還有針對風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等而開發(fā)的特種逆變電源等等.隨著控制理論的發(fā)展與電力電子器件的不斷革新 ,特別是以絕緣柵極雙極型晶體管 IGBT( In

4、sulated Gate Bipolar Transistor)為代表的自關(guān)斷可控型功率半導(dǎo)體器件出現(xiàn) ,大大簡化了正弦逆變電源的換相問題 ,為各種 PWM 型逆變控制技術(shù)的實現(xiàn)提供了新的實現(xiàn)方法 ,從而進一步簡化了正弦逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制.電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管（SCR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、晶體管（BJT）、絕緣柵晶體管（IGBT）等階段。目前正向著大容量、高頻率、易驅(qū)動、低損耗、模塊化、復(fù)合化方向發(fā)展，與其他電力電子器件相比，IGBT具有高可靠性、驅(qū)動簡單、保護容易、不用緩沖電路和開關(guān)頻率高等特點，為了達到這些高性能，采用了許多用于集成電路的工藝技術(shù)，如外延技術(shù)、離子注入、精

5、細(xì)光刻等。 IGBT最大的優(yōu)點是無論在導(dǎo)通狀態(tài)還是短路狀態(tài)都可以承受電流沖擊。它的并聯(lián)不成問題，由于本身的關(guān)斷延遲很短，其串聯(lián)也容易。盡管IGBT模塊在大功率應(yīng)用中非常廣泛，但其有限的負(fù)載循環(huán)次數(shù)使其可靠性成了問題，其主要失效機理是陰極引線焊點開路和焊點較低的疲勞強度，另外,絕緣材料的缺陷也是一個問題。 二、三相橋式SPWM逆變器的設(shè)計內(nèi)容及要求對三相橋式spwm逆變電路的主電路及控制電路進行設(shè)計，參數(shù)要求如下：直流電壓為100 V。三相阻感負(fù)載，負(fù)載中R=2,L=1mH，要求頻率范圍：10Hz100Hz。設(shè)計要求：1.理論設(shè)計：了解掌握三相橋式PWM逆變電路的工作原理，設(shè)計三相橋式PWM逆變

6、電路的主電路和控制電路。包括：IGBT電流，電壓額定的選擇驅(qū)動保護電路的設(shè)計畫出完整的主電路原理圖和控制原理圖列出主電路所用元器件的明細(xì)表2.仿真試驗：利用MATLAB仿真軟件對三相橋式spwm逆變電路的主電路及控制電路進行仿真建模，元件管腳數(shù)，并進行仿真試驗。3.實際制作：利用PROTEL軟件繪出原理圖，結(jié)合具體所用外型尺寸，考慮散熱和抗干擾等因素，設(shè)計PCB印刷電路板。最后完成系統(tǒng)電路組裝，調(diào)試。三、SPWM逆變器的工作原理由于期望的逆變器輸出是一個正弦電壓波形，可以把一個正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與

7、正弦波每一等分的中點重合。這樣，由N個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形為正弦的半周等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法來等效。 這一系列脈沖波形就是所期望的逆變器輸出SPWM波形。由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，也就是說，這種交一直一交變頻器中的整流器采用不可控的二極管整流器就可以了(見圖2-1，2-2，2-3 )。逆變器輸出脈沖的幅值就是整流器的輸出電壓。當(dāng)逆變器各開關(guān)器件都是在理想狀態(tài)下工作時，驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)器件的信號也應(yīng)為與形狀相似的一系列脈沖波形，這是很容易推斷出來的。從理論上講，這一系列脈沖波形的寬度可以嚴(yán)格地用計算方法求得，作為控制逆變器中各開關(guān)器件通斷

8、的依據(jù)。但較為實用的辦法是引用通信技術(shù)中的“調(diào)制”這一概念，以所期望的波形(在這里是正弦波)作為調(diào)制波(ModulationWave )，而受它調(diào)制的信號稱為載波(Carrier Wave )。在SPWM中常用等腰三角波作為載波，因為等腰三角波是上下寬度線性對稱變化的波形，當(dāng)它與任何一個光滑的曲線相交時，在交點的時刻控制開關(guān)器件的通斷，即可得到一組等幅而脈沖寬度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這正是SPWM所需要的結(jié)果（2-1）可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器變頻（2-2）不控整流、斬波器調(diào)壓、六拍逆變器變頻（2-3）不控整流、PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻1. 工作原理圖2-4是SPWM變頻器的主電路，圖中V

9、TlVT6是逆變器的六個功率開關(guān)器件(在這里畫的是IGBT)，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。圖2-5是它的控制電路，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”的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波 作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制信號。2-4主電路當(dāng)時，給V4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)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通。和的PWM波形

10、只有Ud/2兩種電平。當(dāng)urUuc時，給V1導(dǎo)通信號，給V4關(guān)斷信號，。波形可由得出，當(dāng)1和6通時，=，當(dāng)3和4通時，=，當(dāng)1和3或4和6通時，=0。輸出線電壓PWM波由Ud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。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。2-5 控制電路2. 控制方式脈寬調(diào)制的控制方式從調(diào)制脈沖的極性上看，可分為單極性和雙極性之分:參加調(diào)制的載波和參考信號的極性不變

11、，稱為單極性調(diào)制;相反，三角載波信號和正弦波信號具有正負(fù)極性，則稱為雙極性調(diào)制。(1)單極性正弦脈寬調(diào)制單極性正弦脈寬調(diào)制用幅值為的參考信號波與幅值為,頻率為的三角波比較，產(chǎn)生功率開關(guān)信號。其原理波形如圖2-6所示。圖2-6是用單相正弦波全波整流電壓信號與單向三角形載波交截，再通過倒相產(chǎn)生功率開關(guān)驅(qū)動信號。參考波頻率fr決定了輸出頻率fo，每半周期的脈沖數(shù)P決定于載波頻率fc。即: P= (2-1) 用參考電壓信號的幅值Ur，與三角形載波信號的幅值Uc的比值，即調(diào)制度m = Ur/Uc，來控制輸出電壓變化。當(dāng)調(diào)制度由01變化時，脈寬由0/p變化，輸出電壓由0 E變化。如果每個脈沖寬度為，則輸出

12、電壓的傅里葉級數(shù)展開式為: （2-2)系數(shù)An和Bn由每個脈寬為，起始角為的正脈沖來決定和對應(yīng)的負(fù)脈沖起始角+來決定。如果第j個脈沖的起始角為j則有 (2-3a) (2-3b)由式(2-3a)、式(2-3b)可計算輸出電壓的傅里葉級數(shù)的系數(shù) (2-4a) (2-4b)2-6 單極性正選脈寬調(diào)制SPWM原理波形(2)雙極性正弦脈寬調(diào)制雙極性正弦脈寬調(diào)制的輸出電壓u0(t)波形在02區(qū)間關(guān)于中心對稱、在0區(qū)間關(guān)于軸對稱，其傅里葉級數(shù)展開式為 (2-5) 式（2-5）中輸出電壓u0（t）可看成是幅值為E，頻率為fo的方波與幅值為2E、頻率為fc的負(fù)脈沖序列(起點和終點分別為的疊加。因此 (2-6)則

13、輸出電壓為(2-7)輸出電壓基波分量U01t為 (2-8)需要注意的是，從主回路上看，對于雙極性調(diào)制，由于同一橋臂上的兩個開關(guān)元件始終輪流交替通斷，因此容易引起電源短路，造成環(huán)流。為防止環(huán)流，就必須增設(shè)延時觸發(fā)環(huán)節(jié)，設(shè)置死區(qū)。3. 正弦脈寬調(diào)制的調(diào)制算法 三角波變化一個周期，它與正弦波有兩個交點，控制逆變器中開關(guān)元件導(dǎo)通和關(guān)斷各一次。要準(zhǔn)確的生成SPWM波形，就要精確的計算出這兩個點的時間。開關(guān)元件導(dǎo)通時間是脈沖寬度，關(guān)斷時間是脈沖間隙。正弦波的頻率和幅值不同時，這些時間也不同，但對計算機來說，時間由軟件實現(xiàn)，時間的控制由定時器完成，是很方便的，關(guān)鍵在于調(diào)制算法。調(diào)制算法主要有自然采樣法、規(guī)則

14、采樣法、等面積法等。1.自然采樣法 按照SPWM控制的基本原理，在正弦波與三角波的交點進行脈沖寬度和間隙的采樣，去生成SPWM波形，成為自然采樣法。如圖2-8所示圖2-8 自然采樣法原理圖2.規(guī)則采樣法為使采樣法的效果既接近自然采樣法，沒有過多的復(fù)雜運算，又提出了規(guī)則采樣法。其出發(fā)點是設(shè)法使SPWM波形的每個脈沖都與三角波中心線對稱。這樣，圖2-9中的法。計算就大大簡化了。圖2-9 規(guī)則采樣法原理圖3.雙極性正弦波等面積法正弦波等面積算法的基本原理為:將一個正弦波等分成H，個區(qū)段，區(qū)段數(shù)一定是6的整數(shù)倍，因為三相正弦波，各項相位互差，要從一相正弦波方便地得到其他兩相，必須把一個周期分成6的整數(shù)

15、倍。由圖2-10可見，越大，輸出波形越接近正弦波。在每一個區(qū)段，等分成若干個等寬脈沖(N)，使這N個等寬脈沖面積等于這一區(qū)段正弦波面積。采用這種方法既可以提高開關(guān)頻率，改善波形，又可以減少計算新脈沖的數(shù)量，節(jié)省計算機計算時間。如圖2-10所示其正弦波面積為 圖2-10 正弦波等面積法生成SPWM 輸出頻率與區(qū)段數(shù)，每個區(qū)段脈沖數(shù)及脈沖周期之間的關(guān)系 四、MATlAB仿真設(shè)計1） 主電路整個三相橋式PWM逆變電路的設(shè)計分為兩塊主電路部分和控制電路部分。據(jù)原理圖1，在Simulink中搭建系統(tǒng)主電路如下圖所示。主要用到了simpowersystems工具箱和Simulink工具箱。圖中的逆變主電路

16、用Universal Bridge 則更加簡單。圖中的變壓器起到隔離作用，使得spwm波和負(fù)載波形同時能測取。主電路原理圖如下：圖2-11 主電路原理圖2） 控制電路設(shè)計 控制電路原理如下：據(jù)自然采樣法，三個互差120o的正弦波與高頻三角載波進行比較，每路結(jié)果再經(jīng)反相器產(chǎn)生與原信號相反的控制波，分別控制上下橋臂IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷。這樣產(chǎn)生的六路spwm波分別控制六個IGBT的通斷，從而在負(fù)載端產(chǎn)生與調(diào)制波同頻的三相交流電。圖中的三角載波用S函數(shù)產(chǎn)生。 圖2-12 三相橋式SPWM逆變電路中的控制部分電路MATLAB仿真模型3） 仿真結(jié)果與分析產(chǎn)生頻率為30HZ時的實驗將控制電路中的三相正弦波

17、函數(shù)發(fā)生器Sine Wave的頻率調(diào)為30HZ，即在頻率參數(shù)欄中輸入60*pi，則系統(tǒng)輸出頻率也應(yīng)為30HZ。仿真運行系統(tǒng)，顯示如圖2-13所示。圖2-13 頻率為30HZ仿真模型從圖2-1UN,uVN,uWN,第四路為濾波前的uVW，第五路為濾波后的uVW。產(chǎn)生頻率為50HZ時的實驗圖2-14 頻率為50HZ的仿真模型從圖2-14可以看出，系統(tǒng)輸出正弦波周期為0.02s，即頻率為50HZ。產(chǎn)生頻率為100HZ時的實驗 圖2-15 頻率為100HZ的仿真模型從圖2-15可以看出，系統(tǒng)輸出正弦波周期為0.01s，即頻率為100HZ。4） 濾波裝置圖2-16 LC濾波裝置 L為工頻電感，電感量可選

18、為12mH。為減小噪聲，選閉合鐵芯，如OD型硅鋼鐵芯（400Hz）或鐵粉芯鐵芯C為工頻電容，可以選CBB61-10F-250VAC .帶濾波頻率為圖2-17帶濾波的電流,電壓帶濾波，為圖2-18 帶濾波的電流,電壓圖 加LC濾波裝置后發(fā)現(xiàn)輸出電流,電壓為標(biāo)準(zhǔn)正弦波.通過調(diào)節(jié)信調(diào)節(jié)信號波波的fo, 影響SPWM的頻率和脈寬改變IGBT導(dǎo)通時間，從而可改變輸出電壓電流頻率幅值。六、心得體會這次課程設(shè)計歷時三個星期多左右，通過這三個星期的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，看到了自己的實踐經(jīng)驗還是比較缺乏，理論聯(lián)系實際的能力還急需提高。課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析

19、和解決實際問題鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。 回顧此次課程設(shè)計，至今我們?nèi)愿锌H多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在整整三星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，比如有時候被一些小的，細(xì)的問題擋住前進的步伐，讓我們總是為了解決一個小問題而花費很長的時間。最后還要查閱其他的書籍才能找出解決的辦法。自己看起來多完美的設(shè)計在實踐下就漏洞百出了。并且我在做設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)有

20、很多東西，也知道自己的很多不足之處，知道自己對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固.以前認(rèn)為學(xué)了沒用的課程現(xiàn)在也用到了。 所謂“態(tài)度決定一切”，于是偶然又必然地收獲了諸多，概而言之，大約以下幾點：溫故而知新。課程設(shè)計開始的時候思緒全無，舉步維艱，對于理論知識學(xué)習(xí)不夠扎實的我們深感“書到用時方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實驗手冊，對知識系統(tǒng)而全面進行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請教，終于熟練掌握了基本理論知識，而且領(lǐng)悟諸多平時學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識，學(xué)會了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計的靈感。 思路即出路。當(dāng)初沒有思路，誠如舉步維艱，茫茫大地，不見道

21、路。在對理論知識梳理掌握之后，茅塞頓開 實踐出真知。到今天，課程設(shè)計基本告成，才切身領(lǐng)悟“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”學(xué)海無涯，學(xué)無止境。盡管課程設(shè)計是在本學(xué)期開始，我們的教材學(xué)習(xí)完畢，掌握許多知識，但是還有很多地方理解領(lǐng)悟不到位，由于SPWM控制信號的產(chǎn)生比較復(fù)雜，我們查閱很多資料，嘗試過用不同方法設(shè)計產(chǎn)生，比如分立元件，集成芯片，最終選擇了用SG3524集成芯片，電路接線雖很復(fù)雜，但其能實現(xiàn)的功能很強大，以后還需進一步學(xué)習(xí)運用。最后我們還嘗試用PROTEL DXP設(shè)計畫出部分的實際電路板圖，要考慮更多的問題提出了更高要求。 這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在努力下終于迎刃而解。同時發(fā)現(xiàn)了還有很多工具及理論以后亟待學(xué)習(xí)。它培養(yǎng)了我們嚴(yán)嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的思維，通過它架起理論與實踐橋梁。附錄 Matab簡介MATLAB 是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他