無源三相PWM逆變器控制電路設計

1、目錄第一章：課程設計的目的及要求 2第二章 整流電路 5第三章 逆變電路 9第四章 PWM逆變電路的工作原理 11第五章 三相正弦交流電源發(fā)生器 14第六章 三角波發(fā)生器 15第七章 比較電路 16第八章 死區(qū)生成電路 18第九章 驅動電路 20附錄參考文獻課程設計的心得體會第一章：課程設計的目的及要求一、課程設計的目的通過電力電子計術的課程設計達到以下幾個目的：1、培養(yǎng)學生文獻檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻資料。2、培養(yǎng)學生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。3、培養(yǎng)學生運用知識的能力和工程設計的能力。4、培養(yǎng)學生運用仿真工具的能力和方法。5、提高學生課程設計報

2、告撰寫水平。二、課程設計的要求1. 自立題目題目：無源三相PWM逆變器控制電路設計注意事項：學生也可以選擇規(guī)定題目方向外的其它電力電子裝置設計，如開關電源、鎮(zhèn)流器、UPS電源等， 通過圖書館和Internet廣泛檢索和閱讀自己要設計的題目方向的文獻資料，確定適應自己的課程設計方案。首先要明確自己課程設計的設計內容。控制框圖設計裝置（或電路）的主要技術數據主要技術數據輸入交流電源：三相380V， f=50Hz交直變換采用二極管整流橋電容濾波電路，無源逆變橋采用三相橋式電壓型逆變主電路，控制方法為SPWM控制原理輸出交流：電流為正弦交流波形，輸出頻率可調，輸出負載為三相異步電動機，P=5kW等效為

3、星形RL電路，R=10，L=15mH設計內容：整流電路的設計和參數選擇濾波電容參數選擇三相逆變主電路的設計和參數選擇IGBT電流、電壓額定的選擇三相SPWM驅動電路的設計畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖2. 在整個設計中要注意培養(yǎng)靈活運用所學的電力電子技術知識和創(chuàng)造性的思維方式以及創(chuàng)造能力要求具體電路方案的選擇必須有論證說明，要說明其有哪些特點。主電路具體電路元器件的選擇應有計算和說明。課程設計從確定方案到整個系統(tǒng)的設計，必須在檢索、閱讀及分析研究大量的相關文獻的基礎上，經過剖析、提煉，設計出所要求的電路（或裝置）。課程設計中要不斷提出問題，并給出這些問題的解決方法和自己的研究體會。設計

4、報告最后給出設計中所查閱的參考文獻最少不能少于5篇，且文中有引用說明，否則也不能得優(yōu)）。3. 在整個設計中要注意培養(yǎng)獨立分析和獨立解決問題的能力要求學生在教師的指導下，獨力完成所設計的系統(tǒng)主電路、控制電路等詳細的設計（包括計算和器件選型）。嚴禁抄襲，嚴禁兩篇設計報告基本相同，甚至完全一樣。4. 課題設計的主要內容是主電路的確定，主電路的分析說明，主電路元器件的計算和選型，以及控制電路設計。報告最后給出所設計的主電路和控制電路標準電路圖。 5. 課程設計用紙和格式統(tǒng)一課程設計用紙在學校印刷廠統(tǒng)一購買和裝訂，封面為學校統(tǒng)一要求。要求圖表規(guī)范，文字通順，邏輯性強。設計報告不少于20頁第二章 整流電路

5、根據要求，整流電路采用二極管整流橋電容濾波電路， 其電路圖如圖2.1所示：圖2.1 考慮電感時電容濾波的三相橋式整流電路及其波形 a）電路原理圖 b）輕載時的交流側電流波形 c）重載時的交流側電流波形1. 其工作原理如下所示： 該電路中，當某一對二級管導通時，輸入直流電壓等于交流側線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負載供電。當沒有二級管導通時，由電容向負載放電，ud按指數規(guī)律下降。 設二極管在局限電路電壓過零點角處開始導通，并以二極管VD6和VD1開始同時導通的時刻為時間零點，則線電壓為 uab=U2sin（t+） 而相電壓為ua=U2sin(t+) 在t=0時，二極管VD6和VD

6、1開始同時導通，直流側電壓等于uab；下一次同時導通的一對管子是VD1和VD2，直流側電壓等于uab。這兩段導通過程之間的交替有兩種情況，一種是在VD1和VD2同時導通之前VD6和VD1是關斷的，交流側向直流側的充電電源id是斷續(xù)的；另一種是VD1一直導通，交替時由VD6導通換相至VD2導通，id是連續(xù)的。介于二者之間的情況是，VD1和VD6同時導通的階段與VD1和VD2同時導通的階段在 t+=出恰好連接起來，id恰好連續(xù)。由 “電壓下降速度相等”的原則，可以確定臨界條件。假設在wt+d =2p/3的時刻“速度相等”恰好發(fā)生，則有 可得 wRC= 這就是臨界條件。wRC> 和wRC<

7、; 分別使電流id斷續(xù)和連續(xù)的條件。對一個確定的裝置來講，通常只有R是可變的，它的大小反映了負載的輕重。因此可以說，在輕載時直流側獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時是連續(xù)的，分界點就是R=/wC。 考慮實際電路中存在的交流側電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感時的工作情況： 電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。 隨著負載的加重，電流波形與電阻負載時的交流側電流波形逐漸接近。2 由電容濾波電路的原理分析可知，該電路的特點如下所示：（1）二極管的導電角q<p，流過二極管的瞬時電流很大電流的有效值和平均值的關系與波形有關，在平均值相同的情況下，波形越尖，有效值越大。在純電阻負載時，變壓器

8、副邊電流的有效值I2 = 1.11IL，而有電容濾波時（2）負載平均電壓VL升高，紋波（交流成分）減小，且R越大，電容放電速度越慢，則負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。為了得到平滑的負載電壓，一般取(35) 式中T為電源交流電壓的周期。（3）負載直流電壓隨負載電流增加而減小。VL隨IL的變化關系稱為輸出特性或外特性，如圖1所示。C值一定，當 ，即空載時   當C=0，即無電容時  在整流電路的內阻不太大（幾歐）和放電時間常數滿足式 (35) 的關系時，電容濾波電路的負載電壓VLV2的關系約為     &#

9、160;      VL=(1.11.2)V2總之，電容濾波電路簡單，負載直流電壓VL較高，紋波也較小，它的缺點是輸出特性較差，故適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合。2.3 二極管的選擇在選擇整流二極管時，主要考慮兩個參數，即最大整流電流和反向擊穿電壓。在橋式整流電路中，二極管D1、D3和D2、D4是兩兩輪流導通的，所以流經每個二極管的平均電流為在選擇整流管時應保證其最大整流電流IF > ID 。二極管在截止時管子兩端承受的最大反向電壓可以從橋式整流電路的工作原理中得出。在v2正半周時，D1、D3導通，D2、D4截止。此時D2、D4所

10、承受的最大反向電壓均為v2的最大值，即                                  同理，在v2的負半周，D1、D3也承受到同樣大小的反向電壓。所以，在選擇整流管時應取其反向擊穿電壓VBR > VRM 。 第三章 逆變電路根據要求，逆變電路采

11、用三相橋式電壓型逆變電路，其電路圖如圖3.1所示：圖3.11.1其工作原理如下： （1） 該電路是采用雙極性控制方式。U,V,W三相的PWM控制通常公用一個三角載波uc,三相的調制信號urU,uRv和urW依次相差120°。U,V和W各相功率開關器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來說明。當urU大于uc時，給上橋臂V1導通信號，給下橋臂V4以關斷信號，則U相相對于直流電源假象中點N的輸出電壓uUn=Ud/2。當urU小于uc時，給V4一導通信號，給V1上橋臂關斷信號時，則uUN=。V1和V4的驅動信號始終是互補的。當給V1（V4）以導通信號，也可能是二極管VD1(VD4)續(xù)流導通這要由

12、阻感負載中電流方向來決定。這是因為阻感負載中電流的方向來決定的。V相及W相的控制方式都相同。電路波形如圖所示。可以得出，的PWM波形都只有兩種電平，當臂1臂6導通時uUV=Ud，當臂3和臂4導通時uUV=Ud，當臂1和臂3或臂4和臂6導通時uUV=0。因此，逆變器的輸出線電壓PWM波由Ud和0三種電平構成。而且負載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成 ，其波形圖如圖3.2所示。 圖3.2（2） U相的控制規(guī)律當urU>uc時，給V1導通信號，給V4關斷信號，uUN=Ud/2當urU<uc時，給V4導通信號，給V1關斷信號，uUN=

13、-Ud/2當給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是VD1(VD4)導通（3） 死區(qū)時間的防止：同一相上下兩臂的驅動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關斷信號的死區(qū)時間，死區(qū)時間的長短主要由開關器件的關斷時間決定，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，所以必須在電路中設計死區(qū)生成電路。2IGBT的選擇參數的選擇一條原則是適當留有余地，這樣才能確保長期、可靠、安全地運行。工作電壓50%-60%，結溫70-80%在這條件下器件是最安全的。制約因素如下：（1） 在關斷或過載條件下，IC要處于安全工作區(qū)，即小于2倍的額定電流值；IGBT峰值

14、電流是根據200%的過載和120%的電流脈動率下來制定的；結溫一定<150以下，指在任何情況下，包括過載時。（2 ） 開通電壓15V±10%的正柵極電壓，可產生完全飽和，而且開關損耗最小，當<12V時通態(tài)損耗加大，>20V時難以實現(xiàn)過流及短路保護。（3） 關斷偏壓-5到-15V目的是出現(xiàn)噪聲仍可有效關斷，并可減小關斷損耗最佳值約為-10V。（4）  IGBT不適用線性工作，只有極快開關工作時柵極才可加較低311V電壓（5） 飽和壓降直接關系到通態(tài)損耗及結溫大小，希望越小越好，但價格就要大。     

15、60; 所以根據IJBT的制約因素，主電路的電流電壓值及設計要求，采用的IJBT管是GTl53101。第四章 PWM逆變電路的工作原理PWM控制方式就是對逆變電路開關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等的脈沖。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變逆變輸出頻率。1PWM控制的基本原理 PWM控制脈沖寬度調制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）理論基礎: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。沖量指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相

16、同 PWM波形可等效的各種波形，例如：直流斬波電路可以等效直流波形；PWM波可以等效正弦波形；還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理 。用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波的方法：正弦半波N等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等。這樣就可得到PWM 波形。由上方法可知各脈沖的幅值相等，而寬度按正弦規(guī)律變化 。對于正弦波的負半周，也可用同樣的方法得到PWM波形。像這種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波形。要改變等效輸出正

17、弦波幅值時，只要按照同一比例系數改變上述各脈沖的寬度即可。2控制方法調制信號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。在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷。在ur的半個周期內三角波載波只在正極性或負極性一種極性范圍內變化，所得到的PWM波形也只在單個極性范圍變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。 和單極性PWM控制方式相對應的是雙極性控制方式。采用雙極性方式時，在ur的半個周期內，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負，所得的PWM形也是有正有負。在ur的一個周期內，輸出的PWM波只有±Ud兩種電平，而不像單極性控制時還有零電平。仍然

18、在調制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制各開關的通斷。在ur的正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律相同。第五章 三相正弦交流電源發(fā)生器本設計需要三相正弦交流電源發(fā)生器，根據設計要求，確定其電路圖如圖5.1所示，在圖5.1中，用雙聯(lián)電位器同時改變R7和R12，就可以改變正弦參考信號的頻率，從而實現(xiàn)了變頻功能。在本設計中，我用一個三相變頻正弦參考信號發(fā)生電路代替了生成SPWM信號的專用芯片。它是控制電路的核心部分，采用的是一個特殊結構的RC移相正弦波發(fā)生器。其中，正弦波振蕩的頻率由下式確定：f= 所以由=20，可以確定參數為：R7=1K, C1=5Uf.同時通過對其他參數的調整確定正旋波的幅值為1v

19、。所以三相正弦參考信號分別表示為：UA = sin(125.6t) UB = sin(125.6t 120。) UC = sin(125.6t 240。)圖5.1第六章 三角波發(fā)生器本設計中需要三角波發(fā)生器，根據要求確定其電路圖如圖6.1所示：1其工作原理如下：在圖6.1中所示的三角波發(fā)生器電路中，U01左邊為同相滯回比較器 ，右邊為積分運 算放大電路。 圖中滯回比較器的輸出電壓U01=+Uz(或-Uz)，它的輸入電壓是積分路的輸出電壓U0，根據疊加原理，集成運放A1同相輸出端的電位 up1=.(1)令up1=un1=0，則閾值電壓 +Uz(或-Uz)=(2)積分電路的輸入電壓是指會比較器的輸

20、出電壓U01，所以輸出電壓的表達式為 UO=(3)式中U0(t0)為處態(tài)時的輸出電壓。由上式可以得出UO是三角波，幅值為+UT(或- UT);U01是方波,幅值為+Uz(或-Uz),由于積分電路引入了深度電壓負反饋,所以 在負載電阻相當大的變化范圍里,三角波電壓幾乎不會變.2參數選擇由三角波的波形可以得出 +(4)式中UT=,經過整理可得到振蕩周期 T=(5)振蕩頻率 f=(6)由于要求輸出的三角波頻率為10kHZ，所以可以使電路參數取以下值：R1=10k R2=10K R3=1000k C=25uF。同時確定其幅值為2v，則采用的穩(wěn)壓管是2v，且R3=100K,C1=10uf.第七章 比較電

21、路本設計中需要比較電路，根據需要，選用了選用滯回比較器，因為具有滯回特性，即具有慣性特性，有一定的抗干擾能力。其電路圖如圖7.1所示。如圖7.1所示，滯回比較器引入了正反饋。從集成運放輸出端的限幅電路可以看出，u0=Uz。集成運放反相輸入端電壓uN=uI，同相輸入端電位 圖7.1 圖7.2 電壓傳輸特性曲線uP=令uN=uP，求出的ui就是閥值電壓，因此得出 UT=假設uI<UT,那么uN一定小于uP，因而u0=+UZ，所以up=+UT,當輸入電壓uI增大到+UT，在增大一個無窮小量時，輸出電壓u0才會從+UZ躍變?yōu)?UZ。同理，假設uI>+UT，那uN一定大于uP，因而u0=-U

22、Z，所以uP=-UT只有當輸入電壓uI減小到-UT時，再減小一個無窮小量時，輸出電壓u0才會從-UZ躍變?yōu)?UZ，即，u0從+UZ躍變?yōu)閁T的閥值電壓是不同的電壓傳輸特性如圖7.2所示。 從電壓傳輸特性曲線上可以看出,當UT<uI<+UT時，u0可能是+UZ，也可能是UZ。如果uI是從小于UT的值逐漸增大到UT<uI<+UT,那么u0應為+UZ;如果uI是從大于+UT的值逐漸減小到UT<uI<+UT，那么u0應為UT;曲線具有方向性。實際上由于集成運放的開環(huán)差模增益不是無窮大，只有當它的差模輸入電壓足夠大時，輸入電壓u0才為UZ。u0再從+UZ變?yōu)閁Z或從U

23、Z變?yōu)?UZ的過程中，隨著uI的變化，將經過線性區(qū)，并需要一定的時間。滯回比較器中引入了正反饋，加快了u0的轉換速度。為使滯回比較器的電壓傳輸特性曲線向左或向右平移，需將兩個閾值電壓疊加兩個相同的正電壓或負電壓。把電阻R1的接地端接參考電壓UREF，可達到此目的，圖中有同相輸入端的電位 uP=UREF令uN=uP , 求出的uI就是閾值電壓，因此得出UT1=UREFUT2=UREF+UZ兩式中第一項是曲線在橫軸左移或右移的距離，改變UREF極性即可改變曲線平移的方向。若是電壓傳輸特性曲線上、下平移，則應改變穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。第八章 死區(qū)生成電路為了防止三相橋式電壓型逆變主電路中的上下臂直通而造

24、成短路，留一小段上下臂都施加關斷信號的死區(qū)時間，所以引入了死區(qū)生成電路，其電路圖如圖8.1所示：圖8.1其工作原理如下：本設計的H橋功率集成電路的工作電壓高達35V，而且其峰值電流可達到A。如果H橋同臂高低端兩個DMOS功率器件發(fā)生直通，則流過器件的電流將會非常大，很易使器件燒毀。因此，必須采取措施來防止工作過程中同臂高低端兩個功率器件發(fā)生直通。在電路的操作過程中，一般有兩種情況會造成功率器件的直通：(1)輸入的高、低端兩路驅動信號相位不匹配，有同時為高電平的部分，造成被驅動的高端和低端兩個功率管在這段時間內同時開啟；(2)功率器件的關斷時間過長，使得高端和低端兩個功率器件中，一個器件還未完全

25、關閉，另一個件就已經開啟。因此，電路中首先要消除高低壓端兩路信號為高電平的部分，其次要在兩路信號間產生一個死區(qū)時間，以保證高端和低端兩個功率器件在一個完全關閉后，另一個才開啟。我采用了高低端驅動信號死區(qū)產生電路（Dead time）來實現(xiàn)這一功能。電路的主體部分是采用的RC 延遲結構，如圖3-25 所示。 其仿真結果如圖3-26 所示，同臂高低端功率器件開關延遲時間為0.7us。 實現(xiàn)死區(qū)產生時間（Dead time），的功能。從圖中我們可以看出，啵ad Ti。l=t3t1，tD。adTi。正叫1+12共同組成了控制高低端。根據電容充放電特性 Ucmax=5V 不妨令t=7us，則兩邊同時取對

26、數ln5=-因此 RC=4.3s所以可以取C=104pF ， R=41.3K第九章 驅動電路由于三相橋式電壓型逆變電路中采用的IJBT管，它在使用的時候需要驅動電路，才能使IGBT管子正常地開通和關斷。IGBT的驅動電路必須具備2個功能：一是實現(xiàn)控制電路與被驅動IGBT柵極的電隔離； 二是提供合適的柵極驅動脈沖。實現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。 根據設計要求，采用芯片M57962L及其附件組成的驅動電路，其電路圖如圖9.1所示：圖9.1 參考文獻【1】 一種新穎的三相正弦波變頻電源；張衛(wèi)平，陳云鵬 ，劉元超， 北方工業(yè)大學綠色電源實驗室中國電工技術學會電力電子學會第十屆學術

27、年會論文集【2】 電容濾波電路的特點；湖北武漢華中科技大學電子技術教學研究中心遠程教育課題組。【3】 電力電子技術；王兆安，黃俊主編；北京，機械工業(yè)出版社?！?】 模擬電子技術；華成英，童詩白主編；清華大學電子教研組編.，四版；北京，高等教育出版社。【5】 數字電子技術；閻石，清華大學電子教研組，四版；北京高等教育出版社。 課程設計的心得通過這次課程設計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。在整個設計過程中，我得體會們通過這個方案包括設計了一套電路原理和連接圖，和器件上的選擇。 我沉得做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個元件

28、的功能，而且考試內容有限，所以在這次課程設計過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些器件的功能，平時看課本，這次看了，下次就忘了，通過動手實踐讓我們對各個元件映象深刻。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標準。所以這個期末測試之后的課程設計對我們的作用是非常大的。 經過一個星期的實習，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我們也失落過，也曾一度熱情高漲。從開始時滿富盛激情到最后汗水背后的復雜心情，點點滴滴無不令我回味無長。生活就是這樣，汗水預示著結果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。通過實習，我才真正領略到“艱苦奮斗”這一詞的真正含義，我才意識到老一輩電子設計為我們的社會付出。我想說，設計確實有些辛苦，但苦中也有樂，在如今單一的理論學習中，很少有機會能有實踐的機會