三相橋式PWM逆變電路

1、 電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書 三相橋式PWM逆變電路的設(shè)計院 、 部： 電氣與信息工程 學(xué)生姓名： 劉遠治 指導(dǎo)教師： 桂友超 職稱 副教授 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 電氣本1104班 完成時間： 2014年06月 摘 要 本文設(shè)計了一個三相橋式PWM控制的逆變電路。PWM控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù),如果脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形,也稱為SPWM波形。該設(shè)計包括主電路、驅(qū)動電路、SPWM信號產(chǎn)生電路、過流保護等方面的設(shè)計。該逆變器主電路采用的開關(guān)器件是IGBT；如需實物制作，驅(qū)動電路可采用現(xiàn)在大功率MOSFET、IGBT專用驅(qū)動芯片IR2110；P

2、WM信號產(chǎn)生電路可采用CD4538芯片控制產(chǎn)生。 關(guān)鍵詞：三相橋式；主電路；IR2110；CD4538Abstract This paper designed a three-phase PWM controlled inverter bridge circuit. PWM control is on the pulse width modulation technology, if the pulse width changes according to sine law and the sine wave PWM waveform equivalent, also known as SPW

3、M waveform. The design includes the main circuit, driver circuit, SPWM signal generation circuit, over-current protection and other aspects of design. The inverter main circuit uses IGBT; If you need make it real, driver circuit can use high-power MOSFET, IGBT dedicated driver chip IR2110; PWM signa

4、l generation circuit controlled by the CD4538 chip produced。 Key words three-phase bridge; main circuit; IR2110; CD4538目 錄1 緒言.12 主電路設(shè)計.22.1主電路原理圖.22.2原理分析.22.3參數(shù)計算.32.4器件選擇.33 控制電路設(shè)計.43.1電路原理框圖.4 3.2電路原理圖.4 3.3原理分析.4 3.4主要器件介紹.5 4 保護電路的設(shè)計.6 4.1保護電路的作用.6 4.2電路原理圖.6 4.3原理分析.65 仿真分析.7 5.1仿真模型的建立方法.7 5

5、.2仿真電路模型.75.3仿真效果圖.8 5.4仿真結(jié)果分析.96 設(shè)計總結(jié).107 附錄.111 緒言1.1學(xué)習(xí)情況 不知不覺中電力電子技術(shù)這門課程十來周的課時就結(jié)束了，從課余時間做老師布置的作業(yè)和前幾周考試的情況來看，我對自己對這門課程理論知識的掌握情況還算比較滿意。雖然不是說老師講過的重點都掌握的很好，但是起碼有了一個初步的了解和一點自己的理解，我覺得能做到這樣也還不錯。1.2對設(shè)計內(nèi)容的掌握情況 至于三相橋式逆變電路，我感覺自己掌握得不夠好，其實應(yīng)該說對所有三相的電路掌握都不如單相的電路來的好，當(dāng)然這和自己電路,數(shù)電和模電等課程沒有學(xué)好有一定的關(guān)系，因為這方面的基礎(chǔ)沒打好，學(xué)起來感覺就

6、相對吃力些。不過，我會把跟課程設(shè)計有關(guān)的內(nèi)容好好復(fù)習(xí)一下，實在不懂的地方可以上網(wǎng)查閱資料，請教老師和同學(xué)。1.3設(shè)計任務(wù) 對三相橋式PWM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。三相阻感負載，負載中R=2 ,L=1mH，要求頻率范圍：30Hz60Hz，電壓在3050V范圍可調(diào)。 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逆變電路的主電路和控制電路。包括：（1）IGBT相關(guān)參數(shù)的計算和器件的選擇;（2）驅(qū)動和保護電路的設(shè)計;（3）畫出主電路原理圖和控制原理圖。 仿真試驗：利用MATLAB仿真軟件對三相橋式PWM逆變電路的主電路及控制電路

7、進行仿真建模，并進行仿真試驗。2 主電路設(shè)計2.1 電路原理圖圖1 主電路原理圖2.2原理分析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。逆變器輸出脈沖的幅值就

8、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(Modulation Wave )，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

9、于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這正是SPWM所需要的結(jié)果。2.3參數(shù)計算 根據(jù)設(shè)計要求有Id =Ud/R=50A，所以可以算得基波電流有效值為 I01 = 0.9Id =0.9×50=45A；本設(shè)計選擇的開關(guān)器件為IGBT，則IGBT的額定電流為：IN =(1.52) ×45/1.57=(42.9957.32)A； 若取Ud= 100V,所以有IGBT的額定電壓為UN = (23) ×2Ud =(282.84 424.26)V,所以，在選擇IGBT（開關(guān)器件）的時候，只要滿足以上額定電壓和額定電流的范圍均可。2.4器件選擇 IGBT選擇BSM75GB60DLC,其最高

10、耐壓為600V，最大電流為75A，滿足設(shè)計要求。 除此之外，根據(jù)要求，電壓源為100V，由于其價格貴重，不予考慮選擇其具體型號；所用的電阻R=2,具體型號可選擇2.2的任意一種；電感為1mH，選擇0204 0307 0410 0510。3 控制電路設(shè)計3.1電路原理框圖 圖2 控制電路原理框圖3.2電路原理圖圖3 控制電路原理圖3.3原理分析據(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，從而在負載端產(chǎn)生與調(diào)制波同頻的三相交流電。原理圖中的三角載波

11、用S函數(shù)產(chǎn)生。3.4主要器件介紹 美國 IR 公司生產(chǎn)的IR2110 驅(qū)動器。它兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選品種。IR2110 采用HVIC 和閂鎖抗干擾CMOS 制造工藝，DIP14 腳封裝。具有獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500V，dv/dt=±50V/ns，15V 下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端（腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓范圍1020V；邏輯電源電壓范圍（腳9）515V，可方便地與TTL，CMOS 電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有±5V 的偏移量；

12、工作頻率高，可達500kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns 和94ns；圖騰柱輸出峰值電流為2A。4 保護電路設(shè)計4.1保護電路的作用 電力電子電路中設(shè)置保護電路主要是防止電路中電力電子器件的損毀。4.2電路原理圖圖4 過流保護電路圖5 過電壓保護電路4.3原理分析 電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。過電流分為過載和短路兩種情況。通常采用的保護措施有：快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器。一般電力電子裝置均同時采用集中過流保護措施，以提高保護的可靠性和合理性。綜合本次設(shè)計電路的特點，采用快速熔斷器，即給晶閘管串聯(lián)一個保險絲實施電流保護。如圖4電流保護電路所示。對

13、于所選的保險絲，遵從t2I值小于晶閘管的允許t2I值。 電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因。本設(shè)計主要用于室內(nèi)，為了使用方便不考慮來自雷擊的威脅。根據(jù)以上產(chǎn)生過電壓的的各種原因，設(shè)計相應(yīng)的保護電路。如圖5過電壓保護電路所示。其中：圖中是利用一個電阻加電容進行電壓抑制，當(dāng)電壓過高時，保護電路中的電容會阻礙其電壓的上升，從而防止電子器件IGBT管因電壓的過高厄爾損壞。圖5中的電阻可以是1K左右的電阻，而電容的值可以為100µF左右，這樣形成一個保護電路。5 仿真分析5.1仿真模型的建立方法 本次課程設(shè)計我采用的

14、是MATLAB進行仿真，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)圖1主電路原理圖，在Simulink中搭建系統(tǒng)主電路如圖6所示。主要用到了simpower systems工具箱和Simulink工具箱。圖中的逆變主電路用Universal Bridge 則更加簡單。圖中的變壓器起到隔離作用，使得SPWM波和負載波形同時能測取。5.2仿真電路模型圖6 主電路仿真圖圖7 驅(qū)動電路仿真圖5.3仿真效果圖產(chǎn)生頻率為30HZ時的實驗：圖8 30Hz仿真結(jié)果圖產(chǎn)生頻率為50HZ時的實驗：圖9 50Hz仿真結(jié)果圖5.4仿真結(jié)果分析 從圖6第五路波形可以看出，系統(tǒng)輸出正弦波周期為0

15、.033s左右，即輸出頻率約為30HZ。同理，從圖7第五路波形可以看出，系統(tǒng)輸出正弦波周期為0.02s左右，即頻率約為50Hz。圖6和圖7中，前三路波形分別為uUN ，uVN ，uWN 。第四路為沒有濾波前的uVW，第五路為濾波后的uVW。6 設(shè)計總結(jié)回顧此次電力電子技術(shù)課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在整整一星期的日子里，可以說是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多的東西，不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒不到的知識。在設(shè)計的過程中遇到很多問題，甚至可以說是困難重重，這畢竟第一次做，難免會遇到各種各樣的問題，比如有時候被一些看似微不足道，細節(jié)上的問題擋

16、住前進的步伐，讓我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，而且自己看起來挺好的設(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，自己認為學(xué)了沒用的課程現(xiàn)在也用到了。比如MATLAB在自動控制中的應(yīng)用這門課程，看起來不是很有用的東西現(xiàn)在卻都多多少少的集中在一塊兒了。 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)不夠扎實的我此時深感“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)全面進行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向老師和同學(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，感覺就是不知怎么下手，也