無源三相PWM逆變器控制電路設(shè)計(jì)

1、.無源三相PWM 逆變器控制電路設(shè)計(jì)一、課程設(shè)計(jì)的目的通過電力電子計(jì)術(shù)的課程設(shè)計(jì)達(dá)到以下幾個(gè)目的：1、培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)檢索的能力， 特別是如何利用Internet檢索需要的文獻(xiàn)資料。2、培養(yǎng)學(xué)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(xué)生運(yùn)用知識的能力和工程設(shè)計(jì)的能力。4、培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用仿真工具的能力和方法。5、提高學(xué)生課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫水平。二、課程設(shè)計(jì)的要求1 注意事項(xiàng)逆變器三相C d1交M流電C d2源三相正比驅(qū)弦波死區(qū)較動(dòng)生成電電三角波電路路路發(fā)生器動(dòng)驅(qū)MWP控制框圖設(shè)計(jì)裝置（或電路）的主要技術(shù)數(shù)據(jù)主要技術(shù)數(shù)據(jù);,.輸入交流電源：三相 380V， f=50Hz交直變換采用二極管整流橋電

2、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(diào)，輸出負(fù)載為三相異步電動(dòng)機(jī)， P=5kW 等效為星形 RL 電路， R=10，L=15mH2. 在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)靈活運(yùn)用所學(xué)的電力電子技術(shù)知識和創(chuàng)造性的思維方式以及創(chuàng)造能力3. 在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)獨(dú)立分析和獨(dú)立解決問題的能力4. 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是主電路的確定，主電路的分析說明，主電路元器件的計(jì)算和選型，以及控制電路設(shè)計(jì)。報(bào)告最后給出所設(shè)計(jì)的主電路和控制電路標(biāo)準(zhǔn)電路圖。5. 課程設(shè)計(jì)用紙和格式統(tǒng)一三設(shè)計(jì)內(nèi)容：整流電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇濾波電容參數(shù)選擇三相逆變主電

3、路的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇IGBT 電流、電壓額定的選擇三相 SPWM 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖;,.根據(jù)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：i aVD 1VD3VD 5TiaidOtai CiRud+bCRi ab)cOtVD 4VD 6VD2a)c)圖 2.1 考慮電感時(shí)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(shí)的交流側(cè)電流波形c）重載時(shí)的交流側(cè)電流波形1. 其工作原理如下所示：該電路中，當(dāng)某一對二級管導(dǎo)通時(shí)，輸入直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)， 該線電壓既向電容供電， 也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二級管導(dǎo)通時(shí)，由電容向

4、負(fù)載放電，ud 按指數(shù)規(guī)律下降。設(shè)二極管在局限電路電壓過零點(diǎn) 角處開始導(dǎo)通，并以二極管 VD 6 和 VD 1 開始同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn)，則線電壓為 uab= 6 U2sin（t+ ）;,.而相電壓為ua=2 U2sin(t+ )6在t=0 時(shí)，二極管 VD 6 和 VD 1 開始同時(shí)導(dǎo)通，直流側(cè)電壓等于 uab；下一次同時(shí)導(dǎo)通的一對管子是VD 1 和 VD 2，直流側(cè)電壓等于uab。這兩段導(dǎo)通過程之間的交替有兩種情況，一種是在VD 1 和 VD 2 同時(shí)導(dǎo)通之前VD 6 和 VD 1 是關(guān)斷的，交流側(cè)向直流側(cè)的充電電源 id 是斷續(xù)的；另一種是 VD 1 一直導(dǎo)通，交替時(shí)由 VD 6 導(dǎo)

5、通換相至 VD 2 導(dǎo)通，id 是連續(xù)的。介于二者之間的情況是， VD 1 和 VD 6 同時(shí)導(dǎo)通的階段與 VD 1 和 VD 2 同時(shí)導(dǎo)通的階段在 t+ = 2 出恰好連接起來， id 恰好連續(xù)。由 “電壓下降速度相等 ”3的原則，可以確定臨界條件。假設(shè)在wt+d =2p/3 的時(shí)刻 “速度相等 ”恰好發(fā)生，則有E m sin 2 e12t -( - )dE msin(dRC3t +)3d(t)t + = 2d(t)3可得 wRC=2t +=33這就是臨界條件。3 wRC>和3 wRC<分別使電流id斷續(xù)和連續(xù)的條件。對一個(gè)確定的裝置來講，通常只有R 是可;,.變的，它的大小反映

6、了負(fù)載的輕重。因此可以說，在輕載時(shí)直流側(cè)獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時(shí)是連續(xù)的，分界點(diǎn)就是R=wC?？紤]實(shí)際電路中存在的交流側(cè)電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感時(shí)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(fù)載的加重， 電流波形與電阻負(fù)載時(shí)的交流側(cè)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(diǎn)如下所示：（1）二極管的導(dǎo)電角 < ，流過二極管的瞬時(shí)電流很大電流的有效值和平均值的關(guān)系與波形有關(guān)，在平均值相同的情況下，波形越尖，有效值越大。在純電阻負(fù)載時(shí)，變壓器副邊電流的有效值 I2 = 1.11I L，而有電容濾波時(shí)（2）負(fù)載平均電壓VL 升高，紋波（

7、交流成分）減小，且R 越大，電容放電速度越慢，則負(fù)載電壓中的紋波成分越小，負(fù)載平均電壓越高。為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般取 (35)式中 T 為電源交流電壓的周期。（3）負(fù)載直流電壓隨負(fù)載電流增加而減小。VL 隨 I L;,.的變化關(guān)系稱為輸出特性或外特性，如圖1 所示。C 值一定，當(dāng)，即空載時(shí)當(dāng) C=0，即無電容時(shí)在整流電路的內(nèi)阻不太大（幾歐）和放電時(shí)間常數(shù)滿足式 (3 5) 的關(guān)系時(shí)，電容濾波電路的負(fù)載電壓 VLV2 的關(guān)系約為VL=(1.1 1.2)V2總之，電容濾波電路簡單， 負(fù)載直流電壓 VL 較高，紋波也較小，它的缺點(diǎn)是輸出特性較差，故適用于負(fù)載電壓較高，負(fù)載變動(dòng)不大的場合。2.3

8、二極管的選擇在選擇整流二極管時(shí)，主要考慮兩個(gè)參數(shù)，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(dǎo)通的，所以流經(jīng)每個(gè)二極管的平均電流為在選擇整流管時(shí)應(yīng)保證其最大整流電流IF>ID 。二極管在截止時(shí)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(shí)， D1、 D3 導(dǎo)通，;,.D2、D4 截止。此時(shí) D2、D4 所承受的最大反向電壓均為v2 的最大值，即同理，在 v2 的負(fù)半周， D 1、D 3 也承受到同樣大小的反向電壓。所以，在選擇整流管時(shí)應(yīng)取其反向擊穿電壓VBR > VRM 。根據(jù)要求，逆變電路采用三相橋

9、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(gè)三角載波 uc,三相的調(diào)制信號 urU ,uRv 和 urW 依次相差 120°。 U,V 和 W 各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U 相為例來說明。當(dāng) urU 大于 uc 時(shí)，給上橋臂 V 1 導(dǎo)通信號，給下;,.橋臂 V 4 以關(guān)斷信號，則U 相相對于直流電源假象中點(diǎn)N 的輸出電壓 uUn =Ud/2。當(dāng) urU 小于 uc 時(shí)，給 V4 一導(dǎo)通信號，給V 1 上橋臂關(guān)斷信號時(shí)，則 uUN =U d 2 。V1 和

10、V4 的驅(qū)動(dòng)信號始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給 V 1（V 4）以導(dǎo)通信號，也可能是二極管VD1(VD4) 續(xù)流導(dǎo)通這要由阻感負(fù)載中電流方向來決定。這是因?yàn)樽韪胸?fù)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?？梢缘贸觯腜WM 波形都只有兩種電平，當(dāng)臂 1 臂 6 導(dǎo)通時(shí) uUV =Ud，當(dāng)臂 3 和臂 4 導(dǎo)通時(shí) uUV =Ud，當(dāng)臂 1 和臂 3 或臂 4 和臂 6 導(dǎo)通時(shí) uUV =0。因此，逆變器的輸出線電壓 PWM 波由 Ud 和 0 三種電平構(gòu)成。而且負(fù)載相電壓 PWM 波由 ( ±2/3)Ud、( ±1/3)Ud 和 0 共 5 種電平組成

11、 ，其波形圖如圖 3.2 所示。圖 3.2（ 2） U 相的控制規(guī)律當(dāng) urU>uc 時(shí)，給 V1 導(dǎo)通信號，給 V4 關(guān)斷信號， uUN=Ud/2;,.當(dāng) urU<uc 時(shí)，給 V4 導(dǎo)通信號，給 V1 關(guān)斷信號，uUN=-Ud/2當(dāng)給 V1(V4) 加導(dǎo)通信號時(shí)，可能是V1(V4) 導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4) 導(dǎo)通2 IGBT 的選擇參數(shù)的選擇一條原則是適當(dāng)留有余地，這樣才能確保長期、可靠、安全地運(yùn)行。工作電壓50% -60% ，結(jié)溫 70 -80%在這條件下器件是最安全的。制約因素如下：（1 ） 在關(guān)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；

12、 IGBT 峰值電流是根據(jù)200% 的過載和120% 的電流脈動(dòng)率下來制定的；結(jié)溫一定<150以下，指在任何情況下，包括過載時(shí)。（2 ） 開通電壓 15V±10%的正柵極電壓，可產(chǎn)生完全飽和，而且開關(guān)損耗最小，當(dāng) <12V 時(shí)通態(tài)損耗加大， >20V 時(shí)難以實(shí)現(xiàn)過流及短路保護(hù)。（3） 關(guān)斷偏壓 -5 到-15V 目的是出現(xiàn)噪聲仍可有效關(guān)斷，并可減小關(guān)斷損耗最佳值約為 -10V。（4） IGBT 不適用線性工作，只有極快開關(guān)工作時(shí)柵極才可加較低 311V 電壓（5） 飽和壓降直接關(guān)系到通態(tài)損耗及結(jié)溫大小，希望越小越好，但價(jià)格就要大。所以根據(jù) IJBT 的制約因素，主電

13、路的電流電壓值及設(shè)計(jì)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(guān)器件的通斷進(jìn)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(jìn)行調(diào)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(diào)制技術(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）理論基礎(chǔ) : 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。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(yīng)波形基本相同PWM波形可等效的各種波形，例如

14、：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(gè)正弦半波的方法：;,.正弦半波 N 等分，可看成 N 個(gè)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(diǎn)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(fù)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。要改變等效輸出正弦波幅值時(shí)，只

15、要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。2控制方法調(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(fù)半周為負(fù)極性的三角波。 在 ur 和 uc 的交點(diǎn)時(shí)刻控制 IGBT 的通斷。在 ur 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稱為單極性 PWM控制方式。和單極性 PWM控制方式相對應(yīng)的是雙極性控制方式。采用雙極性方式時(shí)，在 ur 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)，所得的 PWM形也是有正有負(fù)。在ur 的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的 PWM波只有± U

16、d 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ur 和載波信號 uc 的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)的通斷。在 ur 的正負(fù)半周，對各開關(guān)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(shè)計(jì)需要三相正弦交流電源發(fā)生器，根據(jù)設(shè)計(jì)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(shí)改變R7和 R12，就可以改變正弦參考信號的頻率，從而實(shí)現(xiàn)了變頻功能。在本設(shè)計(jì)中，我用一個(gè)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(gè)特殊結(jié)構(gòu)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=32 R7C1=32 R12C 3所以

17、由32 R7C1=20，可以確定參數(shù)為： R7=1K, C1=5Uf.同時(shí)通過對其他參數(shù)的調(diào)整確定正旋波的幅值為1v。所以三相正弦參考信號分別表示為： UA = sin(125.6 t)UB = sin(125.6 t- 120。 ) UC = sin(125.6 t -240。 )第九章驅(qū)動(dòng)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(shí)候需要驅(qū)動(dòng)電路，才能使IGBT 管子正常地開通和關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路必須具備2 個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng) IGBT 柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。實(shí)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(jù)設(shè)計(jì)要求

18、，采用芯片M57962L 及其附件組成的驅(qū)動(dòng)電路，其電路圖如圖9.1 所示：+5V TLP521-14110k25V MUR4100EOCIC1OVCUG13VIVR1+C12512VC1+24V-1V1nVoutVin001n530V1k/+9VVccF+uSPWM1VinM57962L0C118VGND01E1C1MC7809T1n1n GND1Vee圖 9.1;,.課程設(shè)計(jì)的心得通過這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問題的能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我得體會們通過這個(gè)方案包括設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)同時(shí)也是對課本知識的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識太多

19、，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能， 而且考試內(nèi)容有限， 所以在這次課程設(shè)計(jì)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(rèn)識。平時(shí)看課本時(shí)， 有時(shí)問題老是弄不懂， 做完課程設(shè)計(jì)，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(shí)看課本，這次看了，下次就忘了，通過動(dòng)手實(shí)踐讓我們對各個(gè)元件映象深刻。認(rèn)識來源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個(gè)期末測試之后的課程設(shè)計(jì)對我們的作用是非常大的。經(jīng)過一個(gè)星期的實(shí)習(xí)， 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(shí)滿富盛激情到最后汗水背后

20、的復(fù)雜心情， 點(diǎn)點(diǎn)滴滴無不令我回味無長。 生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見證著收獲。勞動(dòng)是人類生存生活永恒不變的話題。通過實(shí)習(xí)，我才真正領(lǐng)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(shè)計(jì)為我們的社會付出。我想說，設(shè)計(jì)確實(shí)有些辛苦，但苦中也有樂，在如今單一的理論學(xué)習(xí)中，很少有機(jī)會能有實(shí)踐的機(jī)會，但我們可以，而且設(shè)計(jì)也是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的任務(wù)，一起的工作可以讓我們有說有笑， 相互幫助，配合默契，多少人間歡樂在這里灑下，大學(xué)里一年的相處還趕不上這十來天的合作，我感覺我和同學(xué)們之間的距離更加近了；我想說，確實(shí)很累，但當(dāng)我們看到自己所做的成果時(shí)， 心中也不免產(chǎn)生興奮； 正所謂“三百六十行，行行出狀元”。我們同樣可以為社會作出我們應(yīng)該做的一切，這有什么不好？我們不斷的反問自己。也許有人不喜歡這類的工作，也許有人認(rèn)為設(shè)計(jì)的工作有些枯燥，但我們認(rèn)為無論干什么，只要人生活的有意義就可。社會需要我們，我們也可以為社會而工作。既然如此，那還有什么必要失落呢？