三相電壓源型SPWM逆變器的設(shè)計

1、20212021學(xué)年第2學(xué)期電力電子技術(shù)?課程設(shè)計報告題目：三相電壓源型SPWM逆變器的設(shè)計專業(yè)：電氣工程及其白動化班級：09電氣工程及其白動化姓名：指導(dǎo)教師：電氣工程系2021年5月12日任務(wù)書課題名稱三相電壓源型SPWM逆變器的設(shè)計指導(dǎo)教師職稱執(zhí)行時間20212021學(xué)年第2學(xué)期第12周學(xué)生姓名學(xué)號承當(dāng)任務(wù)電氣原理圖繪制，排版設(shè)計目的1.培養(yǎng)文獻檢索的能力，特別是如何利用圖書館及Interne查閱需要的文獻資料；2.培養(yǎng)綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力；3.培養(yǎng)運用知識的能力工程設(shè)計的能力；4.提高學(xué)生課程設(shè)計報告撰寫水平。設(shè)計要求1.設(shè)計表達有源逆變在工程上的應(yīng)用；2.有源逆變的主

2、電路圖使用Protel軟件繪制；3.使用Matlab軟件進行仿真；目錄摘要. 錯誤！未定義書簽。1設(shè)計原理.21.1 SPWM控制根本原理 .21.2逆變電路.21.3三相電壓型橋式逆變電路 .32設(shè)計方案.52.1逆變器主電路設(shè)計 .52.2脈寬控制電路的設(shè)計 .62.2.1 SG3524芯片.62.2.2利用SG3524生成SPWM信號.72.3驅(qū)動電路的設(shè)計.92.3.1 IR2110芯片.92.3.2驅(qū)動電路.93軟件仿真.103.1 Matlab軟件.103.2建模仿真 .1.14心得體會.12參考文獻.15附錄.16摘要本次課程設(shè)計題目要求為三相電壓源型SPWM逆變器的設(shè)計。設(shè)計過

3、程從原理分析、元器件的選取，到方案確實定以及Matlab仿真等，穩(wěn)固了理論知識，根本到達設(shè)計要求。本文將按照設(shè)計思路對過程進行剖析，并進行相應(yīng)的原理講解，包括逆變電路的理論 根底以及Matlab仿真軟件的簡介、運用等，此外，還會活晰的介紹各個局部電路以及元器 件的取舍，比方驅(qū)動電路、抗十?dāng)_電路、正弦信號產(chǎn)生電路等，其中局部電路的繪制采用 了Protel軟件，最后結(jié)合Matlab Simulink仿真，建立了三相全控橋式電壓源型逆變電路的 仿真模型，進而通過軟件得到較為理想的實驗結(jié)果。關(guān)鍵詞：三相電壓源型逆變電路Matlab仿真三相電壓源型SPWM逆變器的設(shè)計1設(shè)計原理1.1 SPWM控制原理分

4、析PWM(Pulse Width Modulation)控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)最重要的理論根底是面積等效原理，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，其效果根本相同。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。1.2逆變電路逆變電路的作用是將直流電壓轉(zhuǎn)換成梯形脈沖波，經(jīng)低通濾波器濾波后，從而使負載上得到的實際電壓為正弦波，逆變電路是由4個IGBT管(VT1、VT2、VT3、VT4 )組成的全橋式逆變電路組成，如圖1所示。圖1逆變電路當(dāng)交流側(cè)接在電網(wǎng)上，

5、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。此外，逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是 電壓源的稱為電壓型逆變電路，直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。本次課程設(shè)計任 務(wù)要求為電壓型逆變電路的設(shè)計。1.3三相電壓型橋式逆變電路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)用最為廣泛 的還是三相橋式逆變電路。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所示，可以看成是由三個半橋逆變電路組成。圖2三相電壓型橋式逆變電路電路的直流側(cè)通常只有一個電容器就可以了，但為了方便分析，畫作申聯(lián)的兩個電容 器并標(biāo)出假想中點 N N

6、0和單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的根本 工作方式也是 180180導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電角度為 180180 二 同一相即同一半橋上下 兩個臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度以此相差120120。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導(dǎo)通。因 為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行，因此也被稱為縱向換流。以下分析三相電壓型橋式逆變電路的工作波形。對丁U相輸出來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時，UUN，= UJ2，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時,UUN=-UJ2。因此，UUN的波形是幅值為U2的矩形波。V、W兩相的情況和U相類似，UVN、

7、UWN的波形形狀和UUN相同，只是相位依次差120。 負載線電壓可由下式求出：UUV=UUN UVN_iUVW UVN UWNUWU =UWN UUN設(shè)負載中點N與直流電源假想中點 NN之間的電壓為UNN*，那么負載各相的相電壓分別為:UUN -UUN-UNNUVN -UVN -UNNUWN=UWNUNN三相電壓型橋式逆變電路的工作波形如圖3所示。卜面對三相橋式逆變電路的輸出電壓進行定量分析。把輸出線電壓展開成傅里葉級數(shù)/曰倚：UUV=2 3d(sin t】sin5 t - 1sin7 t sin11 t.) :57112毛、1 / * .=-sin t - (-1) sinnt式中，n n

8、=6k=6k 1 1 , , k k 為自然數(shù)。輸出線電壓有效值UUV為UUV=/土UUv2d切t =0.816Ud基波幅值Uuvim和基波有效值Uuvi分別為UuV1m=E ；人1=檬=乎山=理接下來，我們再對負載相電壓UUN進行分析。把UJN展開成傅里葉級數(shù)得2U2Ud1 11 11 1u uUNUN= =-(sin(sin t t -sin-sin 5 5 1 1 -sin-sin 7 7 t t sinllsinll t t .) )二5 57 711112Ud1-=一(sin t sinn，t)二nn式中，n n =6k=6k 1 1 , ,k為自然數(shù)。負載相電壓有效值UUN為_12

9、二2.UUN = , cUUNdt =.471Ud20基波幅值UuN1m和基波有效值UUN1分別為UuN1m=. .637Ud；UuN=0.45Ud2設(shè)計方案2.1逆變器主電路設(shè)計圖4是SPWM逆變器的主電路設(shè)計圖。圖中VI -V6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)，整個逆變器由包值直流電壓U供電。一組三相對稱的正弦參考電壓信號Uc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Uc是共用的，分別與每相參考電壓比擬后，給出 止或 零的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波。

10、Uda ,Udb ,Udc作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制信號。當(dāng)UruUun=-Ud/2時，給V4導(dǎo)通信號，給V1關(guān)斷信號Uun=-Ud/2，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。Ud和Uwn的PWM波形只有土Ud/2兩種電平。當(dāng)UruAUc時，給V1導(dǎo)通信號，給V4關(guān)斷信號，Uun=-Ud/2。Uuv的波形可 由Uun，Uvn得出，當(dāng)1和6通時，Uuv=Ud，當(dāng)3和4通時，Uuv= Ud，當(dāng)1和3或4和6通時，Uuv=0。輸出線電壓PWM波由土Ud和0三種電平構(gòu)成負載相電壓PWM波由(蟲/3)Ud ,(蟲/3)Ud和0共5種電平組成。圖4 SP

11、WM逆變器的主電路設(shè)計圖防直通的死區(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。2.2脈寬控制電路的設(shè)計2.2.1 SG3524芯片SG3524芯片是集成PWM控制器，其引腳圖和內(nèi)部框圖分別如圖5、圖6所示圖5 SG3524引腳圖SG3524X作過程是這樣的:直流電源Vs從腳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6須外接電

12、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)態(tài)觸發(fā) 器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式送至比擬器的同相端，比擬器的反向端接正弦波調(diào)制信號，通過芯片內(nèi)置的比擬器完成載波和調(diào)制波的比擬，產(chǎn)生SPWM信號。2.2.2利用SG3524生成SPWM信號161581212+I115131014376945 V 左 序據(jù) 聲*圖6 SH3524內(nèi)部框圖2.2.2.1調(diào)制涉及載波的產(chǎn)生正弦波信號M由函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生。. 015正弦波的頻率由R、&和C來決定，f=-，為了調(diào)試萬便，將R、&am

13、p;都用可(R+&) C1調(diào)電阻，R和R是用來調(diào)整正弦波失真度用的通過查詢資料得知，當(dāng) f=50Hzf=50Hz 時，取R+R2=9.7KQ，其中 C=0.22PFC=0.22PF。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Ur,另外兩路得到與正弦波同頻率、同相位的方波和三角波。ICL8038的引腳圖如圖8所示SiNOUT 2TRI OJT 3Of MJ 4I* ADJ. 59 SOOTIMHI AS 7圖8 ICL8038引腳圖載波可以是等腰三角波或者鋸齒波，由丁SH3524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。2.2.2.2 SPWM信號

14、的產(chǎn)生ICL8038產(chǎn)生的正弦波q與1V基準(zhǔn)經(jīng)過加法器后得到Ud, Ud輸入到SG3524的腳1,R3+15V14 NCU MJ? g .5Hv圖7 ICL8038用于正弦波信號發(fā)生腳2與腳9相連，這樣ud和鋸齒波將在SG3524內(nèi)部的比擬器進行比擬產(chǎn)生SPWM信號。左電橋的控制信號可以由正弦信號與直流電壓通過電壓比擬器產(chǎn)生，本次課程設(shè)計采 用LM339芯片，其引腳圖如圖9所示。LM339集成塊內(nèi)部裝有四個獨立的電壓比擬器，可以任意選用，該電壓比擬器主要有 以下幾個特點：1失調(diào)電壓小，典型值為2mV;2電源電壓范圍寬，單電源為2-36V,雙電源電壓為土V-=d8V;3比照擬信號源的內(nèi)阻限制較寬

15、；4共模范圍很大，為0- Ucc-1.5VV;5差動輸入電壓范圍較大，大到可以等丁電源電壓；6輸出端電位可靈活方便地選用。2.3驅(qū)動電路的設(shè)計2.3.1 IR2110芯片由丁LM3S1138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IR2110OIR2110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)動同一橋臂兩路、響應(yīng)快典型ton/toff=120/94ns、偏置電壓高600V、驅(qū)動能力強等特點，同時還具有外部保護封鎖端口， 常用丁驅(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

16、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10所示。圖10 IR2110構(gòu)成的驅(qū)動電路2.3.2驅(qū)動電路IR2110自身的保護功能非常完善：對丁低壓側(cè)通道，利用2片IR2110驅(qū)動全橋逆變 電路的電路圖如圖11所示。圖11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)在柵極申聯(lián)十幾歐到幾白歐的限流電阻。IR2110的最大缺乏是不能產(chǎn)生負偏壓，由 于密勒效應(yīng)的作用，在開通與關(guān)斷時，集電極與柵極問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

17、率管柵極限流電阻R1、R2上反向并聯(lián)了二極管D4、D5。3軟件仿真3.1 Matlab軟件Matlab軟件提供的仿真工具箱Simulink是一個功能十分強大的仿真軟件，它可以根據(jù) 用戶的需要方便的為系統(tǒng)建立模型，并且十分直觀，仿真精度高，結(jié)果準(zhǔn)確。特別是其電 力系統(tǒng)模塊庫PSB中包含了大量的電力電子功能模塊，為我們仿真提供了極大的便利。Matlab提供了系統(tǒng)模型圖形輸入工具 Simulink工具箱。在Matlab中的電力系統(tǒng)模 塊庫PSB以Simulink為運算環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電力系統(tǒng)等電工學(xué) 科中常用的根本原件和系統(tǒng)仿真模型。它由以下6個子模塊組成：電源模塊庫、連接模塊

18、庫、測量模塊庫、電力電子模塊庫、電機模塊庫、根本件模塊庫。在這6個根本模塊庫的根底上，根據(jù)需要還可以組合出常用的、復(fù)雜的其他模塊添加到所需的模塊庫中，為電力 系統(tǒng)的研究和仿真帶來更多的方便。3.2建模仿真SPWM控制方式下的三相逆變電路主電路如圖12所示：圖12三相逆變電路主電路根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，直流電源電壓為400V，要求輸出三相180V、40Hz的交流電, 帶對稱RL負載星形接法，其中R的值為2Q、L的值為1 0mH。運行仿真圖形，并點擊示波器可得輸出交流電壓，交流電流波形如圖13、圖14所示:ime offset: 0.35圖13 SPWM方式下三相交流電壓輸出波形0Q.0C5H.010.0150.020.0250.030.035D.04 QW50LO5Tiirie oflset: 1A圖14 SPWM方式下三相