【工程】電力電子課程設(shè)計(jì)三相橋式SPWM逆變電路的設(shè)計(jì)及仿真

IIII文檔來源為:從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.關(guān)鍵字】工程號學(xué)計(jì)題課{目變課程設(shè)計(jì){論文1任務(wù)的圍渭量FO范我質(zhì)飲率訣形負(fù)頻-MJ0八0?匕匕H加‘n厶冃J一◎電七是R<>流M二H交冊；00電為原、咼4久換25度在姆數(shù)轉(zhuǎn)叭精應(yīng)眩術(shù)效理穩(wěn)路明阻技有辺是；電說電匕匕喪一理戶十、厶冃寸西i‘求電擁：選保。設(shè)載契流剛W-的動果；負(fù)及直M方°#驅(qū)結(jié)份堪夠翊與際翻陳如葉n耐『如亦、安;<帥砂「、為領(lǐng)要方控；，計(jì)，能作仆±-求計(jì)、r型設(shè)0V功源各。要設(shè)路計(jì)模印10血的電正高及統(tǒng)電的真打?yàn)?H成能變于越務(wù)黍主數(shù)仿、數(shù)氐O完功逆用來任定計(jì)參立寫參電~1題現(xiàn)弦應(yīng)越計(jì)確設(shè)各建撰術(shù)流HZ課實(shí)正地也設(shè)、、、、、技直10乏樣12345n更知進(jìn)度計(jì)劃X9天z(\碟)O天統(tǒng)2)系{天定計(jì)1確設(shè)1<天O沖天天需1(2訕資11電天{說閱{{制1究計(jì)查析定控{冊設(shè)，分確觸算與印P務(wù)能案、計(jì)肝打1任功方路ft-分1豊統(tǒng)統(tǒng)電參真寫辯布條條主備>異客、、、、、、、、12345678指導(dǎo)教師評語及成績?nèi)正R月簽師豐教年指答:賽時成平總院（系）：電氣工程學(xué)院摘要根據(jù)三相橋式SPWM逆變電路的工作原理以及特點(diǎn)，采用Simulink中的相關(guān)模塊建立仿真模型，仿真分析其典型電流、電壓波形和工作過程，得到了三相橋式SPWM控制波、負(fù)載線電壓、負(fù)載相電壓、負(fù)載相電流、負(fù)載中性點(diǎn)電壓、電源電流波形，解決了三相橋式SPWM逆變電路教學(xué)中的難點(diǎn)問題。利用該模型輔助三相橋式SPWM逆變電路教學(xué)，直觀生動，交互性強(qiáng)，動態(tài)顯示傳真波形。論述了單項(xiàng)正弦波逆變器的工作原理，介紹了SG3524的功能及產(chǎn)生SPWM波的方法，對逆變器的控制及保護(hù)電路做了詳細(xì)介紹，給出了輸出電壓波形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：三相橋式SPWM逆變；Simulink；仿真；波形；目錄3.3正弦脈寬調(diào)制的調(diào)制算法3.3.1自然采樣法TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"4.2控制電路設(shè)計(jì)9\o"CurrentDocument"4.3仿真結(jié)果與分析10\o"CurrentDocument"第五章課程設(shè)計(jì)總結(jié)15參照文獻(xiàn)6第1章緒論電力電子技術(shù)是跨越電力技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)理論三個領(lǐng)域的一門新興交叉學(xué)科，它主要研究應(yīng)用了電路領(lǐng)域的各種電力半導(dǎo)體器件及其裝置，以實(shí)現(xiàn)對電能的變換和控制。它可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)、交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等。該課程已成為電氣工程與自動化、自動化、電力系統(tǒng)自動化等電類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。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(jì)生產(chǎn)生活中，其中有：針對計(jì)算機(jī)等重要負(fù)載進(jìn)行斷電保護(hù)的交流不間斷電源UPS(UninterruptlePowerSupply)；針對交流異步電動機(jī)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(EmergencePowerSupply)；針對船舶工業(yè)用電的岸電電源SPS(ShorePowerSupply)；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(InsulatedGateBipolarTransistor)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(shí)現(xiàn)提供了新的實(shí)現(xiàn)方法，從而進(jìn)一步簡化了正弦逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制。IGBT最大的優(yōu)點(diǎn)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(jī)理是陰極引線焊點(diǎn)開路和焊點(diǎn)較低的疲勞強(qiáng)度，另外,絕緣材料的缺陷也是一個問題。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(diǎn)是它的6個功率管都工作在較高頻率，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。本文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(jìn)行了研究，以SG3524為主控制芯片，以期得到一種較理想的調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)逆變電源變壓、變頻輸出。第2章課程設(shè)計(jì)的方案2.1三相橋式SPWM逆變電路的設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求對于三相橋式SPWM逆變電路的主電路及控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，參數(shù)要求如下,直流電壓為110V,三相阻感負(fù)載，負(fù)載中R=2.1Q,L=1.2mH，要求頻率范圍：10Hz~100Hz。設(shè)計(jì)要求：理論設(shè)計(jì)：了解掌握三相橋式SPWM逆變電路的工作原理，設(shè)計(jì)三相橋式SPWM逆變電路的主電路和控制電路。包括：IGBT電流，額定電壓的選擇驅(qū)動保護(hù)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列出主電路所用元器件的明細(xì)表仿真試驗(yàn):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(jìn)行仿真建模，元件管腳數(shù)，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)。2.2SPWM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于橫軸所包圍的面積都用與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)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-直-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(jì)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(shí)用的方法是引用通信技術(shù)中的“調(diào)制”這一概念，以所期望的波形作為調(diào)制波，而受它調(diào)制的信號稱為載波。在SPWM中常用等腰三角形作為載波。因?yàn)榈妊切尾ㄊ巧舷聦ΨQ變化的波形，當(dāng)它與任何一個光滑的曲線相交時，在交點(diǎn)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。圖1可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器變頻圖2不控整流、斬波器調(diào)壓、六拍逆變器變頻圖3不控整流、PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻第三章SPWM逆變器的工作原理3.1工作原理圖4是SPWM變頻器的主電路，圖中VT1?VT6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)，整個逆變器由恒值直流電壓U供電。它的控制電路中一組三相對稱的正弦參照電壓信號由參照信號發(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)。參照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，分別與每相參照電壓比較后，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。圖4主電路當(dāng)時，給V4導(dǎo)通信號，給VI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波形只有土Ud/2兩種電平。當(dāng)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，二一，當(dāng)1和3或4和6通時，=0。輸出線電壓PWM波由土和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(bǔ)，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。3.2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，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。3.2.1單極性正弦脈寬調(diào)制單極性正弦脈寬調(diào)制用幅值為U的參考信號波U與幅值為f,頻率為f的rroo三角波U比較，產(chǎn)生功率開關(guān)信號。c參考波頻率f決定了輸出頻率f，每半周期的脈沖數(shù)P決定于載波頻率f。ooc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0~1變化時，脈寬由0?n/p變化,輸出電壓由0?E變化。如果每個脈沖寬度為e,則輸出電壓的傅里葉級數(shù)展開式為：系數(shù)An和Bn由每個脈寬為。，起始角為a的正脈沖來決定和對應(yīng)的負(fù)脈沖起始角n+a來決定。如果第j個脈沖的起始角為.則有由式(2-3a)、式(2-3b)可計(jì)算輸出電壓的傅里葉級數(shù)的系數(shù)3.2.2雙極性正弦脈寬調(diào)制雙極性正弦脈寬調(diào)制原理輸出電壓Uo(t)波形在0?2n區(qū)間關(guān)于中心對

稱、在0?n區(qū)間關(guān)于軸對稱，其傅里葉級數(shù)展開式為式中輸出電壓Uo(t)可看成是幅值為E,頻率為f的方波與幅值為2E、頻°a,a,a,a率為f的負(fù)脈沖序列(起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為1232pt2p的疊加。因此c則輸出電壓為輸出電壓基波分量L…，為需要注意的是，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)。3.3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(diǎn)，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(jì)算出這兩個點(diǎn)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(jì)算機(jī)來說，時間由軟件實(shí)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)制算法主要有自然米樣法、規(guī)則米樣法、等面積法等。3.3.1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(diǎn)進(jìn)行脈沖寬度和間隙的采樣，去生成SPWM波形，成為自然采樣法。3.3.2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(yùn)算，又提出了規(guī)則采樣法。其出發(fā)點(diǎn)是設(shè)法使SPWM波形的每個脈沖都與三角波中心線對稱。3.3.3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)Ht一定是6的整數(shù)倍，因?yàn)槿嗾也ǎ黜?xiàng)相位互差120。，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)倍。由圖(10)可見，H越大，輸t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(jì)算新脈沖的數(shù)量，節(jié)省計(jì)算機(jī)計(jì)算時間。輸出頻率f與區(qū)段數(shù)H、每個區(qū)段脈沖數(shù)N及脈沖周期T(卩s)之間的關(guān)系為MATLAB仿真設(shè)計(jì)第四早MATLAB仿真設(shè)計(jì)第四早4.1主電路整個三相橋式PWM逆變電路的設(shè)計(jì)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。圖中的逆變主電路用UniversalBridge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5主電路原理圖4.2控制電路設(shè)計(jì)控制電路原理如下：據(jù)自然采樣法，三個互差120。的正弦波與高頻三角載波進(jìn)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6三相橋式PWM逆變電路中的控制部分電路MATLAB仿真模型66文檔來源為:從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.圖7頻率為30HZ仿真模型4.3仿真結(jié)果與分析產(chǎn)生頻率為30HZ時的實(shí)驗(yàn)，將控制電路中的三相正弦波函數(shù)發(fā)生器SineWave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(yùn)行系統(tǒng)，顯示如圖7所示。從圖7可以看出，系統(tǒng)輸出正弦波周期為0.033s左右，即頻率約為30HZ?前三路波形分別為uun，，uVN，，uWN，。第四路為濾波前的uVW，第五路為濾波后的uVW。

圖8頻率為50HZ的仿真模型產(chǎn)生頻率為50HZ時的實(shí)驗(yàn)，從圖8可以看出，系統(tǒng)輸出正弦波周期為0.02s,即頻率為50HZ。圖9頻率為100HZ的仿真模型產(chǎn)生頻率為100HZ時的實(shí)驗(yàn)，從圖9可以看出，系統(tǒng)輸出正弦波周期為0.01s，即頻率為100HZ。圖10LC濾波裝置L為工頻電感，電感量可選為1?2mH。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CBB61-10UF-250VAC.帶濾波頻率為100Hz，三正弦波源電壓幅值0.8V時逆變波形圖文檔來源為文檔來源為:從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.1010文檔來源為:從網(wǎng)絡(luò)收集整理.word版本可編輯.歡迎下載支持.圖11帶濾波的電流'，電壓U,UcabaN帶濾波，為50Hz，三正弦波源電壓幅值0.8V時逆變波形圖圖12帶濾波的電流i,電壓UbN圖cabaN加LC濾波裝置后發(fā)現(xiàn)輸出電流i，電壓U,U為標(biāo)準(zhǔn)正弦波?通過調(diào)節(jié)信號cabaN波波的fo,uo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。第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié)這是上大學(xué)以來第二次課程設(shè)計(jì)，沒了第一次的慌亂，但同樣艱難。歷時兩個星期，這兩個星期的學(xué)習(xí)，我發(fā)現(xiàn)了自己太多太多的不足，知識的漏洞，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的缺乏，理論聯(lián)系實(shí)際的能力更有待于提高。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實(shí)際問題鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)。是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，電子技術(shù)已成為當(dāng)今世界空前活躍的領(lǐng)域，在生活中可以說是無處不在。作為二十一世紀(jì)的大學(xué)生來說掌握電子的開發(fā)技術(shù)是非常重要的?；仡櫞舜握n設(shè)過程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨萬分。的確，從收到任務(wù)到定稿，從理論到實(shí)踐，在整整一星期的日子里，可以說是苦大于甜，但同時我學(xué)到了很多東西，鞏固了以前學(xué)到的知識，又學(xué)到了許多新的知識。在設(shè)計(jì)過程中遇到的困難可謂五花八門，比如有時被一些細(xì)小的問題擋住前進(jìn)的步伐，讓我總是為了一個小問題花費(fèi)很長的時間。最后還是查閱了許多相關(guān)的書籍才找到了解決問題的方法。自己看起來完美的設(shè)計(jì)在實(shí)踐中卻漏洞百出，這讓我發(fā)現(xiàn)了我以前所學(xué)的知識有多麼的不扎實(shí)。最后，我總結(jié)出如下幾點(diǎn)，希望我能夠謹(jǐn)記。態(tài)度決定一切。好的態(tài)度即是成功的開始，要認(rèn)認(rèn)真真的全身心投入，注意每一個細(xì)節(jié)。溫故而知新。課程設(shè)計(jì)開始的思緒全無，舉步維艱，對于理論知識學(xué)得不扎實(shí)的我深感無力。于是想起了溫故而知新，便重拾教程和實(shí)驗(yàn)手冊，對知識進(jìn)行了系統(tǒng)而全面的梳理，遇到了困難先是苦事冥想再向同學(xué)請教，終于熟練掌握了基本理論知識。實(shí)踐出真理。到今天課程設(shè)計(jì)基本完成，才切身領(lǐng)悟到“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)?！庇捎赟PWM控制信號的產(chǎn)生比較復(fù)雜，我查閱了很多的資料，嘗試過用不同的方法設(shè)計(jì)產(chǎn)生。比如分立元件，集成芯片，最終選擇了用SG3524集成芯片。電路接線雖復(fù)雜，但能實(shí)現(xiàn)的功能更為強(qiáng)大。以后還需進(jìn)一步學(xué)習(xí)運(yùn)用。最后我還用EWB軟件設(shè)計(jì)畫出部分的實(shí)際電路模板。課程設(shè)計(jì)終于順利完成，我學(xué)會了很多，也發(fā)現(xiàn)了有太多的工具和理論知識有待學(xué)習(xí)。我會更努力的，用知識架起理論和實(shí)際的橋梁。參考文獻(xiàn)王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].4版.北京：