電力電子課設-三相逆變電路設計

/摘要本次課程設計題目要求為三相電壓源型SPWM逆變器的設計.設計過程從原理分析、元器件的選取，到方案的確定以及Mａt(yī)ｌab仿真等，鞏固了理論知識，基本達到設計要求.本文將按照設計思路對過程進行剖析,并進行相應的原理講解,包括逆變電路的理論基礎以及Mａt(yī)ｌab仿真軟件的簡介、運用等，此外，還會清晰的介紹各個部分電路以及元器件的取舍,比如驅動電路、抗干擾電路、正弦信號產生電路等，其中部分電路的繪制采用了Protｅus軟件,最后結合MatlabＳimuｌiｎｋ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果。關鍵詞：三相電壓源型逆變電路Mａt(yī)laｂ仿真目錄TＯC＼o”１—3”\h＼z\uＨYPERＬINＫ＼l”＿Tｏc２97６２5504”摘要 PAGEＲEF_Tｏc297625５04＼h1HＹPEＲLINK1.１．1ＰWM的基本原理 PAGEREＦ_Tｏc２９7625５07＼h３ＨYPERＬINK\l"_Toc２9７62５５08"１。1.2SＰWM逆變電路及其控制方法 ＰAGEREF＿Tｏc29７6２5508\h3ＨYＰＥＲLINK\l”_Toc29７62５509"1。2IGBT簡介?PAGEＲEF_Toc2976２5509\h4HＹPＥＲＬINK\l＂_Tｏc2９762５5１0"1.3逆變電路?PAＧＥREF_Toc2９7625５10\h５HYPERLINK＼l"_Ｔｏc2９７625511"1。4三相電壓型橋式逆變電路 PＡGＥREＦ_Toｃ297６2５511\h6HYPERLINＫ\l”_Toc２97６2５512＂2設計方案 PAGEＲEF＿Toc297625５12\h9ＨYPERLINＫ\l＂_Tｏc297６255１３”2．1逆變器主電路設計 PＡGＥREＦ_Tｏｃ2９7625513\ｈ9HYＰERLＩNK\ｌ”＿Ｔoc2976２5５14”2.2脈寬控制電路的設計?PAＧERＥF＿Ｔoｃ2９762551４＼h10HYＰERLINK＼l＂_Ｔｏc297６25５15"2。2。1SG3５２４芯片 PAGＥRＥF_Toc297６255１5＼h10HＹＰERLINK＼l"_Toc2９7625５1６”2.２.2利用SG35２4生成SPWM信號 PAＧEREＦ_Toc29７６25516＼h11HYＰERLINK\l＂_Toc２９７625５１7＂２．3驅動電路的設計?ＰAＧＥＲEF_Toc297６２551７\ｈ１3HYＰＥＲLＩNK＼l"_Toc２9７６25５1８”2。３.1ＩＲ２110芯片?PAGEＲＥＦ_Toc2976２5518\h13HYPＥRLINＫ\ｌ”_Ｔoc29７625519”2。３。2驅動電路 ＰAＧEＲEF_Tｏc2976２55１9\h1４ＨYPEＲLIＮK\l”_Ｔｏｃ297６２５520”3軟件仿真 ＰAGEREＦ_Toc２9７625520\h14HYPERLINK\l”_Toc２976２5521"3．１Ｍatlab軟件 PAＧERＥF_Toc2976２55２1\h14HYＰＥRLIＮK\ｌ"_Toc２９7６２552２"３。2建模仿真?PＡGＥREF_Toc297６２5５2２\ｈ１5HYＰERＬINＫ＼ｌ”_Toc29７6２５52３"4心得體會 PAGEREF_Ｔｏｃ297625５2３\ｈ19ＨYPERLINＫ\ｌ"_Tｏc2976２5５24"參考文獻 PＡＧEREF_Ｔｏc297625５24\h２0ＨYPＥRLＩNK\l”_Tｏc2９76２5525”附錄?２９７６2５525\h21三相電壓源型ＳＰWM逆變器的設計1設計原理１.1ＳＰWＭ控制原理分析1。1。１PＷM的基本原理ＰWM(PulseWidthＭｏdulａt(yī)ion）控就是對脈沖的寬度進行調制的技術，即通過一系列脈沖的寬度進行調制,來等效地獲得所需要的波形。PWM控制技術最重要的理論基礎是面積等效原理，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，其效果基本相同。ＳPWM控制技術是PWＭ控制技術的主要應用，即輸出脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效。1.１.2SPWM逆變電路及其控制方法SPWＭ逆變電路屬于電力電子器件的應用系統(tǒng)，因此，一個完整的SPWM逆變電路應該由控制電路、驅動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅動電路去控制主電路中電力電子器件的導通或者關斷,來完成整個系統(tǒng)的功能。目前應用最為廣泛的是電壓型ＰWM逆變電路，脈寬控制方法主要有計算機法和調制法兩種，但因為計算機法過程繁瑣,當需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位發(fā)生變化時,結果都要變化，而調制法在這些方面有著無可比擬的優(yōu)勢,因此，調制法應用最為廣泛。所為調制法,就是把希望輸出的波形作為調制信號,把接收調制的信號作為載波，通過信號波的調制得到所期望的ＰＷＭ波形。本次課程設計任務要求設計三相電壓源型SPＷM逆變電路,輸出PWM電壓波形等效為正弦波,因而信號波采用正弦波,載波采用最常用的等腰三角形。單相橋式電路既可以采取單極性調制，也可以采用雙極性調制，而三相橋式PWＭ逆變電路,一般采用雙極性控制方式。所為單極性控制方式，就是在信號波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，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,所得到的PWM波也是有正有負。在的一個周期內,輸出的PWM波只有兩種電平，而不像單極性控制時還有零電平。仍然在調制信號和載波信號的交點時刻控制各開關器件的通斷。在的正負半周，對各個開關器件的控制規(guī)律相同。1.2IGＢT簡介絕緣柵雙極晶體管（ＩＧBＴ)本質上是一個場效應晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個P型層。根據國際電工委員會的文件建議,其各部分名稱基本沿用場效應晶體管的相應命名.ＩＧBT的結構剖面圖如圖1所示。它在結構上類似于MＯSFET，其不同點在于IGBT是在N溝道功率MOSFEＴ的N＋基板(漏極)上增加了一個Ｐ+基板（IＧBT的集電極）,形成PＮ結ｊ１,并由此引出漏極、柵極和源極則完全與MＯSＦＥＴ相似。圖１IGＢＴ結構剖面圖由圖可以看出，ＩGBT相當于一個由MOSFEＴ驅動的厚基區(qū)ＧTＲ,其簡化等效電路如圖3所示。圖中Rｄｒ是厚基區(qū)GTR的擴展電阻.IGBT是以GTR為主導件、MＯSFＥT為驅動件的復合結構。ＩGBT的特性和參數特點可以總結為:１）IＧＢＴ開關速度高,開關損耗小;2）在相同電壓和電流定額的情況下，ＩＧＢT的安全工作區(qū)比ＧTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力;3)IGBT的通態(tài)壓降比VDMＯSFET低,特別是在電流較大的區(qū)域;4）與電力MOＳFET和GＴR相比,IGＢT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時可以保持開關頻率高。1．3逆變電路逆變電路的作用是將直流電壓轉換成梯形脈沖波，經低通濾波器濾波后，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2所示。圖2逆變電路當交流側接在電網上，即交流側接有電源時，稱為有源逆變；當交流側直接和負載連接時，稱為無源逆變。此外，逆變電路根據直流側電源性質的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路，直流側是電流源的稱為電流型逆變電路.本次課程設計任務要求為電壓型逆變電路的設計。電壓型逆變電路有以下主要特點:直流側為電壓源，或并聯有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現低阻態(tài)。由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因負載阻抗角情況不同而不同.當交流側為阻感負載時需要提供無功功率,直流側電容起緩沖無功能量的作用.為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯了反饋二極管。１。4三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，應用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路.采用ＩGBT作為開關器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖3所示，可以看成是由三個半橋逆變電路組成。圖3三相電壓型橋式逆變電路電路的直流側通常只有一個電容器就可以了，但為了方便分析，畫作串聯的兩個電容器并標出假想中點.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基本工作方式也是導電方式,即每個橋臂的導電角度為，同一相（即同一半橋)上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度以此相差。這樣,在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通?？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。對于U相輸出來說，當橋臂1導通時，，當橋臂4導通時，。因此，的波形是幅值為的矩形波。Ｖ、W兩相的情況和U相類似，、的波形形狀和相同,只是相位依次差120°。負載線電壓可由下式求出:設負載中點Ｎ與直流電源假想中點之間的電壓為，則負載各相的相電壓分別為：三相電壓型橋式逆變電路的工作波形如圖4所示.OOOOOOOOO圖4三相電壓型橋式逆變電路的工作波形下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得：式中,,為自然數。輸出線電壓有效值為基波幅值和基波有效值分別為;接下來，我們再對負載相電壓進行分析.把展開成傅里葉級數得式中，,k為自然數。負載相電壓有效值為基波幅值和基波有效值分別為;2設計方案2。1逆變器主電路設計圖5是SＰWM逆變器的主電路設計圖。圖中Ｖl-Ｖ６是逆變器的六個功率開關器件，各由一個續(xù)流二極管反并聯，整個逆變器由恒值直流電壓U供電。一組三相對稱的正弦參考電壓信號由參考信號發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率，應在所要求的輸出頻率范圍內可調。參考信號的幅值也可在一定范圍內變化,決定輸出電壓的大小。三角載波信號是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出,產生SＰWM脈沖序列波。,，作為逆變器功率開關器件的驅動控制信號。當時,給V4導通信號，給Ｖ1關斷信號，給V1（V４）加導通信號時，可能是Ｖ1（V4)導通,也可能是VD1(VD4）導通。和的PWM波形只有兩種電平.當時,給V１導通信號,給Ｖ4關斷信號，。的波形可由得出,當1和6通時，，當3和4通時，，當1和3或４和6通時,=0。輸出線電壓PWM波由和0三種電平構成負載相電壓PWM波由（±2／3)，（±１／３）和0共5種電平組成。圖５SＰWＭ逆變器的主電路設計圖防直通的死區(qū)時間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。2.2脈寬控制電路的設計2。2.1ＳＧ35２4芯片SG352４芯片是集成PWM控制器，其引腳圖和內部框圖分別如圖6、圖７所示.圖6SG35２4引腳圖圖７ＳH3524內部框圖ＳG3５24工作過程是這樣的：直流電源Vs從腳15接入后分兩路,一路加到或非門；另一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端,產生穩(wěn)定的＋5V基準電壓。+５V再送到內部（或外部)電路的其他元器件作為電源。振蕩器腳7須外接電容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較器的同相端,比較器的反向端接正弦波調制信號,通過芯片內置的比較器完成載波和調制波的比較,產生SＰWM信號。２.２。2利用SG3524生成ＳPWM信號2.２.2.１調制波及載波的產生正弦波信號由函數發(fā)生器IＣL８038產生。圖8IＣＬ８038用于正弦波信號發(fā)生正弦波的頻率由、和Ｃ來決定，，為了調試方便,將、都用可調電阻，和R是用來調整正弦波失真度用的。通過查詢資料得知,當時，取，其中。正弦波信號產生后,一路經過精密全波整流，得到正弦波，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9所示。圖９IＣL8０３8引腳圖載波可以是等腰三角波或者鋸齒波,由于SH352４可以直接產生鋸齒波，所以，直接用SG352４本身產生的鋸齒波作為載波即可。2。2.２.2SPＷM信號的產生ICL8038產生的正弦波與1V基準經過加法器后得到，輸入到SＧ3524的腳1，腳２與腳9相連，這樣和鋸齒波將在SG35２4內部的比較器進行比較產生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較器產生，本次課程設計采用LＭ339芯片,其引腳圖如圖10所示。圖10LＭ33９引腳圖LM３3９集成塊內部裝有四個獨立的電壓比較器，可以任意選用，該電壓比較器主要有以下幾個特點:1）失調電壓小,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±１Ｖ—±18V;3)對比較信號源的內阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0~(Ｕｃc-1。５V)V；5）差動輸入電壓范圍較大,大到可以等于電源電壓;6）輸出端電位可靈活方便地選用。2。3驅動電路的設計2。3.1ＩR211０芯片由于LM3S1138產生的SPWＭ信號不能直接驅動IGBT,故逆變橋的驅動采用專用芯片IR２1１０.IＲ21１0是一種雙通道、柵極驅動、高壓高速、單片式集成功率驅動模塊，具有體積小(DIP1４）、集成度高(可驅動同一橋臂兩路)、響應快（典型ｔｏn／ｔoｆf＝12０/94nｓ）、偏置電壓高(＜600V）、驅動能力強等特點，同時還具有外部保護封鎖端口,常用于驅動MＯＳFET和IＧＢＴ等電壓驅動型功率開關器件。IR2１１0包括邏輯輸入、電平轉換、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構成的驅動電路如圖11所示。圖1１IR２１10構成的驅動電路2。3。2驅動電路IＲ2110自身的保護功能非常完善:對于低壓側通道，利用2片ＩR2110驅動全橋逆變電路的電路圖如圖12所示。圖12全橋驅動電路為改善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,一般應在柵極串聯十幾歐到幾百歐的限流電阻。IR２1１０的最大不足是不能產生負偏壓,由于密勒效應的作用，在開通與關斷時，集電極與柵極間電容上的充放電電流很容易在柵極上產生干擾。針對這一點，本次課設在驅動電路中的功率管柵極限流電阻R1、Ｒ2上反向并聯了二極管D4、Ｄ5。3軟件仿真3。1Ｍatlａb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，結果準確。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)等電工學科中常用的基本原件和系統(tǒng)仿真模型。它由以下6個子模塊組成：電源模塊庫、連接模塊庫、測量模塊庫、電力電子模塊庫、電機模塊庫、基本件模塊庫.在這6個基本模塊庫的基礎上，根據需要還可以組合出常用的、復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13所示：圖13三相逆變電路主電路圖1４ＤisｃｒeaｔPＷＭGｅnerator參數設置設置參數,即將調制度ｍ設置為１．2，調制波頻率設為4０Hz,如圖1４所示。載波頻率設為基波的30倍(載波比N＝3０),即1500Ｈz,仿真時間設為０。04s,在poｗeｒｇｕｉ中設置為離散仿真模式，采樣時間設為1ｅ-００6s。根據設計任務要求，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２Ω、L的值為10mH，其參數設置圖如圖１5所示.圖15直流電壓、三相負載參數設置運行仿真圖形，并點擊示波器可得輸出交流電壓，交流電流波形如圖１6、圖１7所示：圖16SPＷM方式下三相交流電壓輸出波形圖１6SPWM方式下三相電流輸出波形從仿真結果可以得出,本次課程設計基本達到任務要求,三相輸出電壓約為180Ｖ，４0HZ,交流電為正弦波滿足條件。4心得體會經過這次的電力電子課程設計后,我從中學到了很多東西。在我們學了《電路》、《電力電子技術基礎》之后,對專業(yè)課程基礎知識已經有了最基本的掌握和接觸。在經過獨立設計，我成功的完成了本次設計。對于我個人而言,我熟練的掌握了設計三相電壓型逆變電路的一般方法，還進一步熟悉了其原理.開始拿到課題難免會感到陌生,不過經過自己親手實踐后才發(fā)現,只有經過實踐運用得來的知識,才是真正屬于自己的東西。這其中還尤為深刻的就是要養(yǎng)成科學嚴謹的實驗習慣，這樣做起來才會更有條理性.要把所學的知識靈活運用,必須要翻閱大量的資料并且要多多請