電力電子課程設(shè)計

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計（論文）2009年度本科生課程（設(shè)計）附件1課程（設(shè)計）題目： 利用SPWM 調(diào)制法研究逆變器的調(diào)制方式 院 系： 工 學(xué) 院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級： 0 6 學(xué)生姓名： 和 學(xué) 文 學(xué) 號： 200603050462 導(dǎo)師及職稱： 段 志 梅 （講師） 2009年6月目 錄1 設(shè)計要求22 逆變器控制方式選擇23 方案設(shè)計33.1系統(tǒng)總體框圖33.2主電路的設(shè)計43.3 DSP的選取53.4驅(qū)動電路的設(shè)計63.5采樣電路73.6保護電路74 元件參數(shù)計算84.1輸出濾波電感Lf、濾波電容Cf的選取84.2變壓器的設(shè)計94.3功率開關(guān)的選擇105 仿真結(jié)果1

2、05.1驅(qū)動波形105.2功率開關(guān)器件兩端的電壓波形115.3逆變器輸出波形116 結(jié)論12131 設(shè)計要求主要內(nèi)容：利用倍頻單極性SPWM調(diào)制法研究逆變器的調(diào)制方式，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和外特性，給出系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計系統(tǒng)各個部分的硬件電路，完成數(shù)字控制SPWM逆變器的原理試驗、仿真?；疽螅狠斎腚妷海?070VDC；輸出額定容量：2.5kVA；輸出電壓：220V±3%；輸出電壓頻率：50Hz載波頻率：25kHz；THD：3%。2 逆變器控制方式選擇傳統(tǒng)逆變器的控制電路都是采用模擬電路和小規(guī)模數(shù)字集成電路實現(xiàn)的。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制技術(shù)在逆變電源控制領(lǐng)域已得到越來越廣泛的

3、應(yīng)用。綜合考慮系統(tǒng)性價比以及數(shù)字控制方式存在的問題，目前，部分數(shù)字化（CPU）產(chǎn)生基準(zhǔn)正弦，寬頻帶的電壓調(diào)節(jié)器仍由模擬電路實現(xiàn)）不失為中小功率逆變器控制電路的優(yōu)選方案。本文分別對兩種模擬/數(shù)字混合控制方案進行了比較研究，分析了它們的設(shè)計與實現(xiàn)，給出了相關(guān)實驗結(jié)果。本章研究的混合控制方式，也是基于數(shù)字控制器的。利用DSP取代純模擬控制中的一些實現(xiàn)環(huán)節(jié)，如基準(zhǔn)正弦發(fā)生器、輸出過載保護、輸出過壓/欠壓保護等，對于減小控制電路復(fù)雜程度、提高系統(tǒng)控制特性是有好處的。同時，混合控制方式也考慮了數(shù)字控制可能產(chǎn)生的一些問題，盡可能保留模擬控制的優(yōu)點，仍采用模擬電路實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)器，與全數(shù)字控制系統(tǒng)相比，提高了系

4、統(tǒng)帶寬頻率和動態(tài)響應(yīng)速度?？梢?，這種模擬/數(shù)字混合控制逆變器具有較高的性價比，在一些應(yīng)用場合具有較大的優(yōu)勢。根據(jù)PWM控制信號的產(chǎn)生方式，常用的混合控制實現(xiàn)方案有兩類：模擬/數(shù)字混合控制方案、模擬/數(shù)字混合控制方案。方案的實現(xiàn)框圖如圖1。低通濾波器基準(zhǔn)正弦發(fā)生器有源PI校正電路SPWM生成驅(qū)動電路逆變橋LC濾波器無源超前網(wǎng)絡(luò)電壓采樣電路DSP-圖1 混合控制方案的實現(xiàn)框圖圖1中，主控芯片DSP主要功能是提供基準(zhǔn)正弦數(shù)據(jù)、計算控制變量采樣信號的數(shù)值以執(zhí)行各種保護等，控制電路的其它部分如電壓調(diào)節(jié)器（包括控制框圖中前向通道的有源PI校正電路和反饋通道的無源超前校正網(wǎng)絡(luò)）、PWM發(fā)生器等都是用模擬元件

5、實現(xiàn)的。由于DSP產(chǎn)生的基準(zhǔn)正弦信號帶有高頻諧波分量，需采用低通濾波器才能得到光滑的基準(zhǔn)正弦波，作為逆變控制系統(tǒng)的指令信號。低通濾波器基準(zhǔn)正弦發(fā)生器有源PI校正電路SPWP生成驅(qū)動電路逆變橋LC濾波器無源超前網(wǎng)絡(luò)電壓采樣電路DSP-采樣保持+圖2給出了模擬/數(shù)字混合控制方案的實現(xiàn)框圖，系統(tǒng)工作過程為：DSP提供基準(zhǔn)正弦數(shù)據(jù)，經(jīng)低通濾波器濾波后得到連續(xù)的基準(zhǔn)正弦波形，有源PI校正電路將誤差信號變?yōu)檎{(diào)制信號，由DSP自帶的A/D轉(zhuǎn)換器采樣并通過DSP內(nèi)部的事件管理器產(chǎn)生各路PWM控制信號，再經(jīng)驅(qū)動電路控制逆變橋功率開關(guān)管的通斷。圖2 混合控制方案的實現(xiàn)框圖就控制電路的復(fù)雜程度而言，盡管兩種方案采用

6、了相同的DSP作為控制芯片，由于方案仍采用與純模擬控制電路中相同的PWM控制信號生成電路，沒有充分運用DSP的片上資源，使得控制電路規(guī)模變大，而方案則可省去比較復(fù)雜的三角波發(fā)生器和比較器，具有一定的成本優(yōu)勢。如前節(jié)所述，采用方案時，功率開關(guān)管驅(qū)動信號的死區(qū)時間需要通過模擬器件產(chǎn)生，與方案的軟件編程產(chǎn)生死區(qū)時間相比，控制精度降低，靈活性差，必須設(shè)置相當(dāng)長的死區(qū)時間以保證功率電路的安全，而方案產(chǎn)生的死區(qū)時間精度很高，只需根據(jù)功率開關(guān)管的工作特性設(shè)置較短的死區(qū)即可，于是可以減輕死區(qū)效應(yīng)，提高逆變器的控制性能。本文擬采用方案進行分析與設(shè)計。3 方案設(shè)計3.1系統(tǒng)總體框圖以數(shù)字信號處理器(DSP)為核心

7、的逆變器控制框圖如圖3所示。在數(shù)字信號處理器(DSP)中產(chǎn)生SPWM控制信號，逆變器輸出高頻脈寬調(diào)制型交流電。該交流電經(jīng)工頻變壓器和輸出濾波器處理后，得到穩(wěn)定、純潔的正弦波電源。驅(qū)動電路采樣電路保護電路DSP圖3 系統(tǒng)總體框圖3.2主電路的設(shè)計1、主電路的結(jié)構(gòu)圖4 單相全橋逆變主電路逆變器的主電路結(jié)構(gòu)形式多種多樣，有全橋型、半橋型及推挽型等。中小容量逆變電源多采用半橋式逆變器結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。中大容量逆變電源一般采用全橋式和推挽式逆變器結(jié)構(gòu)。為了濾除高次諧波，逆變橋后級均接有LC濾波器。全橋型的主電路結(jié)構(gòu)由于各種因素的影響必然存在直流偏磁的問題。直流偏磁的存在致使鐵心飽和，從而加大了逆

8、變器輸出變壓器的損耗，降低了效率，甚至?xí)鹉孀兪?，對系統(tǒng)的運行有著極大的危害，必須采取措施加以解決。小容量逆變電源因為輸出容量小，電壓和電流不大，因此開關(guān)器件多選用電力MOSFET。而大容量正弦波輸出的逆變電源因其電壓電流一般都比較大，因此多采用IGBT作為它的開關(guān)器件。本文主要研究的是50Hz,2.5kW的低頻逆變電源?；谝陨系姆治觯x用全橋型，帶有輸出隔離變壓器的主電路形式，并采用MOSFET作為開關(guān)器件。主電路圖如圖4所示。2、輸出濾波電容的選取輸出濾波電容用來濾除輸出電壓的高次諧波，若越大，輸出電壓的THD就越小，但DC/AC逆變器無功電流分量增大，從而增大了變流器的體積和成本。

9、一般選取為宜，因此濾波電容值應(yīng)滿足 （1）3、輸出濾波電感設(shè)計濾波電感有兩個作用一方面濾除輸出波形中的高次諧波；另一方面作為積分環(huán)節(jié)實現(xiàn)SPWM控制。它的設(shè)計應(yīng)滿足四個方面的要求。1）盡可能濾除調(diào)制波的高次諧波分量，提高輸出電壓波形質(zhì)量，濾波電感的高頻阻抗與濾波電容的高頻阻抗相比不能過低，即濾波電感的感值不能太小。為滿足輸出電壓波形質(zhì)量，要求一個采樣周期中，電感電流的最大變化量小于允許的電感電流紋波。在時，最大，此時有： （2）2）電感電流必須能跟蹤上給定電流的變化，即。一旦不能跟蹤的變化，輸出電壓的失真度就會變大，嚴重時甚至導(dǎo)致系統(tǒng)異常工作。因此不能過大，即 （3）式中，為輸出電壓峰值。3.

10、3 DSP的選取目前，隨著計算機和信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，信號處理學(xué)科不但在理論上，而且在方法上都獲得了迅速發(fā)展。特別是信號處理器DSP(Digital Signal Processor)的誕生與快速發(fā)展，使各種數(shù)字信號處理算法得以實時實現(xiàn)，為數(shù)字信號處理的研究和應(yīng)用打開了新局面。由于DSP具有豐富的硬件資源、改進的并行結(jié)構(gòu)、高速數(shù)據(jù)處理能力，強大的指令系統(tǒng)和日益提高的性價比己經(jīng)成為世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中緊隨微處理器與微控制器之后的又一個熱點，在通信、航空、航天、雷達、工業(yè)控制。網(wǎng)絡(luò)及家用電器等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)采用的數(shù)字信號處理器為TI(TEXAS INSTRUMENTS)公司專為電機和

11、電源等數(shù)字化控制而設(shè)計的DSP（TMS320F2407A）。這款DSP控制芯片有以下特點：1）采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使供電電壓降為3.3V.減小了控制器的功耗：40MIPS的執(zhí)行速度，提高了控制器的實時控制能力。2）片內(nèi)有32K字的FLASH程序存儲器和1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM,544字雙口RAM(DASRAM)和2K字的單口RAM(SARAM)。3）10位A/D轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時間為375nS?？梢砸詢蓚€8通道的雙排序方式采樣，或一個16通道排序方式采樣。4）看門狗定時模塊(WDT)。3.4驅(qū)動電路的設(shè)計隔離驅(qū)動電路采用A3120光耦隔離型驅(qū)動電路，A3120結(jié)構(gòu)框圖及驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)

12、如圖5所示。A3120是美國惠普公司生產(chǎn)的用于驅(qū)動IGBT、MOSFET器件的光電耦合器，該芯片內(nèi)部集成有光耦、接口和功放單元，可驅(qū)動1200V/100A的IGBT模塊。該驅(qū)動芯片的主要特點為：（1）工作電源電壓范圍寬（15V30V）；（2）最小的輸出電流峰值2A；（3）最大交換速度500ns；（4）具有欠壓鎖定保護（UVLO）功能；（5）輸出與輸入信號同相。當(dāng)輸入信號為高電平時，A3120輸出為高電平，由功放級的NPN晶體管放大后輸出，驅(qū)動功率器件；當(dāng)輸入信號為低電平時，A3120輸出為低電平，功放級的PNP晶體管導(dǎo)通，功率器件極間承受反向電壓關(guān)斷。圖中，R的大小將影響逆變器的開關(guān)損耗，并且

13、影響功率開關(guān)的關(guān)斷尖峰大小以及逆變器的輸出波形質(zhì)量。逆變橋選用不同的功率開關(guān)，應(yīng)調(diào)整的大小，使逆變器獲得最佳的性能。圖5 逆變橋功率開關(guān)驅(qū)動電路A31203.5采樣電路在數(shù)字控制系統(tǒng)中，DSP片內(nèi)A/D采樣能夠承受到輸入電平范圍為03.3V，所以無法對所需的控制量直接進行A/D采樣，因而通常需要把這些量調(diào)理后，才能接至DSP第A/D轉(zhuǎn)換口。本系統(tǒng)采用的是電壓電流雙環(huán)控制，所以包括電壓采樣電路和電流采樣電路。在電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，需采樣逆變器的輸出電壓作為反饋量。為了滿足DSP的A/D模塊輸入信號的要求，模擬量需要經(jīng)過圖6所示的調(diào)理電路。電流采樣電路和電壓采樣電路原理基本類似，只需把電壓傳

14、感器換成電流傳感器即可：電感電流經(jīng)一電流傳感器得到與電感電流成正比的電壓信號，然后經(jīng)過調(diào)理電路變換到03.5V，輸入到DSP的A/D模塊采樣口。3.6保護電路輸入過壓和欠壓保護電路如圖7所示，直流電壓保護信號取自主電路輸入電壓，經(jīng)電阻分壓和光耦隔離后送入控制電路。利用光電耦合器把各種模擬負載與數(shù)字信號源隔離開來，也就是把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開。經(jīng)過光耦的保護信號通過比較器分別與設(shè)定的最大/最小電壓值進行比較，如果電壓值超過限定值，比較器就輸出低電平。比較器的輸出信號相與，所得的信號送入DSP的PDPINT中斷口。當(dāng)器件引腳PDPINT(電源驅(qū)動保護中斷)被拉低時，會產(chǎn)生一個外部中斷，這個中

15、斷是為系統(tǒng)的安全操作提供的。如果PDPINT未被屏蔽，當(dāng)PDPINT引腳拉低以后，所有的PWM輸出均為高阻態(tài)。這樣可以在過流等故障的情況下，把逆變器的PWM控制信號封死,關(guān)閉功率器件，從而實現(xiàn)對逆變器的保護。+-+-+輸入電壓欠壓保護輸入電壓過壓保護+15+15+15+15+15圖7 輸入過壓和欠壓保護4 元件參數(shù)計算4.1輸出濾波電感Lf、濾波電容Cf的選取 取。濾波電容電流的有效值為：110%負載時，負載電流的有效值為容性負載時電感電流最大，因此電感電流有效值為其中，。考慮到濾波電感電流的脈動量，濾波電感的電流峰值為Lf選用Mn-Zn R2KBD型鐵氧體材料鐵心PM62*49，其磁路截面積

16、窗口面積，飽和磁感應(yīng)強度，選用,濾波電感匝數(shù)為：取N=52匝，氣隙。按濾波電感電流有效值選取導(dǎo)線，取,導(dǎo)線截面積，導(dǎo)線選用0.1×2cm的銅皮。窗口利用系數(shù)，可以繞下。4.2變壓器的設(shè)計為了確保輸出電壓uo的波形質(zhì)量，防止uo的頂部出現(xiàn)平頂失真，應(yīng)滿足取，有選用的硅鋼鐵心，截面積為，窗口面積。因為硅鋼片是由鋼片疊加而成，所以實際鐵心截面積為。取變壓器原邊繞組為匝，副邊繞組匝。因此式中為變壓器激磁電流。取導(dǎo)線電流密度，有原邊采用的高強度漆包線單層繞制，副邊采用的高強度漆包線單層繞制。窗口利用系數(shù)，可以繞下。4.3功率開關(guān)的選擇MOSFET的選擇可以從器件的電壓等級和電流等級兩個方面加以

17、考慮。假定逆變器最高直流輸入電壓為，則采用全橋逆變電路時每個開關(guān)器件所承受的最高電壓即為?？紤]電壓尖峰影響，實際開關(guān)器件所承受的最高電壓要比這個高得多，其大小與吸收電路吸收電壓尖峰的能力有關(guān)。在這里由于逆變器最高直流輸入電壓為52.8V,所以我們選用耐壓等級為100V的MOSFET.器件的電流等級要根據(jù)它所通過的最大峰值電流來確定。假定系統(tǒng)輸出功率為，變壓器的變比為，假設(shè)系統(tǒng)的過載系數(shù)為1.5，逆變橋中每個MOSFET電流應(yīng)力為變壓器原邊最大電流，則逆變橋中每個MOSFET中流過的電流峰值為：此外，考慮電流紋波以及反并聯(lián)二極管反向恢復(fù)尖峰電流等因素的影響，選MOSFET的電流定額為150A。5

18、 仿真結(jié)果5.1驅(qū)動波形圖8是4個功率開關(guān)器件MOSFET的驅(qū)動波形。圖8 驅(qū)動波形由圖8可以看出DSP可以很好的輸出功率管的驅(qū)動波形。從波形看出，能滿足快速開關(guān)功率管的要求，并滿足同一橋臂上兩個開關(guān)管的死區(qū)控制。5.2功率開關(guān)器件兩端的電壓波形圖9 MOSFET管兩端電壓5.3逆變器輸出波形1、空載時的波形圖10 空載波形2、滿載時的波形（1）滿載時逆變器的輸出波形下圖是逆變器滿載時的電壓波形，由圖11可知，逆變器輸出電壓非常接于正弦波形，其諧波含量少，功率因數(shù)大，性能能達到要求。圖11 輸出波形（2）滿載時電感中的電流波形6 結(jié)論本文主要圍繞數(shù)字控制SPWM逆變器的硬件設(shè)計以及數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計等方面展開了研究。論文的主要內(nèi)容概述如下：1介紹了三種經(jīng)典的SPWM調(diào)制方式，包括雙極性SPWM調(diào)制法，單極性SPWM調(diào)制法，倍頻單極性SPWM調(diào)制法，通過比較和試驗發(fā)現(xiàn)單極性倍頻SPWM調(diào)制法相對于其他兩種調(diào)制方法，其諧波含量更低，只需要更小的濾波器件就可以達到很好的濾波效果。在選擇此種調(diào)制方式的基礎(chǔ)上給出了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和外特性。2給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖，并設(shè)計了系統(tǒng)各個部分的硬件電路，包括主電路，驅(qū)動電