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)、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(shí)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。、課程設(shè)計(jì)的要求1注意事項(xiàng)C d2三相正弦波三用波發(fā)生器相交流電源一控制框圖設(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

2、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=10Q,115mH2 .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(shí)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

3、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，電路圖如圖2.1所示:ia*VD1VD3VD51dJ ij% A 2 2abc平平平b)R iaHc)VD4VD6VD2a)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(duì)二級(jí)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(jí)管導(dǎo)通時(shí)，由電容向負(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)S角處開始導(dǎo)通，并以二極管VD6和VDi開始同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn)，則線電

4、壓為uab='6U2Sin(3t+S)而相電壓為Ua=在3t=0時(shí)，二極管VD6和VD1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(duì)管子是VD1和VD2，直流側(cè)電壓等于uabO這兩段導(dǎo)通過程之間的交替有兩種情況，一種是在VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通之前VD6和VD1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VDi一直導(dǎo)通，交替時(shí)由VD6導(dǎo)通換相至VD2導(dǎo)通，id是連續(xù)的。介于二者之間的情況是，VDi和VD6同時(shí)導(dǎo)通的階段與VDi和VD2同時(shí)導(dǎo)通的階段在3t+S二一出恰好連接起來恰好連續(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

5、度相等”恰好發(fā)生，則有變的，它的大小反映了負(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1_dEmSin23ercdEmSin(t+)1td(t)t+zd(t)3R=wC°考慮實(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。

6、在純電阻負(fù)載時(shí)，變壓器副邊電流的有效值12=1.11IL，而有電容濾波時(shí)4(152)歸(2)負(fù)載平均電壓Vl升高，紋波(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T±>(3-5)-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|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)一即空載時(shí)當(dāng)c=o，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T(35)-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

7、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Di、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.1,1D.9VJ045%在選擇整流管時(shí)應(yīng)保證其最大整流電流If>Ido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)，Di、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,同理，在V2的負(fù)半周，D1、D3也承受到同樣大小的反向電壓。所

8、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，逆變電路米用三相橋式電壓型逆變電路，其電路圖如圖3.1所示:HC2vd調(diào)制二電路迥14二相轎武MVM型盒哲圖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(hào)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V1導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂V4以關(guān)斷信號(hào)，則U相相對(duì)于直流電源假象中點(diǎn)N的輸出電壓UUn=Ud/2。當(dāng)WU小于Uc時(shí),給V4導(dǎo)通信號(hào),給M上橋臂關(guān)斷信號(hào)時(shí),

9、則UUN=Ud2oVl和V4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給Vi(V4)以導(dǎo)通信號(hào)，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。可以得出，的PWM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二一Ud，當(dāng)臂1和臂3或臂4和臂6導(dǎo)通時(shí)uuv=00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(±/3)Ud、(±/3)Ud和0共5種電平組成，其波形圖如圖1A A A " lAAj % A32所示。Lr

10、I LL111VvL1BAnnnrTrtrammWT"rA¥|品圖3.2(2)U相的控制規(guī)律當(dāng)urU>uc時(shí),給VI導(dǎo)通信號(hào),給V4關(guān)斷信號(hào),uUN=Jd/2當(dāng)urUvuc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給VI關(guān)斷信號(hào)，uUN二Ud/2當(dāng)給VI(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí),可能是V1(V4)導(dǎo)通,也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通2IGBT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w70-80%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；IGBT峰值電流是根據(jù)200

11、%的過載和120%的電流脈動(dòng)率下來制定的；結(jié)溫一定1500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，并可減小吳斷損耗最佳值約為-10Vo(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3-11V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，主電路的電流電壓值及設(shè)計(jì)要求，采用的IJBT管是GTI53101o第四章PWM逆變電路的工作原理PWM

12、空制方式就是對(duì)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(duì)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。1 .PWM控制的基本原理PWM控制一一脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對(duì)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)波形基本相同圖1-1形狀不同而沖量相同的各種翌脈沖PWM波形可等效的各種波形，例如：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

13、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(duì)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PW波形，也稱SPW波形。要改變等效輸出正弦波幅值時(shí)，只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(hào)U為正弦波，載波Uc在U的正半周為正極性

14、的三角波，在U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U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(duì)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U的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM波只有土Ud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(hào)Ur和載波信號(hào)Uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)的通斷。在U的正負(fù)半周，對(duì)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

15、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(hào)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(hào)發(fā)生電路代替了生成SPW信號(hào)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R（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=-3/2uR7C1=3/2冗Ri2c3所以由R7c=2°，可以確定參數(shù)為：R7=1K,Cl=5Uf.同時(shí)通過對(duì)其他參數(shù)的調(diào)整確定正旋波的幅值為卜。所以三相正弦參考信號(hào)分別表示為：Ua=sin(125.6t)Ub=sin(125.6t-120

16、JUc=sin(125.6t-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，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：+5VTLP521-1葉OCI310kVIVR1VouC11n5VMUR4100EC1-Wv,25V12VG10SPWM1，M57962LVccVinC1Vee1n匚C1+24V-1Vin+

17、9nGNDC1MC7809T1nGND1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(huì)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(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，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(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。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

18、我們對(duì)各個(gè)元件映象深刻。認(rèn)識(shí)來源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)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(duì)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(shí)到老一輩電子設(shè)計(jì)為我們的社會(huì)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(huì)能有實(shí)踐的機(jī)會(huì)，但我們可以，而且設(shè)計(jì)也是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的任務(wù)

19、，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(huì)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(huì)需要我們，我們也可以為社會(huì)而工作。既然如此，那還有什么必要失落呢？于是我們決定沿著自己的路，執(zhí)著的走下去。同時(shí)我認(rèn)為我們的工作是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作，團(tuán)隊(duì)需要個(gè)人，個(gè)人也離不開團(tuán)隊(duì)，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。某個(gè)人的離群都可能導(dǎo)致導(dǎo)致整項(xiàng)工作的失敗。實(shí)習(xí)中只有一個(gè)人知道原理