直流三相逆變器設(shè)計(jì)

16/16直流三相逆變器設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

條件：輸入直流電壓：110V。

要求完成的主要任務(wù):

（1）開(kāi)關(guān)元器件的選擇

（2）各模塊方案選擇

（3）各模塊方案設(shè)計(jì)

（4）總電路的設(shè)計(jì)

（5）各模塊的器件選型

（6）參數(shù)計(jì)算

設(shè)計(jì)容量為3KVA的三相逆變器，要求達(dá)到：

（1）輸出380V，頻率50Hz三相交流電

（2）完成總電路設(shè)計(jì)

（3）完成電路中各元件的參數(shù)計(jì)算

1.1設(shè)計(jì)任務(wù)分析

由于輸入直流電壓只有110V，而輸出交流電壓要求有效值為380V，所以必須通過(guò)升壓電路將直流電壓升到到一定值才能作為逆變器的輸入電壓。逆變器的核心是半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，不同拓?fù)涞哪孀冸娐酚胁煌膬?yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件需要觸發(fā)信號(hào)才能導(dǎo)通，要使逆變器輸出正弦波形，則需要特殊的觸發(fā)電路對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行調(diào)制。逆變器輸出帶有高次諧波，需要濾波電路對(duì)諧波進(jìn)行。在進(jìn)行仿真前，需對(duì)上述電路模塊進(jìn)行比較論證和選擇。

1.2設(shè)計(jì)思路

首先，考慮輸入直流電壓為110V而輸出380V、頻率50Hz三相交流電，要采用斬波電路升壓到大于380以上，可以用直流斬波升壓電路、直流斬波升降壓電路等。其次要求由直流變?yōu)槿嘟涣麟?，可采用電壓型逆變電路、電流型逆變電路。逆變電路得到的是三相矩形波，再用PWM或者SPWM開(kāi)關(guān)采用規(guī)則采樣法將矩形波變?yōu)槿嗖?，最后用濾波器濾波得到最終的所要的三相電，設(shè)計(jì)流程圖如圖1.1所示

圖1.1設(shè)計(jì)流程圖

2設(shè)計(jì)意義及原理

2.1設(shè)計(jì)意義

逆變電源技術(shù)的核心部分是逆變器和其控制部分。逆變器是將直流變?yōu)槎l定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電的變換器，傳統(tǒng)方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路實(shí)現(xiàn)，但其含有較大成分低次諧波等缺點(diǎn)，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，全控型快速半導(dǎo)體器件BJT，IGBT，GTO等的發(fā)展和PWM的控制技術(shù)的日趨完善，使SPWM逆變器得以迅速發(fā)展并廣泛使用眾所周知。

逆變器是將直流變?yōu)槎l定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電的變換器，傳統(tǒng)方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路實(shí)現(xiàn)，但由于其含有較大成分低次諧波等缺點(diǎn)，近十余年來(lái)，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，全控型快速半導(dǎo)體器BJT，IGBT，GTO等的發(fā)展和PWM的控制技術(shù)的日趨完善，使SPWM逆變器得以迅速發(fā)展并廣泛使用。

PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過(guò)控制電壓脈沖寬度和周期以達(dá)到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)，SPWM控制技術(shù)又有許多種，并且還在不斷發(fā)展中，但從控制思想上可分為四類，即等脈寬PWM法，正弦波PWM法（SPWM法），磁鏈追蹤型PWM法和電流跟蹤型PWM法，其中利用SPWM控制技術(shù)做成的SPWM逆變器具有以下主要特點(diǎn)：

（1）逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響。

（2）可獲得比常規(guī)六拍階梯波更接近正弦波的輸出電壓波形，低次諧波減少，在電氣傳動(dòng)中，可使傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈沖的大大減少，擴(kuò)大調(diào)速范圍，提高系統(tǒng)性能。

（3）組成變頻器時(shí)，主電路只有一組可控的功率環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，由于采用不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)接近于1，且與輸出電壓大小無(wú)關(guān)。

在后備式供電中，蓄電池作為一種非常重要的儲(chǔ)能介質(zhì)，在各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。由于單個(gè)電池的參數(shù)存在著差別，不能通過(guò)將蓄電池并聯(lián)的方法來(lái)提高直流供電系統(tǒng)的容量，因此在電池的容量不能滿足實(shí)際需求時(shí)，最直接的辦法就是多個(gè)蓄電池串聯(lián)共同提供能量。所串的蓄電池越多，蓄電池組能夠提供的能量就越多，但輸出端電壓就越高，此時(shí)，逆變器輸入直流電壓的上限就直接決定了蓄電池組的容量

大小。

另外，高壓變頻器廣泛的應(yīng)用于軋鋼、造紙、水泥制造、礦井提升、輪船推進(jìn)器等傳統(tǒng)工業(yè)的改造和高速列車、城市地鐵輕軌、電動(dòng)汽車中，其核心部分也是高壓逆變器。

2.2開(kāi)關(guān)元器件的選擇

IGBT主要是以M（模塊）P(脈波)W(寬度)M(調(diào)變)方式制作，用主動(dòng)元件IGBT模塊設(shè)計(jì)，使本機(jī)容量可達(dá)300KVA，以隔離變壓器輸入及輸出，來(lái)增加整機(jī)穩(wěn)定性，特別感性、容性級(jí)特殊負(fù)載，負(fù)載測(cè)試和壽命實(shí)驗(yàn)可靠性高。

IGBT優(yōu)點(diǎn)：

高頻MPWM設(shè)計(jì)，IGBT功率推動(dòng)，體積小、可靠性能高、噪音低。

效率達(dá)85%以上。

反應(yīng)快速，對(duì)100%除載/加載，穩(wěn)壓反應(yīng)時(shí)間在2ms以內(nèi)。

超載能力強(qiáng)，瞬間電流能承受額定電流的300%。

波峰因素比（CRESTFACTORRATIO）高于3：1。

具過(guò)壓、過(guò)流、超溫等多重保證級(jí)報(bào)警裝置。

PowerMOSFET全稱功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它的三個(gè)極分別是源極（S）、漏極（D）和柵極（G）。主要優(yōu)點(diǎn)：熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大。缺點(diǎn)：擊穿電壓低，工作電流小。

GTR（功率晶管）由于二次擊穿和驅(qū)動(dòng)功率大等缺點(diǎn)，目前被IGBT和MOSFET所代替。

IGBT全稱絕緣柵雙極晶體管，是MOSFET和GTR（功率晶管）相結(jié)合的產(chǎn)物。它的三個(gè)極分別是集電極(C）、發(fā)射極（E）和柵極(G）。特點(diǎn)：擊穿電壓可達(dá)1200V，集電極最大飽和電流已超過(guò)1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達(dá)250kVA以上，工作頻率可達(dá)20kHz。

所以這里選擇IGBT作為此次設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)元件。

2.3逆變電路原理

逆變電路在電力電子電路中占很重要的地位，他可分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路，在實(shí)際生產(chǎn)生活中三相逆變應(yīng)用較為廣泛，其中電壓型的直流側(cè)通常是并一個(gè)電容器，而電流型通常是在直流側(cè)串一個(gè)電感。

電壓型逆變：直流側(cè)為電壓源，采用并聯(lián)大電容器來(lái)緩沖無(wú)功功率，則構(gòu)成電壓型逆變器。電壓型逆變電路輸出電壓波形為矩形波，輸出電流波形近似正弦波。直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗；交流側(cè)輸出電壓為矩形波；當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用等特點(diǎn)。

電壓型逆變電路有以下主要特點(diǎn)：

(1）直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。

(2）由于支路電壓源的箝位作用，交流側(cè)輸出電壓波形位矩形波，并且與負(fù)

載阻抗角無(wú)關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。

(3)當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。

圖中Vl—V6是逆變器的六個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)器件，各由一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個(gè)逆變器由恒值直流電壓供電。電路中的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了方便分析，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想中點(diǎn)。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(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為，同一相上、下橋臂交替導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在上、下橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱為縱向換流。

采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖2.1所示：

圖2.1三相電壓型橋式逆變電路

3各模塊方案選擇

3.1升壓電路選擇

方案1：采用變壓器直接對(duì)直流電壓進(jìn)行升壓。

方案2：采用boost直流斬波升壓電路通過(guò)改變占空比對(duì)直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)升壓。

考慮到實(shí)際變壓器變比不可調(diào)或者調(diào)節(jié)范圍很小，不利于逆變器輸出的調(diào)節(jié)，而boost電路通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通占空比可以靈活方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，從實(shí)際出發(fā)和從方便性出發(fā)，最終選擇了boost電路作為升壓電路。

如圖2.2升壓斬波電路主電路圖

圖3.1升壓斬波電路主電路圖

3.2逆變電路選擇

逆變器按照輸出的相數(shù)分，有單相、三相兩種；按電路拓?fù)浞?，有半橋式、全橋式和推挽式。鑒于全橋結(jié)構(gòu)的控制方式比較靈活，所以選擇三相全橋電路作為逆變器主電路。

3.3逆變器觸發(fā)電路選擇

目前，逆變器廣泛采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。PWM技術(shù)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是控制策略，二是實(shí)現(xiàn)的手段。調(diào)制方式主要有直流脈寬調(diào)制和正弦波脈寬調(diào)制兩種方式。直流脈寬輸出的是方波，波形畸變嚴(yán)重，所以不適合；正弦波脈寬調(diào)制輸出波形只含高次諧波，可以大大減小濾波器的體積。所以最終選擇正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM技術(shù)。

3.4濾波電路選擇

由于設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)波形畸變率沒(méi)有特殊的要求，可以采用最普通的LC濾波電路作為逆變輸出的濾波電路。

3.5保護(hù)電路選擇

過(guò)壓保護(hù)器件（OVP）用于保護(hù)后續(xù)電路免受甩負(fù)載或瞬間高壓的破壞，常用的過(guò)壓保護(hù)器件有壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制器、靜電抑制器和放電管等。過(guò)壓保護(hù)器件選型應(yīng)注意以下四個(gè)要點(diǎn)：

1）關(guān)斷電壓Vrwm的選擇。一般關(guān)斷電壓至少要比線路最高工作電壓高10％

2）箝位電壓VC的選擇。VC是指在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過(guò)TVS的電壓，它必須小于被保護(hù)電路的能承受的最大瞬態(tài)電壓3）浪涌功率Pppm的選擇。不同功率，保護(hù)的時(shí)間不同，如600w（10/1000us）；300W（8/20us）4）極間電容的選擇。被保護(hù)元器件的工作頻率越高，要求TVS的電容要越小

過(guò)流保護(hù)器件主要有一次性熔斷器、自恢復(fù)熔斷器、熔斷電阻和斷路器等，其中，最重要的過(guò)流保護(hù)器件是熔斷器，也叫保險(xiǎn)絲。它一般串聯(lián)在電路中，要求其電阻要?。ü男。?，當(dāng)電路正常工作時(shí)，它只相當(dāng)于一根導(dǎo)線，能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的導(dǎo)通電路；由于電源或外部干擾而發(fā)生電流波動(dòng)時(shí)，也應(yīng)能承受一定范圍的過(guò)載；只有當(dāng)電路中出現(xiàn)較大的過(guò)載電流(故障或短路)時(shí)，熔斷器才會(huì)動(dòng)作，通過(guò)斷開(kāi)電流來(lái)保護(hù)電路的安全，以避免產(chǎn)品燒毀的危險(xiǎn)。

在熔斷器分?jǐn)嚯娐返倪^(guò)程中，由于電路電壓的存在，在熔體斷開(kāi)的瞬間會(huì)發(fā)生電弧，高質(zhì)量的熔斷器應(yīng)該盡量避免這種飛?。辉诜?jǐn)嚯娐泛?，熔斷器?yīng)能耐受加在兩端的電路電壓。熔斷器受脈沖損傷會(huì)逐步降低承受脈沖的能力，選用時(shí)需要考慮必要的安全余量；這個(gè)安全余量是指熔斷器的總?cè)蹟?動(dòng)作)時(shí)間，它是預(yù)飛弧時(shí)間和飛弧時(shí)間之和。所以在選擇的時(shí)候需要留意它的熔斷特性和額定電流這個(gè)基本條件；另外安裝時(shí)要考慮熔斷器周邊的環(huán)境，熔斷器只有達(dá)到本身的熔化熱能值的時(shí)候才會(huì)熔斷，如果是在環(huán)境較冷的狀況下，它的熔斷時(shí)間會(huì)變化，這是使用時(shí)必須留意的。

3.6總電路的控制方式

為了使輸出電壓波形穩(wěn)定且可調(diào)，采用閉環(huán)控制方式，檢查輸出電壓反饋到輸入作為比較控制。

4各模塊方案設(shè)計(jì)

4.1升壓斬波電路

升壓斬波電路如下圖3.1所示。假設(shè)L值、C值很大，V通時(shí)，E向L充電，充

電電流恒為I

1，同時(shí)C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓u

o

為恒值，記

為U

o。設(shè)V通的時(shí)間為t

on

，此階段L上積蓄的能量為EI

1

t

on

。V斷時(shí)，E和L共

同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時(shí)間為t

off

，則此期間電感L釋放能量為

(U

0-E)I

1

t

off

，穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等，即

EI

1

t

on

=(U

-E)I

1

t

off

化簡(jiǎn)得U

0=T·E/t

off

輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路，也稱之為boost變換器。

T與t

off

的比值為升壓比，將升壓比的倒數(shù)記作β，則

α+β=1

故U

=E/(1-α)

升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因：L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，并且電容C可將輸出電壓保持住。

圖4.1升壓斬波電路原理圖

4.2逆變電路

逆變電路原理

逆變電路在電力電子電路中占很重要的地位，他可分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路，在實(shí)際生產(chǎn)生活中三相逆變應(yīng)用較為廣泛，其中電壓型的直流側(cè)通常是并一個(gè)電容器，而電流型通常是在直流側(cè)串一個(gè)電感。

電壓型逆變：直流側(cè)為電壓源，采用并聯(lián)大電容器來(lái)緩沖無(wú)功功率，則構(gòu)成電壓型逆變器。電壓型逆變電路輸出電壓波形為矩形波，輸出電流波形近似正弦波。直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗；交流側(cè)輸出電壓為矩形波；當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用等特點(diǎn)。

電壓型逆變電路有以下主要特點(diǎn)：

(1）直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無(wú)

脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。

(2）由于支路電壓源的箝位作用，交流側(cè)輸出電壓波形位矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。

(3)當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。

采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖3.2所示：

圖4.2三相電壓型橋式逆變電路

圖中Vl—V6是逆變器的六個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)器件，各由一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個(gè)逆變器由恒值直流電壓供電。電路中的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了方便分析，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想中點(diǎn)。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(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為，同一相上、下橋臂交替導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在上、下橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱為縱向換流。

逆變電源采用圖3.3所示主電路。首先采用升壓斬波電路將110KV直流電壓升高到400KV，因?yàn)閷?duì)輸出波形的要求不是很高，與負(fù)載并聯(lián)的電容C取很大就可以達(dá)到濾波的目的。開(kāi)關(guān)管T1~T6是IGBT，構(gòu)成三相逆變橋。關(guān)斷緩沖由電

阻R、電容C和二極管D并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成；C

0折算到變壓器T

M

的原邊后與L

2

一起構(gòu)

成交流輸出濾波電路；變壓器用作電路隔離和升壓。

圖4.3三相逆變器主電路原理圖

4.3SPWM控制系統(tǒng)

圖4.4三相SPWM控制系統(tǒng)框圖

三相脈沖形成可采用上述介紹的SPWM控制方法，控制系統(tǒng)框圖如3.3所示。下面介紹SPWM生成的各電路部分。

數(shù)字分頻電路

圖3.5是數(shù)字分頻電路，Y是石英晶體振蕩器，它有穩(wěn)定的震蕩頻率，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到萬(wàn)分之一。該電路選用震蕩頻率1.8432MHz的晶振，它和R1、C1、C2組成頻率信號(hào)產(chǎn)生的電路，得到1.8432MHz頻率信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)字電路CD4017、CD4040處理，輸出兩路頻率信號(hào)。CD4017是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，第7腳的Q3計(jì)數(shù)端引至第15腳的復(fù)位端可以實(shí)現(xiàn)3分頻。CD4040是串行二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，9腳Q1可以得到2分頻，2腳的Q6可以得到2的6次方既64分頻。1.8432MHz的頻率，分頻后三角波頻率為9.6kHz，標(biāo)準(zhǔn)正弦的掃描頻率為102.3kHz。

圖4.5數(shù)字分頻電路

標(biāo)準(zhǔn)正弦波形成電路

標(biāo)準(zhǔn)正弦波的長(zhǎng)生是利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的。在EPROM中存放的數(shù)據(jù)（十六進(jìn)制）是這樣得到的；將一個(gè)周期的單位正弦波分成N等份，每一點(diǎn)的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上事先離散計(jì)算好在存放進(jìn)去。由于寫入的數(shù)據(jù)只能是正值，單位正弦波是和圖中Uref的波形一致，幅值為1的正弦波。本例中將一個(gè)周期的正弦波分成N=2048份。

正弦掃描頻率引入數(shù)字電路CD4040，CD4040的輸出是一組地址掃描信號(hào)送到EPROM的地址線上，EPROM2732中存放的數(shù)據(jù)便依次送到D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，DAC0832將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成斷續(xù)的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)小電容C1（0.1uf以內(nèi)）濾波，得到連續(xù)模擬信號(hào)Uref，峰峰值由IO1端引入的給定電壓Uc決定，電路中Uc來(lái)自調(diào)節(jié)器的輸出。經(jīng)運(yùn)放LF365處理，可以獲得正負(fù)對(duì)稱、幅值為Uc的標(biāo)準(zhǔn)正弦波SINE。

要產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦波的頻率f1=50Hz，和前面分頻電路得到的頻率一致，那么掃描頻率應(yīng)該為：fh=f1*N=50*2048=102.4kHz。正弦波的頻率由穩(wěn)定度相當(dāng)高的晶振分頻得到，故正弦波的波形畸變率很低；正弦波的幅值受控于給定電壓。因此，該電路是一個(gè)高精度的正弦發(fā)生器。

上述電路具有通用性，對(duì)一個(gè)已經(jīng)寫好數(shù)據(jù)的EPROM，若改變正弦掃描頻率，可以改變標(biāo)準(zhǔn)正弦波頻率；若改變EPROM中的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)不同的PWM調(diào)制策略，如梯形波調(diào)制，注入特定次諧波；若再增加兩套電路，在3個(gè)EPROM中存放相位互差120°的數(shù)據(jù)，就可實(shí)現(xiàn)三相SPWM控制。

三角波形成電路

分頻電路提供了三角波頻率信號(hào)，即為9.6kHz的脈沖信號(hào)，應(yīng)用隔直、比例和積分電路即可得到幅值適當(dāng)，正負(fù)對(duì)稱的三角波，其頻率為9.6kHz。SPWM形成電路

本裝置SPWM形成正弦波信號(hào)SINE和三角載波信號(hào)TR來(lái)自前級(jí)電路；TL084是運(yùn)算放大器，一TR由它接成的反向器得到。電路中大量使用了芯片LM311，它是DIP8封裝的快速電壓比較器，不僅可以作為比較器，還可以利用他的特點(diǎn)做脈沖封鎖。下面介紹它的應(yīng)用：8腳、4腳分別接芯片電源的正、負(fù)端；2腳、3腳分別是同向、反向輸入；1腳是低電平設(shè)定（可接電源負(fù)或地），它的電壓值決定了LM311輸出的低電平值；7腳為輸出端，邏輯判斷為“高電平”時(shí)，集電極開(kāi)路（OC門特性），因此，7腳必須有上拉電阻同正電源連接，否則，沒(méi)有高電平輸出，R1、R2、R3、R4等都是上拉電阻；5、6腳用來(lái)調(diào)節(jié)輸入平衡（可不用），6腳還可以用作選通，如果LM311的6腳接低電平。其輸出恒為高電平，這個(gè)特點(diǎn)往往用來(lái)設(shè)置脈沖封鎖。

該系統(tǒng)設(shè)置PWM信號(hào)低電平有效，即PWM信號(hào)為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，IGBT導(dǎo)通。Lock為保護(hù)電路輸出的脈沖封鎖信號(hào)；在電路出現(xiàn)故障時(shí)，lock的低電平送到后級(jí)各個(gè)LM311的6腳，使所有PWM為高電平封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖。如果不利用LM311封鎖驅(qū)動(dòng)，也可以設(shè)置PWM高電平有效，取消后級(jí)的LM311。

R1~R4，C1~C4和Rp還組成了死區(qū)形成電路，參數(shù)大小決定死區(qū)時(shí)間，Rp可以調(diào)節(jié)死區(qū)大??；IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間為2us左右，死區(qū)時(shí)間設(shè)為4us。

該裝置采用了一種數(shù)模結(jié)合的SPWM控制電路，它由數(shù)字分頻電路、三角波

形成電路、調(diào)節(jié)器、標(biāo)準(zhǔn)正弦波控制電路及PWM形成電路等組成。系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)是為了穩(wěn)定電壓，電流調(diào)節(jié)是為了限制輸出電流。電源的正弦輸出畸變率小于5%，要求不是太高，逆變器的輸出功率1kW也不大。因此，系統(tǒng)僅采用電壓平均值閉環(huán)控制，穩(wěn)定輸出電壓，對(duì)輸出波形采用開(kāi)環(huán)控制，即直接將幅值受控的標(biāo)準(zhǔn)正弦波和三角波比較。

在3片EPROM內(nèi)寫入3個(gè)相差120°的正弦波數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，形成3個(gè)互差120°的正弦波。它們同一三角載波比較，便可得到三相SPWM控制脈沖分別驅(qū)動(dòng)3個(gè)橋臂。

4.4驅(qū)動(dòng)電路

IR2130是MOS、IGBT功率器件專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)自舉電路工作原理，使其既能驅(qū)動(dòng)橋式電路中低壓側(cè)的功率器件，又能驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)的功率元件，因而在電機(jī)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、UPS電源等方面得到廣泛應(yīng)用。這些器件集成了特有的負(fù)電壓免疫電路，提高了系統(tǒng)耐用性和可靠性，有些器件不僅有過(guò)流、過(guò)溫檢測(cè)輸入等功能，還具有欠壓鎖定保護(hù)、集成死區(qū)時(shí)間保護(hù)、擊穿保護(hù)、關(guān)斷輸入、錯(cuò)誤診斷輸出等功能。

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路型號(hào)很多，IR21系列是國(guó)際整流器公司退出的高壓驅(qū)動(dòng)器，一片IR2013課直接驅(qū)動(dòng)中小容量的6支場(chǎng)控開(kāi)關(guān)管，并且只需要一路控制電源。IR2013是28引腳雙列直插式集成電路，應(yīng)用方法如圖3.6HIN1、HIN2、HIN3為3個(gè)高側(cè)輸入端，LIN1、LIN2、LIN3為3路低側(cè)輸入端，HO1、VS1、HO2、VS2、HO3、VS3為3路高側(cè)輸出端，LO1、LO2、LO3為3路低側(cè)輸出端，Vss為電源地，VSD為驅(qū)動(dòng)地，VB1、VB2、VB3為3路高側(cè)電源端，F(xiàn)ALUT為故障輸出端，ITRIP為電流比較器輸入端，CAO為電流放大器輸出端，CA為電流放大器反向輸入端。

當(dāng)IR2130驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的自舉電源工作電壓不足時(shí)，則該路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)器迅速動(dòng)作，封鎖該路的輸出，避免功率器件因驅(qū)動(dòng)信號(hào)不足而損壞。當(dāng)逆變器同一橋臂上2個(gè)功率器件的輸入信號(hào)同時(shí)為高電平，則IR2130輸出的2路門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，從而可靠地避免橋臂直通現(xiàn)象發(fā)生。

圖4.6IR2130結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路

采用IR2130作為驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，外圍元件少，性價(jià)比明顯提高。它的高壓側(cè)的3路驅(qū)動(dòng)電源有Ucc采用自舉電路得到。3支快速二極管的陰極電位是浮動(dòng)的，因此，它的反向耐壓值必須大于主電路的母線電壓峰值。IR2130最大正向驅(qū)動(dòng)電流250mA，反向峰值驅(qū)動(dòng)電流500mA；內(nèi)部設(shè)有過(guò)流、過(guò)呀、欠壓、邏輯識(shí)別保護(hù)；它的浮動(dòng)電壓做大不超過(guò)400V。

4.5控制器設(shè)計(jì)

當(dāng)采用瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)反饋雙環(huán)控制時(shí)，內(nèi)環(huán)為瞬時(shí)值環(huán)，用來(lái)控制輸出電壓波形的正弦波，外環(huán)采用平均值控制，以保證電壓的平均值與參考值一致。如果波形正弦度好，平均值和有效值一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

平均值外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器輸出控制正弦波幅值，幅值乘以單位正弦波后的信號(hào)為內(nèi)環(huán)給定，與輸出電壓瞬時(shí)值比較經(jīng)內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出正弦波調(diào)制信號(hào)，與三角載波比較后產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制逆變器的開(kāi)關(guān)器件。在不允許供電中斷的重要用電場(chǎng)合,大量使用著UPS系統(tǒng)。而逆變器是UPS系統(tǒng)的核心部件,要求它具有高質(zhì)量的輸出電壓波形。尤其是在帶非線性負(fù)載情況下仍然要有接近正弦的輸出波形。因此,發(fā)展了多種多樣的逆變器波形控制技術(shù)。本文的主要內(nèi)容是PWM逆變電源瞬時(shí)值反饋控制技術(shù)，瞬時(shí)值反饋控制是根據(jù)當(dāng)前誤差對(duì)逆變器的輸出波形進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)控制，如果控制器設(shè)計(jì)合理，既可以保證系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)態(tài)性能，同時(shí)也可以保證系統(tǒng)有快速的響應(yīng)速度。全文圍繞電壓?jiǎn)苇h(huán)瞬時(shí)值控制技術(shù)及電容電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)雙環(huán)瞬時(shí)值控制技術(shù)這兩種控制方法，進(jìn)行了理論分析,同時(shí)結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)來(lái)探討如何提高PWM逆變電源的靜、動(dòng)態(tài)性能，改善輸出波形質(zhì)量。

圖4.7瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)反饋雙環(huán)控制

4.6輔助電源

在橋式逆變電路中，一個(gè)橋臂上下兩管驅(qū)動(dòng)電路的電源應(yīng)各自獨(dú)立，兩個(gè)橋臂上的管無(wú)共地點(diǎn)下管可以共地。因此，驅(qū)動(dòng)6管時(shí)，至少要有3路獨(dú)立電源。采用單端反激式開(kāi)關(guān)電源作為輔助電源提供3組20V電源和±12V電源。3組20V電源分別作為6個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊電源，±12V電源給控制系統(tǒng)的芯片供電。

只要有直流輸入，輔助電源就供電，控制系統(tǒng)就具備控制和保護(hù)能力。

4.7保護(hù)電路

保護(hù)復(fù)位電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，它的主要功能是當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路中的電流較大時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位保護(hù)信號(hào)，即圖中的STOP信號(hào)。下面簡(jiǎn)要介紹保護(hù)復(fù)位電路的基本工作原理：保護(hù)復(fù)位電路的輸入信號(hào)來(lái)自驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路的電流檢測(cè)器ISENSOR。當(dāng)流過(guò)ISENSOR的電流較大時(shí)，此時(shí)電阻R83兩端的壓降增大，運(yùn)算放大器U18D的輸出為高電平。由于雙D型觸發(fā)器4013的時(shí)鐘和D信號(hào)引腳接地，則該觸發(fā)器具有R-S觸發(fā)器的功能。當(dāng)運(yùn)算放大器的輸出為高電平時(shí)，即R引腳的信號(hào)為高電平，此時(shí)觸發(fā)器被復(fù)位，觸發(fā)器的輸出端Q為低電平，即STOP信號(hào)為低電平。當(dāng)STOP信號(hào)為低電平時(shí)，三輸入與門U10A4073（如圖5所示）的輸出被強(qiáng)制限定為低電平。而4013觸發(fā)器的另一輸出通過(guò)RC回路（如圖中R98和E15）充電，當(dāng)充電到一定時(shí)候，S引腳為高電平，根據(jù)觸發(fā)器的功能表可見(jiàn)，STOP信號(hào)重新變成高電平，這時(shí)STOP信號(hào)對(duì)三輸入與門的工作沒(méi)有影響，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)復(fù)位功能。通過(guò)選擇合適的電阻、電容值,可以確定保護(hù)復(fù)位的時(shí)間，在本文中，選擇電阻為750kΩ，電容為4.7μF使復(fù)位時(shí)間為1.5s。保護(hù)復(fù)位電路如圖3.8

圖4.8保護(hù)復(fù)位電路

過(guò)電壓的保護(hù)

過(guò)電壓的幅度一般都很大，但是其作用時(shí)間一般卻都很短暫，即過(guò)電壓的能量并不是很大的。利用電容兩端的電壓不能突變這一特點(diǎn)，將電容器并聯(lián)在保護(hù)對(duì)象的兩端，可以達(dá)到過(guò)電壓保護(hù)的目的，這種保護(hù)方式叫做阻容保護(hù)。起保護(hù)作用的電容一般都與電阻串聯(lián)，這樣可以在過(guò)電壓給電容充電的過(guò)程中，讓電阻消耗過(guò)電壓的能量，還可以限制過(guò)電壓時(shí)產(chǎn)生的瞬間電流。并且R的接入還能起到阻尼作用，防止保護(hù)電容和電路的電感所形成的寄生振蕩。圖3.9為電源側(cè)阻容保護(hù)原理圖。圖3.9（a）為單相阻容保護(hù)電路，圖3.9（b）、（c）為三相阻容保護(hù)電路，RC網(wǎng)絡(luò)接成星型，如圖3.9（b）；也可以接

成三角形，如圖3.9（c）。電容越大，對(duì)過(guò)電壓的吸收作用越明顯。在圖3.9中，圖3.9（a）為單相阻容保護(hù)，阻容網(wǎng)絡(luò)直接跨接在電源端，吸收電源過(guò)電壓。圖3.9（b）為接線形式為星型的三相阻容保護(hù)電路，平時(shí)電容承受電源相電壓，圖3.9（c）為接線形式為三角型的三相阻容保護(hù)電路，平時(shí)電容承受電源相電壓。顯然，三角型接線方式電容的耐壓要為星型接線的3倍。但是無(wú)論哪種接線，對(duì)于同一電路，過(guò)電壓的能量是一樣的，電容的儲(chǔ)能也應(yīng)該相同，所以星型接線的電容容量應(yīng)為三角形的3倍。也就是說(shuō)兩種接線方式電容容量和耐壓的乘積是相同的。

圖4.9阻容保護(hù)

過(guò)電流的保護(hù)

電力電子電路中的電流瞬時(shí)值超過(guò)設(shè)計(jì)的最大允許值，即為過(guò)電流。過(guò)電流有過(guò)載和短路兩種情況。常用的過(guò)電流保護(hù)措施如圖3.10所示。一臺(tái)電力電子設(shè)備可選用其中的幾種保護(hù)措施。針對(duì)某種電力電子器件，可能有些保護(hù)措施是有效的而另一些是無(wú)效的或不合適的，在選用時(shí)應(yīng)特別注意。

圖4.10過(guò)電流保護(hù)

交流斷路器保護(hù)是通過(guò)電流互感器獲取交流回路的電流值，然后來(lái)控制交流電流繼電器，當(dāng)交流電流超過(guò)整定值時(shí)，過(guò)流繼電器動(dòng)作使得與交流電源連接的交流斷路器斷開(kāi)，切除故障電流。應(yīng)當(dāng)注意過(guò)流繼電器的整定值一般要小于電力電子器件所允許的最大電流瞬時(shí)值，否則如果電流達(dá)到了器件的最大電流過(guò)流繼電器才動(dòng)作，由于器件耐受過(guò)電流的時(shí)間極短，在繼電器和斷路器動(dòng)作期間電力電子器件可能就已經(jīng)損壞。來(lái)自電流互感器的信號(hào)還可作用于驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)電流超過(guò)整定值時(shí)，將所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出封鎖，全控型器件會(huì)由于得不到驅(qū)動(dòng)信號(hào)而立即阻斷，過(guò)電流隨之消失；半控型器件晶閘管在封鎖住觸

發(fā)脈沖后，未導(dǎo)通的晶閘管不再導(dǎo)通，而已導(dǎo)通的晶閘管由于電感的儲(chǔ)能器件不會(huì)立即關(guān)斷，但經(jīng)一定的時(shí)間后，電流衰減到0，器件關(guān)斷。這種保護(hù)方式由電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，又叫做電子保護(hù)。與斷路器保護(hù)類似，電子保護(hù)的電流整定值也一般應(yīng)該小于器件所能承受的電流最大值。

快速熔斷器保護(hù)一般作為最后一級(jí)保護(hù)措施，與其它保護(hù)措施配合使用。根據(jù)電路的不同要求，快速熔斷器可以接在交流電源側(cè)（三相電源的每一相串接一個(gè)快速熔斷器），也可以接在負(fù)載側(cè)，還可電路中每一個(gè)電力電子器件都與一個(gè)快速熔斷器串聯(lián)。接法不同，保護(hù)效果也有差異。熔斷器保護(hù)有可以對(duì)過(guò)載和短路過(guò)電流進(jìn)行“全保護(hù)”和僅對(duì)短路電流起作用的短路保護(hù)兩種類型。

4.8總電路

由此得到電路圖如3.8。

圖4.11總電路圖

5系統(tǒng)元件有關(guān)參數(shù)的計(jì)算

在電路中輸入為110KVDC，輸出為380VAC50Hz，輸出功率為P=3000W，

功率因數(shù)設(shè)為cosφ=1。調(diào)節(jié)升壓電路的占空比δ=1-E/U=1-110/380=0.71使輸出為400V，調(diào)制比為1，求得逆變器輸出的基波電壓有效值為U

b

=400/√2=282.84V。初步計(jì)算變壓器的變壓比為k=380/400=0.95。則電路各元件選取如下：

5.1開(kāi)關(guān)管和二極管的選擇

(1)開(kāi)關(guān)管的選擇

最大輸出情況下，電流有效值為

I

max

=P/(V*cosφ)=3000/380=7.895A式（5.1）

開(kāi)關(guān)管額定電流I

CE

I

CE＞2*I

max

=2*7.895=15.79A式（5.2）

開(kāi)關(guān)管額定電壓V

CER

V

CER=2*V

M

=2*.80=760V式（5.3）

(2)二極管的選擇

額定電壓V

RR

V

RRM

＞380V式（5.4）最大允許的均方根正向電流

I

frms=πI

FR

/2=1.57I

FR

式（5.5）

二極管的額定電流為

I

FR＞I

max

/1.57=7.895/1.57=5.03A式（5.6）

5.2LC濾波器的計(jì)算

輸出濾波器的作用是減小輸出電壓中的諧波，并保證基波電壓輸出。因?yàn)V波電容和負(fù)載并聯(lián)，它可以補(bǔ)償感性電流，但是，濾波電容過(guò)大，反而會(huì)增加變壓器的負(fù)擔(dān)。因此，在設(shè)計(jì)濾波電路的時(shí)候，首先確定濾波電容的值。設(shè)計(jì)基本原則就是在額定負(fù)載時(shí)，使容性電流補(bǔ)償一半的感性電流。

I

C=Psinφ/(2U

cosφ)=3000*0.6/(2*380*0.8)式（5.7）

C=I

C/(U

ω)=2.96/(380*2π*50)=24.79μF式（5.8）

取C=25μF，選擇500Hz、500V的交流電容。

開(kāi)關(guān)管的工作頻率取7.2kHz

逆變橋輸出電壓除基波外，還含有高次諧波，最低次諧波為2p-1次，而p=f

s

/f=7200/50=144，

得到f=(2*200-1)*50=19950Hz式（5.9）考慮到死區(qū)的影響，一般選取輸出濾波器的諧振頻率為最低諧振頻率的

1/5～1/10。取諧振頻率為2kHz,算出

L=(1/2π*2000)2/C=0.256mH式（5.10）折算到原邊，L

1

=(1/k)2L=0.284mH式（5.11）5.3輸出變壓器選擇

方案一：三個(gè)單相變壓器參數(shù)計(jì)算：

單個(gè)變壓器輸出功率為：

P

2

=1000W式（5.12）單個(gè)變壓器輸入功率：

P1=U

1

*I

1

=P

2

/η=3000/0.95=1052.6W式（5.13）

式中η為變壓器的效率，這里取0.95變壓器的額定功率為:

P=(P

1+P

2

)/2=(1000+1052.6)/2=1026.3W式（5.14）

一次側(cè)電流為：

I1=KP

1

/U

1

=1.2*1052.6/77.8=13.5A式（5.15）

式中K是變壓器空載電流大小決定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，容量越小的變壓器，K越大，一般選1.1~1.2。

二次側(cè)電流為：

I2=P

2

/U

2

=1000/380=2.6A式（5.16）

故選用三個(gè)初級(jí)電壓為77.8V、電流為13.5A，功率為1052.6W,次級(jí)電壓為380V、電流為2.6A，功率為1000W的單相變壓器。

方案二：三相變壓器

變壓器輸出功率：

P1=U

1

*I

1

=P

2

/η=3000/0.95=3157.9W式（5.17）

式中η為變壓器的效率，這里取0.95

已知直流輸入為110V，其基波最大的峰峰值為110V

峰值有效值為:

U=110/√2=77.8V式（5.18）逆變線電壓額定值為380V，

相電壓峰值為:

U

WN

=380/√3=219.4V式（5.19）由于變壓器連接方式為△Y-11連接，變壓器變比為:

N1/N

2

=77.8/219.4=0.35式（5.20）

故選擇變比為0.35，功率3200W的三相變壓器。

考慮到成本以及方便在本次設(shè)計(jì)中采用方案二級(jí)三相變壓器。

電源的輸出功率為3KVA，cosφ=1，頻率f=50Hz。根據(jù)變壓器選擇手冊(cè)可選

擇SD40*80*220mm的50Hz鐵芯，查得變壓器視在功率為3529VA。本設(shè)計(jì)采用SD型鐵芯，用冷軋取向硅鋼薄板DQ151-35材料，占空系數(shù)K

C

=0.92。求得磁芯

截面積S

C=K√P/K

C

=1.2*√3529/0.92=77.49cm2，若選取最大磁密B

m

=12000G

s

（1）副邊繞組

逆變橋輸出的SPWM波經(jīng)過(guò)電感濾波后還是有一定的高頻分量，一般取

Br=80%B

m

=0.8*12000G

S

=9600G

S

。根據(jù)變壓器電壓關(guān)系式U

=4.44fN

2

B