电力电子课程设计-电压型SPWM逆变器的设计.doc

课程设计基本要求课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。1. 课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和pcb图。项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。4. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。6. 答辩是课程设计中十分重要的环节，由课程设计指导教师向答辩学生提出23个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对问题的理解、分析和判断能力。答辩考核成绩占25%左右。7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩（百分制），最后将百分制评分成绩转换为五级分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）总评成绩。8. 课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。一、课程设计项目名称电压型spwm逆变器的设计二、项目设计目的及技术要求设计目的设计单相或三相电压源型spwm逆变器的主电路及其控制电路。 技术要求及初始条件： 采用单相或者三相电压源型spwm逆变器。要求频率f50hz，相电 220v ，电流20a。设计任务: 1. spwm逆变器主电路设计（包括电路结构形式，全控型器件的选择）。2. 脉宽调制器设计（如3524集成pwm控制器）。3.控制驱动电路设计（如ir2110集成pwm驱动器）。4. spwm控制原理分析5.提供电路图纸一张。设计要求: 1对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。2. 画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。3. 对项目设计结果进行分析。3. 画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。4.课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和pcb图)1. pwm控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。例如图1-1a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图1-1a为矩形脉冲，图1-1b为三角形脉冲，图1-1c为正弦波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图1-1d的单位脉冲函数(t)时,环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。图1-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图1-2a的电路是一个具体的例子。图中e(t)为电压窄脉冲，其形状和面积分别如图1-1a、b、c、d所示，为电路的输入。该输入加在可以看成惯性环节的r-l电路上，设其电流i(t)为电路的输出。图1-2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。从波形可以看出，在i(t)的上升段，脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。图1-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形上述原理可以称之为面积等效原理，它是pwm控制技术的重要理论基础。2. spwm控制技术下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波。把图2-a的正弦波分成n等分，就可以把正弦波看成是由n个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，就得到图2-b所示的序列脉冲。详细的分析结论是：对开关器件的通、断状态进行实时、适式的控制，使多脉波的矩形脉冲电压宽度按正弦规律变化时，通过傅里叶分析可以得知，输出电压中除基波外仅含有与开关频率倍数相对应的某些高次谐波而消除了许多低次谐波，开关频率（输出电压频率）越高，脉波数越多，就能消除更多的低次谐波，使逆变电路的输出电压更近似于连续的正弦波。如果按同一比例的正弦规律改变图2-b中所有矩形脉波的宽度，则可以成比例地调控输出电压中的基波电压数值。这种控制逆变器输出电压大小及波形的方法被称为正弦脉宽调制spwm。图2用pwm波代替正弦半波3. spwm逆变电路及其控制方法pwm控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎采用了pwm技术。如果给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，pwm波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的pwm波形。这种方法称之为计算法。与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的pwm波形。通常采用等要三角波作为载波，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合pwm控制的要求。4. 方案选择4.1选用esayarm1138开发板以lm3s1138为控制核心，辅以扩展的键盘及显示电路和spwm逆变电路组成完整的系统。根据采样控制理论，由lm3s1138输出一系列周期性变化的等幅不等宽脉冲，控制igbt功率开关管的导通和截止，使逆变器输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波。输出的信号经低通滤波器滤波后，即可得到所需要的正弦波。改变调制脉冲的宽度可以控制输出电压的幅值，改变调制周期可以控制输出电压的频率，从而达到使逆变器的输出电压和幅值同时可调的目的。在逆变器电路的设计中，控制方法是核心技术。早期的控制方法使得输出为矩形波，谐波含量较高，滤波困难，而spwm技术较好地克服了这些缺点。本设计室基于单片机来实现spwm，此方法控制电路简单可靠，利用软件产生spwm波，减轻了对硬件的要求，且成本低，受外界干扰小。4.2 选用sg3524 选用sg3524集成pwm控制器为控制核心，用icl8038函数发生器产生正弦调制波，在与sg3524中的载波比较后输出一系列周期性变化的等幅不等宽脉冲，由于sg3524产生的spwm信号不能直接驱动igbt，故逆变桥的驱动采用专用芯片ir2110控制igbt功率开关管的导通和截止，使逆变器输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波，即可得到所需要的正弦波。本系统由正弦波函数发生器、3524集成pwm控制电路、ir2110集成pwm驱动电路、spwm逆变器主电路等组成。 从设计方案的先进性、实用性和可行性方面综合考虑，选用方案二。5. spwm逆变器主电路设计如图5是spwm逆变器的主电路，图中vlv6是逆变器的六个功率开关器件，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压u供电。一组三相对称的正弦参考电压信号由参考信号发生器提供，三角载波信号uc是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生spwm脉冲序列波作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。当uruuc时，给v1导通信号，给v4关断信号，uun=-ud/2。uuv的波形可由uun-uvn得出，当1和6通时，uuv=ud，当3和4通时，uuv=-ud，当1和3或4和6通时，uuv=0。输出线电压pwm波由ud和0三种电平构成负载相电压pwm波由(2/3)ud,(1/3) ud和0共5种电平组成。防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的pwm波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。 图5 主电路图6. 脉宽调制器设计本次设计中采用icl8038产生正弦波给sg3524集成pwm控制器产生控制信号。sg3524可以产生锯齿波，作为载波与正弦波比较，生成spwm信号。sg3524管脚图如图6.1所示。工作过程为：直流电源从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的+5v基准电压。+5v再送到内部（或外部）电路的其他元器件作为电源。振荡器脚7须外接电容，脚6需外接电阻。振荡器频率f由外接电阻和电容决定，f=1.18/rc，振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相端，比较器的反相端接正弦波调制信号，通过芯片内置的比较器完成载波和调制波的比较，产生spwm信号。正弦波信号由函数发生器icl8038产生。其频率由r1，r2和c来决定，f=0.15/(r1+r2)c，对于本次设计要求频率为50hz，可取r1+r2=9.7k，电容取0.22uf。连接电路如图6.2所示。 图6.1 sg3524 管脚图 图6.2 icl8038电路图三相正弦波发生器整个脉宽调制器部分系统如图6.3所示。控制信号sg3524 图6.3 脉宽调制部分系统示意图7. 控制驱动电路设计由于sg3524产生的spwm信号不能直接驱动igbt，故逆变桥的驱动采用专用芯片ir2110。ir2110是一种双通道、栅极驱动、高压高速、单片式集成功率驱动模块，具有体积小(dip14)、集成度高(可驱动同一桥臂两路)、响应快(典型ton/toff=120/94 ns)、偏置电压高(600 v)、驱动能力强等特点，同时还具有外部保护封锁端口。ir2110采用cmos工艺制作，逻辑电源电压范围为5 v20 v，适应ttl或cmos逻辑信号输入，具有独立的高端和低端2个输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上，容许逻辑电路参考地(vss)与功率电路参考地(com)之间有-5 v+5 v的偏移量，并且能屏蔽小于50 ns的脉冲，这些特点使得ir2110具有较理想的抗噪声效果。采用cmos施密特触发输入，可以进一步提高电路抗干扰能力。r2110自身的保护功能非常完善：对于低压侧通道，利用2片ir2110驱动全桥逆变电路的电路图如图7所示。 图7 全桥驱动电路为改善pwm控制脉冲的前后沿陡度并防止振荡，减小igbt集电极的电压尖脉冲，一般应在栅极串联十几欧到几百欧的限流电阻。ir2110的最大不足是不能产生负偏压，由于密勒效应的作用，在开通与关断时，集电极与栅极间电容上的充放电电流很容易在栅极上产生干扰。针对这一点，在驱动电路中的功率管栅极限流电阻r1、r2上反向并联了二极管d4、d5。四、项目设计结果分析（分析试验过程中获得的数据、波形、现象或问题的正确性和必然性，分析产生不正确结果的原因和处理方法）pwm控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形，pwm控制技术最重要的理论基础是面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性的，环节上时，其效果基本相同。在采样控制理论中，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。这是pwm控制的基本思想，也就是面积等效原理 。一个正半波可以和等幅不等宽的脉冲序列来等效，但必须使该半波七等分的各部分面积与相对应的七个脉冲序列面积相等，其作用效果才能相等。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度按正弦规律变化。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到pwm波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而且和正弦波等效的pwm波形，称为spwm波形。 spwm控制技术是pwm控制技术的主要应用，即输出脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效。 对负载(交流异步电机)来说，有用的是电压的基波，希望spwm 波形中基波成分越大越好，通过对spwm 脉冲序列波u (t)展开成付利叶极数分析可知，输出基波电压幅值um 与i 有着直接的关系，它说明调节调制波幅值从而改变各个脉冲宽度时，可使逆变器输出电压基波幅值平滑调节。 spwm 逆变器输出脉冲序列波的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波，当然这必须是在满足n 不太小近似条件下得到的。 但spwm 逆变器输出相电压的基波幅值有常规六拍阶梯波的86%90%，为弥补这一不足，常在spwm 逆变器的直流回路中并联相当大的滤波电容，以提高逆变器的直流电压us。 由以上分析可知n 越大即功率开关器件半周内要开关n 次，脉冲数n=n/2，其中n 为载波比，即：n=ft/fr=载波频率/参考调制波频率。 即希望n 越大越好。但从功率开关器件本身的允许开关频率来看，n 不能太大：n 功率开关器件的允许开关频率/最高的正弦调制信号频率。五、参考文摘（相关文摘不少于5篇，记录每篇文献的作者姓名.文献名称.文献发行城市：文献出版社，出版年；文献内容摘要, 每篇不少于100字）1王兆安，刘进军电力电子技术北京：机械工业出版社，2005内容摘要：内容包括:各种电力电子器件、整流电路、逆变电路、直流一直流变流电路、交流一交流变流电路、pwm控制技术、软开关技术、电力电子器件应用的共性问题、电力电子技术的应用等。本书对电力电子技术的内容进行了精选,体现了最新技术的发展。2李爱文，张承慧现代逆变技术及其应用北京：科学出版社，2000内容摘要：现代逆变技术广泛应用于各个领域的用电设备或功率变换装置中。本书从应用和设计的角度，详细论述了现代逆变技术，逆变开关器件，逆变系统结构及电路形式，变压器和电抗器设计，功率变换技术，逆变控制技术，逆变系统的整流滤波，并介绍了相关的设计技术和设计实例。本书总结了近年来国内外逆变技术及其应用的研究成果和作者多年的经验，侧重于应用、设计方法和设计实例。3王兆安，黄俊电力电子技术北京：机械工业出版社，2005内容摘要：本书主要内容包括：各种电力电子器件；整流电路、直流斩波电路、交流电力控制电路和交交变频电路、逆变电路以及组合变流电路；pwm控制技术、软开关技术等。本书对电力电子技术的内容进行了精选，并体现了其最新发展。4苏玉刚等电力电子技术重庆：重庆大学出版社，2003 内容摘要：本书共分7 章，从电力电子器件、电力电子变换电路和电力电子装置控制与保护电路3 个方面介绍了电力电子器件的原理、特性和应用技术；阐述了电力电子4 种类型变换电路的基本原理及分析方法和设计方法；介绍了电力电子装置控制和保护电路的基本要求和设计方法。5张燕宾spwm变频调速应用技术北京：机械工业出版社，2005 内容摘要：本书首先深入浅出地讲解了电力拖动系统的工作要求、异步电动机的主