课程设计无源三相pwm逆变器控制电路设计

目 录第1章 课程设计的目的及要求03第2章 整流电路05第3章 三相桥式逆变电路10第4章 PWM逆变电路的工作原理 15第5章 比较电路19第6章 死区生成电路23第7章 总电路图及波形26第8章 个人心得28 参考文献 29第一章 课程设计的目的及要求 一、课程设计的目的通过电力电子技术的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。5、提高学生课程设计报告撰写水平。二、课程设计的要求1. 自立题目题目：无源三相PWM逆变器控制电路设计注意事项：学生也可以选择规定题目方向外的其它电力电子装置设计，如开关电源、镇流器、UPS电源等， 通过图书馆和Internet广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计方案。首先要明确自己课程设计的设计内容。控制框图设计装置（或电路）的主要技术数据主要技术数据输入交流电源： 单相220V， f=50Hz三角波载波频率f=2kHz 交直变换采用二极管整流桥电容滤波电路，无源逆变桥采用三相桥式电压型逆变主电路，控制方法为SPWM控制原理。输出交流：f=20Hz 电流为正弦交流波形，输出频率可调，输出负载为三相异步电动机，等效为星形RL电路，R=10，L=15mH设计内容：整流电路的设计和参数选择滤波电容参数选择三相逆变主电路的设计和参数选择IGBT电流、电压额定的选择三相SPWM驱动电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图 2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力 要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。主电路具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引用说明，否则也不能得优）。3. 在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力 要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。4. 课题设计的主要内容是主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。 报告最后给出所设计的主电路和控制电路标准电路图。 5. 课程设计用纸和格式统一 课程设计用纸在学校印刷厂统一购买和装订，封面为学校统一要求。要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。设计报告不少于20页.第二章 整流电路 根据要求，整流电路采用二极管整流桥电容滤波电路，电路图如下：图2.1电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a电路b波形一、工作原理及波形分析 图 2.1（b）为电路工作波形。假设该电路已工作于稳态，同时由于实际中作为负载的后级电路稳态时消耗的直流平均电流是一定的，所以分析中以电阻R作为负载。 该电路的基本工作过程是，1.在U2正半周过零点至wt=0期间，因为u2(35)T/2,T为交流电源的周期，此时输出电压为Ud=1.2U2。 （2）电流平均值 输出电流平均值IR为 IR=Ud/R在稳态时，电容C在一个电源周期内吸收的能量和释放的能量相等，其电压平均值保持不变。相应的，流经电容的电流在一个周期内的平均值为零，又有id=ic+iR得出 Id=IR。 在一个电源周期中，id有两个波头，分别轮流流过VD1、VD4和VD2、VD3。反过来说，流过某个二极管的电流iVD只是两个波头中的一个，故其平均值为idVD=Id/2=IR/2。 （3）二极管承受的电压 二极管承受的反向电压最大值为变压器二次电压最大值，即U2。 以上讨论过程中，忽略了电路中诸如变压器漏抗、线路电感等的作用。另外，实际应用中为了抑制电流冲击，常在直流侧串入较小的电感，成为感容滤波的电路，如图2.2a所示。此时输出电压和输入电流的波形如图2.2b所示，由波形可见，ud波形更平直，而电流i2的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有利的。当L与C的取值变化时，电路的工作情况会有很大的不同。 图2.2感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a电路b波形 3、 二极管与电容的选择 1.电容 电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。在纯电阻负载时，变压器副边电流的有效值I2 = 1.11IL，而有电容滤波时（2）负载平均电压VL升高，纹波（交流成分）减小，且R越大，电容放电速度越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取(35)式中T为电源交流电压的周期。（3）负载直流电压随负载电流增加而减小。VL随IL的变化关系称为输出特性或外特性。当C值一定，当R=，即空载时 当C=0，即无电容时 在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足式(35) 的关系时，电容滤波电路的负载电压VLV2的关系约为 VL=(1.11.2)V2总之，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。 2.二极管的选择 在选择整流二极管时，主要考虑两个参数，即最大整流电流和反向击穿电压。在桥式整流电路中，二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为 在选择整流管时应保证其最大整流电流IFID。 二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从桥式整流电路的工作原理中得出。在v2正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止。此时D2、D4所承受的最大反向电压均为v2的最大值，即 同理，在v2的负半周，D1、D3也承受到同样大小的反向电压。所以，在选择整流管时应取其反向击穿电压VBRVRM四、工作电路图仿真分析。 图2.电容为3200uF，电感为15mH时负载电压电流波形分析 （ VAMPL为电压峰值 FREQ为电压频率 ）交流电压的波形电容为3200uF时，负载电压波形电容为3200uF时，负载电流波形第3章 三相桥式逆变电路 根据要求，逆变电路采用三相桥式电压型逆变电路，采用IGBT作为开关器件的三相桥式逆变电路其电路图如图3.1所示：一、工作原理 电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出假想中点N。1.180o导电方式 三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180o导电方式，即每个桥臂的导电角度为180o，同一相（即同一半桥）上下两个桥臂交替导电，各相开始导电图3.1a 三相桥式PWM型逆变电路 图3.1b 三相桥式逆变电路仿真图 的角度依次差120o。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。 2.波形分析 对于U相输出来说，当桥臂1导通时，UUN=Ud/2，当桥臂4导通时，UUN=-Ud/2。因此， UUN的波形幅值为Ud/2的矩形波。V、W两相的情况和U相类似，UVN、UWN的波形形状和UUN相同，只是相位依次差120o。UVN、UWN、UUN的波形如图3.2a、b、c所示。 tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3 图3.2 三相电压型桥式逆变电路的工作波形 负载线电压UUV、UVW、UWU可由下式求出图3.2d是依照上式画出的UUV的波形。设负载中点N与直流电源假想点N之间的电压为UNN，则负载各相的相电压分别为把上式各式相加并整理可求得设负载为三相对称负载，则有，故可得负载已知时，可由波形求出波形。桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流的波形，每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，这是电压型逆变电路的一个特点。一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出线电压展开成傅里叶级数得： 式中，为自然数。输出线电压有效值为： 基波幅值和基波有效值分别为： 负载相电压展成傅立叶级数有： 式中，为自然数。 负载相电压有效值为： 基波幅值和基波有效值分别为： 防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通” 。即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留一定时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死去时间。死区时间的长短应视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留死区时间就可以越短。 第四章 PWM逆变电路的工作原理一、PWM简介1. PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。2.理论基础: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。冲量指窄脉冲的面积。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 PWM波形可等效的各种波形，例如：直流斩波电路可以等效直流波形；PWM波可以等效正弦波形；还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理 。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波的方法：正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等。这样就可得到PWM 波形。由上方法可知各脉冲的幅值相等，而宽度按正弦规律变化 。对于正弦波的负半周，也可用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM波形。要改变等效输出正弦波幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。 3.控制方法 调制信号ur为正弦波,载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。在ur的半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。和单极性PWM控制方式相对应的是双极性控制方式。采用双极性方式时，在ur的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得的PWM形也是有正有负。在ur的一个周期内，输出的PWM波只有Ud两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关的通断。在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。4.PWM技术的应用PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。 PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。二，工作原理原理电路图如下： 三相桥式PWM逆变电路 1. 图所示为三相桥式PWM逆变电路，功率开关器件为IGBT，负载为电感性。从电路结构上看，三相桥式PWM变频电路只能选用双极性控制方式，其工作原理如下：三相调制信号urU、urV和urW为相位依次相差120的正弦波，而三相载波信号是公用一个正负方向变化的三角形波uc，如图10所示。U、V和W相自关断开关器件的控制方法相同，现以U相为例：在urUuc的各区间，给上桥臂电力晶体管V1以导通驱动信号，而给下桥臂V4以关断信号，于是U相输出电压相对直流电源Ud中性点N为uUN Ud/2。在urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN= Ud /2。当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN=- Ud /2。当给V1 (V4)加导通信号时，可能是V1 (V4)导通，也可能是VD1 (VD4)导通uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud /2两种电平uUV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3. 防直通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。 三相式PWM逆变电路波形 规则采样法三、规则采样法1. 规则采样法原理：如图所示，三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合。规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化。在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断。脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。 2. 规则采样法计算公式推导：正弦信号调制波： 式中，称为调制度，01；为信号波角频率。由规则采样法图可得： 因此可知： 三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度： 第5章 比较电路 一、理论分析 本设计中需要比较电路，根据需要，选用了选用滞回比较器，因为具有滞回特性，即具有惯性特性，有一定的抗干扰能力。其电路图如图5.1所示。如图5.1所示，滞回比较器引入了正反馈。从集成运放输出端的限幅电路可以看出，u0=Uz。集成运放反相输入端电压uN=uI，同相输入端电位 uP=令uN=uP，求出的ui就是阀值电压，因此得出 UT=图5.1 图5.2 电压传输特性曲线 假设uI+UT，那uN一定大于uP，因而u0=-UZ，所以uP=-UT只有当输入电压uI减小到-UT时，再减小一个无穷小量时，输出电压u0才会从-UZ跃变为+UZ，即，u0从+UZ跃变为UT的阀值电压是不同的电压传输特性如图7.2所示。 从电压传输特性曲线上可以看出,当UTuI+UT时，u0可能是+UZ，也可能是UZ。如果uI是从小于UT的值逐渐增大到UTuI+UT,那么u0应为+UZ;如果uI是从大于+UT的值逐渐减小到UTuI+UT，那么u0应为UT;曲线具有方向性。实际上由于集成运放的开环差模的增益益不是无穷大，只有当它的差模输入电压足够大时，输入电压u0才为UZ。u0再从+UZ变为UZ或从UZ变为+UZ的过程中，随着uI的变化，将经过线性区，并需要一定的时间。滞回比较器中引入了正反馈，加快了u0的转换速度。为使滞回比较器的电压传输特性曲线向左或向右平移，需将两个阈值电压叠加两个相同的正电压或负电压。把电阻R1的接地端接参考电压UREF，可达到此目的，图中有同相输入端的电位 uP=UREF令uN=uP , 求出的uI就是阈值电压，因此得出UT1=UREFUT2=UREF+UZ两式中第一项是曲线在横轴左移或右移的距离，改变UREF极性即可改变曲线平移的方向。若是电压传输特性曲线上、下平移，则应改变稳压管的稳定电压。二、 仿真电路及其波形分析图5.3 比较电路电路图图5.4 输出（下、上）端的电压波形仿真电路如图5.3所示。输出电压波形如图5.4所示。第六章 死区生成电路图6.1 比较电路+加死区生成电路图6.2 比较电路输出端，电容端，死区输出端电压比较比较电路上输出电压波形上输出端加死区后的电压比较电路下输出电压波形下输出端加死区后的电压第七章 总电路图及波形图7.1一相负载的电流波形图7.2 三相负载的电流波形如图7.1、7.2，可以看出，输出为三相交流电，周期T=50ms，频率f=20Hz。符合要求。图7.3 一相负载的电压波形第八章 个人心得两周的课程设计很快结束了，这次课程设计是我大学中的第一次课程设计。从开始时的满怀信心，经过其中的努力、查阅资料、讨论等等，到最后的设计完成，我学到了很多东西。这是我一生的财富。课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，电力电子技术的应用日益广泛。这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我得体会们通过这个方案包括设计了一套电路原理和连接图，和器件上的选择。通过此次实验设计，使我熟悉并掌握电力电子器件的应用，对