《电力电子技术》课程设计-交-直-交PWM变频电源的设计.doc

前前 言言 电力电子技术是普通高等工科学校电气自动化专业和电气技术专业的 主要课程，而本次电力电子技术课程设计是在学习完电力电子技术这门课 程后一个重要性的实践性教学环节，通过把理论知识运用于实践，加深对这门 课程的理解和掌握其精髓，通过实践巩固理论知识，实现理论与实践的完美结 合，为今后解决实际问题打下坚实的基础。同时也加强实践意识，培养迅速把 理论知识运用于实践的能力。 在电力电子技术理论课程中，我们学习了电力电子器件，整流电路， 直流斩波电路，交流电力控制电路，交交变频电路，逆变电路，pwm 控制技术， 软开关技术，组合变流电路等方面的知识。通过该课程设计可以进一步对所学 知识的掌握，了解各种变流电路的基本原理和设计方法，培养独立分析问题和 解决问题的能力。并对电力电子的相关常识得到了解，同时对电力电子技术的 各种器件具进行深层次的掌握，训练作为一名电气工程师在各个方面的综合能 力，为今后在工作岗位上奠定扎实的基础。 本次课程设计是交-直-交 pwm 变频电源的设计，根据设计要求，并适当考 虑到理论与实际情况的偏差，按照安全可靠、技术先进、经济合理的要求，确 定变频电源方案论证及设计，选择主回路元件，确定驱动电路，保护电路，缓 冲电路的设计，采取 pwm 控制策略，确定逆变变压器的设计等。 在本次课程设计中，先后得到了老师的鼎力帮助，并与本课题同学多次进 行商讨，在此表示诚挚的谢意！ 本次课程设计涉及面非常广，查阅了大量资料，由于很多方面的知识都是 临时去学习，对所查阅的资料的正确性也没有一一考证，另外，这是本人第一 次系统性进行电力电子方面课题的设计，限于在此方面知识的欠缺，设计当中 不免存在并非最优方案和不完善的地方，因此，错误与疏漏之处再所难免，望 老师批评指正。 中南大学电力电子技术课程设计 - 1 - 目目 录录 第一章第一章 概论概论.- 2 - 1.1 设计要求.- 2 - 1.2 设计内容.- 2 - 第二章第二章 变频电源方案论证及设计变频电源方案论证及设计.- 3 - 2.1 交流-直流部分设计方案.- 3 - 2.2 直流-交流部分设计方案.- 4 - 第三章第三章 主回路元件选择主回路元件选择.- 5 - 3.1 电容滤波的三相不可控整流电路.- 6 - 3.2 双极性调制控制方式的三相桥式 pwm 电压型逆变电路.- 8 - 第四章第四章 驱动电路设计驱动电路设计.- 9 - 4.1 驱动电路概述.- 9 - 4.2 驱动电路选取.- 9 - 第五章第五章 保护电路设计保护电路设计.- 10 - 5.1 短路保护.- 10 - 5.2 过电压保护.- 11 - 第六章第六章 缓冲电路设计缓冲电路设计.- 11 - 6.1 缓冲电路的作用.- 11 - 6.2 缓冲电路具体设计.- 12 - 第七章第七章 pwmpwm 控制策控制策略略- 13 - 7.1 pwm 控制技术简介- 13 - 7.2 pwm 控制策略- 14 - 第八章第八章 滤波电路设计滤波电路设计.- 16 - 第九章第九章 逆变电压器设计逆变电压器设计.- 16 - 总结总结.- 17 - 参考文献参考文献.- 18 - 附录一附录一 元件清单元件清单.- 19 - 附录二附录二 电路图电路图.- 20 - 中南大学电力电子技术课程设计 - 2 - 第一章第一章 概论概论 pwm 控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变的影响也最为深刻。 现在大量应用的逆变电路中，绝对大部分都是 pwm 逆变电路。可以说 pwm 控制 技术正是有赖于在逆变中的应用，才发展的比较成熟，才确定了它在电力电子 技术中的重要地位。 这次设计的任务是利用 pwm 技术，设计一台交直交变频电源。 1.11.1 设计要求设计要求 输出交流额定相电压 220v，额定相电流 240a，频率变化范围 2-50hz，其交 流输入线电压为 380v，电压波动率为10%。 1.21.2 设计内容设计内容 （1）变频电源方案论证及设计； （2）主回路元件选择； （3）驱动电路设计； （4）保护电路设计； （5）缓冲电路设计； （6）pwm 控制策略； （7）滤波电路设计； （8）逆变变压器设计； 中南大学电力电子技术课程设计 - 3 - 第二章第二章 变频电源方案变频电源方案论证及设计论证及设计 交-直-交 pwm 变频电源方案如下： 图表 1 交-直-交 pwm 变频电源设计方案 所设计的交-直-交 pwm 变频电源的总体框图如上所示，其中，各部分如下： 2.12.1 交流交流- -直流部分设计方案直流部分设计方案 对于 ac-dc 部分，由于三相交流输入线电压为 380v，电压波动率为 10%，故此采用电容滤波的三相不可控整流电路，电路图如下： 中南大学电力电子技术课程设计 - 4 - 图表 2 主电路 ac-dc 部分 加入电容 c，滤平全波整流后的电压纹波，另外当负载变化时，使直流电 压保持平稳，即滤波作用。 2.22.2 直流直流- -交流部分设计方案交流部分设计方案 对于 dc-ac 部分，由于指定用 pwm 控制技术进行逆变，故此采用三相桥式 pwm 电压型逆变电路，电路图如下： 图表 3 主电路 dc-ac 部分 电路中的两个电容即为总体框图中的 ca和 cb。 2.3 驱动电路设计方案 驱动电路如下： 中南大学电力电子技术课程设计 - 5 - 图表 4 驱动电路设计 由于本交-直-交 pwm 变频电源的逆变电路采用三相桥式 pwm 电压型逆变电 路，根据其特点，要求逆变电路中采用全控型电力电子器件，然而电力电子器 件中的全控型器件种类较多，有电力 mosfet、gtr、gto 等。其中 gr、gto 的关 断速度较差，会影响输出波形，效果会很差。而 igbt 则综合了电力 mosfet 以 及 gtr 的特点，所以本设计中选择 igbt 作为逆变电路中的开关器件。从而驱动 电路为 igbt 的驱动电路。 第三章第三章 主回路元件选择主回路元件选择 交直交变频电源电路主要由两部分组成：交流变直流（uiud）为 整流部分，采用电容滤波三相桥式不可控整流电路，直流侧用电容进行滤波， 可得到平直的中间直流电压；直流变交流（udui）为逆变部分,采用三相桥 式 pwm 型逆变电路。 中南大学电力电子技术课程设计 - 6 - 3.13.1 电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路 图表 5 电容滤波的三相不可控整流电路 1.数量关系： （1）输出电压平均值 空载时，输出电压平均值最大，为 ud=6u2=2.45u2。随着负载加重，输 出电压平均值减小，至 wrc=3 进入 id连续情况后，输出电压波形成为线电压 的包络线，其平均值为 ud=2.34u2。可见，ud在 2.34u2到 2.45u2之间变化。 （2）电流平均值 输出电流平均值 ir为 ir=ud/r 与单相电路情况一样，电容电流 ic平均值为零，因此， id=ir 在一个电源周期中，id有六个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波 头，因此二极管电流平均值为 ivd=id/3 （3）二极管承受的电压 二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为 6u2。 2.器件参数的确定 （1）电容的选定 对于电容滤波的三相不可控整流电路，负载电流存在着连续与不连续的问 题，本设计中确定负载电流连续，即满足条件 wrc=3。由于交流输入电源的 工频为 50hz，所以 w=314rad/s，r 取 1k（本滤波整流电路右侧为三相桥式 中南大学电力电子技术课程设计 - 7 - pwm 型逆变电路，其输入电阻比较大，故整定本滤波整流电路负载为 1 k） 。 所以，电容 c=5.516f。 电容的电压值以及电流值选取 ： 由于 ud在 2.34u2到 2.45u2之间变化，故此电容两端的电压值的范围也为 2.34u2到 2.45u2之间。因此，可以得到 2.34x（380/3）vud2.45（380/3）v 514.8vud550v 在整个整流过程中，电容的电流平均值为零。 根据上面计算，选择电容参数如下： 型号：铝电解电容 cd71c 品牌：雅斯特 参数：额定电压 750v ， 电容值：100uf （2）二极管的选定 电压值选取 本电容滤波的三相不可控整流电路中各个二极管承受的最大反向电压为 6u2，即 537.40v。 选取一定的安全裕量，即取 uvd为所承受的最大反向电压的 1 到 2 倍 uvd=537.401074.8v 电流值选取 id=ir=ud/r=0.5148a 考虑到安全裕量，取 ic=1a ivd=id/3=0.1716a 考虑到安全裕量，取 ic=0.2a 根据上述计算，所以选择二极管参数如下： 型号：2cp29 峰值电流：0.3a 最大电压：1000v 数量：6 中南大学电力电子技术课程设计 - 8 - 3.23.2 双极性调制控制方式的三相桥式双极性调制控制方式的三相桥式 pwmpwm 电压型逆变电路电压型逆变电路 相关器件的选择： （1）igbt 的选择 由于逆变电路直流侧电压为左侧整流电路 id连续时的电压，即 ud=2.34u2=514.8v。在 igbt 导通时，管压降可忽略不计，电感在充放电的过程 中平均电流为零，因此，电路中流过的电流为 i=ud/r=514.81000=0.5148a 考虑一定的裕量，则 igbt 的耐流值取 i 的 1.5 倍，即 0.7722a igbt 承受的电压为 ud/2，即 257.4v，考虑一定的裕量，则 igbt 的耐压值 772.2v。 根据上述计算，选择 igbt 参数如下： 型号：gtl53101 最高耐压值：1000v 最高电流值；200a 数量：6 个 （2）二极管的选择 二极管承受的电压同为 257.4v，考虑一定的裕量，则二极管耐压值取 1.5 倍，即 386.1v；二极管流过的电流为 0.5148a，考虑一定的裕量，则二极管耐 流值取 1.5 倍，即 0.7722a。 根据上述计算，选择二极管参数如下： 型号：by550-1000 峰值电流：1a 额定最大电压：1000v （3）电阻电容电感的选择 选择三个 1 千欧姆的 cf50 碳膜电阻器，两个铝电解电容 cd71c，三个 sdrh62 绕线贴片功率电感。 中南大学电力电子技术课程设计 - 9 - 第四章第四章 驱动电路设计驱动电路设计 4.14.1 驱动电路概述驱动电路概述 igbt 的驱动多采用专用的混合集成驱动器。常用的有三菱公司的 m579 系 列（如 m57962l 和 m57959l）和富士公司的 wxb 系列（如 exb840、exb841、exb850 和 exb851） 。同一系列的不同型号其引脚和接线基本 相同，只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不 同。这些混合集成驱动器内部都具有退饱和监测和保护环节，当发生过电流时 能快速响应但慢速关断 igbt，并向外部电路给出故障信号。 4.24.2 驱动电路选取驱动电路选取 本设计中采用三菱公司的 m57962l 型，其峰值输出电流为 5a，并有短路保 护电路。 图表 6 驱动电路设计 另外，需要选择如下器件： 中南大学电力电子技术课程设计 - 10 - （1）3 个 2dw110 型稳压二极管型号的稳压二极管，其功率为 0.5w，最大 钳位压降为 47v。 （2）2 个 st 品牌的 st-lh 铝电解电容，其额定容量为 47f，额定电压为 400v，耐压值为 450v。 （3）1 个 4.7 千欧姆的 cf100 碳膜电阻器。 第五章第五章 保护电路保护电路设计设计 5.15.1 短路保护短路保护 利用死区生成电路进行短路保护，其作用是防止逆变桥同一相上下两个桥 臂直通而造成短路。电路形式如下： 图表 7 短路保护电路 器件选择： 在电压型逆变电路的 pwm 控制中，同一相上下两个臂的驱动信号都是互补 的。但实际上为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两臂通断切换时要 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功率开关 器件的关断时间来决定。这个死区时间将会给输出的 pwm 波形带来一定影响， 中南大学电力电子技术课程设计 - 11 - 使其稍微偏离正弦波。 由于死区时间取决于电容的充电时间，而经过滞回比较器输出的信号最大 幅值约为 5v，低电平为 0.5v 根据电容充放电特性 uc=us(1-e-t/rc) ucmax=5v 令 t=7s,则两边同时取对数，得出结果为 rc=4.3x10-6s，取 c=104pf，r=394.6k 所以选择一个 50v-104pf-z 瓷片电容，一个 394.6 k 的 cf50 碳膜电阻器。 5.25.2 过电压保护过电压保护 1、在 igbt 中加上缓冲电路，吸收浪涌电压。在缓冲电路的电容器中使用薄膜 电容，并配置在 igbt 附近，使其吸收高频浪涌电压。具体方案在第六章 缓冲 电路的设计中将会说明。 2、调整 igbt 的驱动电路的-vge和 rg，减小 di/dt 3、为了减小主电路和缓冲电路的配线电感，配线要更粗、更短。在配线中使用 铜条。另外进行并列平板配线（分层配线） ，使用配线低电感化将有很大的效果。 第六章第六章 缓冲电路设计缓冲电路设计 6.16.1 缓冲电路的作用缓冲电路的作用 电力电子器件的缓冲电路(snubber circuit)又称吸收电路，它是电力电子 器件的一种重要的保护电路，不仅用于半控型器件的保护，而且在全控型器件 （如 gtr、gto、功率 mosfet 和 igbt 等）的应用技术中起着重要的作用。 本设计中只设计到全控型器件 igbt，igbt 的缓冲电路功能更侧重于开关过 中南大学电力电子技术课程设计 - 12 - 程中过电压的吸收与抑制，这是由于 igbt 的工作频率可以高达 3050khz；因 此很小的电路电感就可能引起颇大的 ldic/dt，从而产生过电压，危及 igbt 的 安全。 图 2(a)和图 2(b)是 pwm 逆变器中 igbt 在关断和开通中的 uce和 ic波形。由图 2(a)可见，在 ic下降过程中 igbt 上出现了过电压，其值为电源电压 ucc 和 ldic/dt 两者的叠加。 图表 8 逆变器中 igbt 关断和开通时的波形 图 2(b)为开通时的 uce和 ic波形，图中增长极快的 ic出现了过电流尖峰 icp，当 icp回落到稳定值时，过大的电流下降率同样会引起元件上的过电压而 须加以吸收（如图所示） 。逆变器中 igbt 开通时出现尖峰电流，其原因是由于 在刚导通的 igbt 负载电流上叠加了桥臂中互补管上反并联的续流二极管的反向 恢复电流，所以在此二极管恢复阻断前，刚导通的 igbt 上形成逆变桥臂的瞬时 贯穿短路，使 ic出现尖峰，为此需要串入抑流电感，即串联缓冲电路，或放大 igbt 的容量。 6.26.2 缓冲电路具体设计缓冲电路具体设计 本次用到的 igbt 型号为 tl53101，高耐压值为 1000v，高电流值为 200a， 根据情况选择缓冲电路结构如下所示： 中南大学电力电子技术课程设计 - 13 - 图表 9 缓冲电路设计 如图所示，逆变电路中采用了充放电型 rcd 缓冲电路。 在无缓冲电路的情况下，逆变电路中的 igbt 开通时电流迅速上升，di/dt 很大，关断时 du/dt 很大，并出现很高的过电压。在有冲放型 rcd 缓冲电路的 情况下，开通时缓冲电容先通过 r 向 igbt 放电，使电流先上一个台阶，以后因 为有 di/dt 抑制电路的缘故，电流上升速度减慢。缓冲电路中的电阻和二极管 是在 igbt 关断时提供放电回路而设置的。 第七章第七章 pwmpwm 控制策略控制策略 7.17.1 pwmpwm 控制技术简介控制技术简介 pwm 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。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波形（含形状和幅值） 。 在采样控制理论中有一条重要的结论：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。效果基本相同 是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。 以正弦 pwm 控制为例。把正弦半波分成 n 等份，就可以把其看成是 n 个彼 中南大学电力电子技术课程设计 - 14 - 此相连的脉冲列所组成的波形。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，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲 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 pwm 波形。各 pwm 脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效 原理，pwm 波形和正弦半波是等效的。可见，所得到的 pwm 和期望得到的正弦 波等效，也称为 spwm。本交-直-交 pwm 变频电源的 pwm 逆变电路的控制方法采 用双极性调制方式。 调制法的特点是：输出波形作调制信号，进行调制得到期望的 pwm 波;通常采用等腰 三角波或锯齿波作为载波;等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左 右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号 波幅值的脉冲，符合 pwm 的要求。调制信号波为正弦波时，得到的就是 spwm 波；调制 信号不是正弦波,而是其他所需波形时，也能得到等效的 pwm 波。 7.27.2 pwmpwm 控制策略控制策略 对于产生 pwm 驱动信号的部分，主体框图如下： 图表 10 pwm 控制策略主题框图 本设计中利用三角波发生器所生成的三角波作为载波信号。 三角波发生器电路如下： 中南大学电力电子技术课程设计 - 15 - 图表 11 三角波发生器电路 比较器电路如下: 选用滞回比较器，因为滞回比较器具有滞回特性，即惯性特性，有一定的 抗干扰能力： 图表 12 比较器电路 死区生成电路的作用主要是是防止逆变桥同一相上下两个桥臂直通而造成 短路。其结构和器件已经在第五章保护电路中分析过了，这里不再重复。 中南大学电力电子技术课程设计 - 16 - 第八章第八章 滤波电路设计滤波电路设计 在主电路 ac-dc 部分中加入电容 c，滤平全波整流后的电压纹波，另外当 负载变化时，使直流电压保持平稳，即滤波作用。电路图见主电路部分。 第九章第九章 逆变电压器逆变电压器设计设计 逆变电压器用于将 pwm 三相逆变电路输出的电压转换为我们所需要的 220v 的电源电压，其主要结构如下： 图表 13 逆变变压器结构 由于要求输出交流额定相电压为 220v，而逆变电路输出相电压为 u1=514.8v，则变压器的匝数比为 n=514.8220=2.34。 由于逆变变压器是变换 spwm 电压波形，其基波成分由 2hz50hz,所以选择 400hz 的 cd 型硅钢铁芯。 选择原边和副边电压比为 600v/300v，由于副边电压可以根据需要订做，所 以选取型号即可，选择 sgl9-0.6/0.3 型变压器。 另外，逆变变压器副边三相线路分别接一个 1cf50 碳膜电阻器，一个 sdrh62 绕线贴片功率电感。 中南大学电力电子技术课程设计 - 17 - 总结总结 经过两周的努力，终于做完了这次电力电子技术课程设计。这次课程 设计历时两个个星期多左右，通过这段时间的学习，发现了自己的很多不足， 无论是对知识的理解还是实践能力以及理论联系实际的能力还急需提高。 开始做课程设计时，因为不知从哪下手，就不假思考的照着同学给的模板 做，后来发现模板里存在一些问题，于是不得不在一些地方返工。后来就是自 己先系统知识，然后自己一步一步脚踏实地的做了。所以一个很深的感触就是， 做好一件事情，首先要对这方面的知识系统化，然后在头脑里理