电力电子课程设计.doc

目 录 第1章 绪论 1 三相变频电源的设计要求 1 第2章 整流电路的设计和参数计算及选型 32.1 单相电容滤波的单相不可控整流电路32.2 单相不可控整流模块的计算及选型 7第3章 三相pwm逆变主电路的设计和参数选择103.1 三相电压型逆变电路103.2 对开关器件和快恢复二极管进行计算选择及选型15第4章 三相spwm控制电路和驱动电路的设计164.1 spwm调制原理164.2 spwm控制电路分析及控制模块选择184.3 spwm驱动电路分析及驱动模块选择21第5章 三相变频电源matlab仿真研究和分析245.1 整流电路的matlab仿真设计245.2 逆变电路的matlab仿真设计29 5.3 三相变频电源的matlab仿真设计31附录35 三相变频电源主电路和控制电路35第1章 绪 论 三相变频电源的设计要求1主要要技术参数l 输入交流电源：单相220v，f=50hz。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l 输出交流：电流为正弦交流波形，输出频率可调，输出负载为三相星形rl电路，r=10，l=15mh2. 设计内容：l 整流电路的设计和参数计算及选择（整流电路工作原理、输出波形分析、整流模块的计算及选型、滤波电容参数计算及选型）l 三相逆变主电路的设计和参数选择（结合负载阐述三相电压型无源逆变电路的工作原理，分析输出相电压、线电压波形；对开关器件和快恢复二极管进行计算选择及选型）l 三相spwm控制及驱动电路的设计：根据spwm调制原理分析逆变电路的输出相电压、线电压波形；设计驱动电路；选择控制模块和驱动模块。（spwm集成控制芯片或分立元件构成。驱动模块有：日本富士exb系列或三菱m579系列）l 画出完整的主电路原理图和控制电路原理图，并进行仿真研究和分析。3. 课程设计的目的通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：l 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。l 培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。l 培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。l 培养学生运用工具的能力和方法。l 提高学生课程设计报告撰写水平。第2章 整流电路的设计和参数计算及选择近年来，在交-直-交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大都采用不可控整流电路经电容滤波后，提供直流电源，供后级的逆变器、斩波器等使用。其中，目前常用的是单相桥式和三相桥式两种接法。由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路为二极管整流电路。本章讲述的是单相不可控整流电路。2.1 单相电容滤波的单相不可控整流电路 本电路常用于小功率单相交流输入场合。目前，应用于大多数微机、电视机等家电产品的开关电源中。2.1.1 基本工作原理图1-1 a)单相桥式整流电路 b)交流输入正半周单相桥式整流电路工作图 c)交流输入负半周单相桥式整流电路工作图 02二极管导通情况vd1和vd4导通、vd2和vd3截止vd2和vd3导通、vd1和vd4截止ud|u2|u2|uvduvd1,4=0， uvd2,3= -|u2|uvd3=0， uvd1,4= -|u2|ud表2-1 单相桥式不可控整流电路工作情况2.1.2 电容滤波的不可控整流电路1. 工作原理及波形分析图2-2b 为电路工作波形。假设该电路工作于稳态，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，所以分析中电阻r作为负载。负载电压波形ud图1-2 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及工作波形a） 电路a）电路该电路的基本工作情况是，在u2正半周过零点至=0期间，因u2ud,，故二极管均不导通，次阶段电容c向r放电，提供负载所需电流，同时ud下降。至=0之后，u2将要超过ud，使得vd1和vd4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载r供电。设vd1和vd4导通的时刻与u2过零点相距角，则 （2-1） 在vd1和vd4导通期间，以下方程成立： （2-2）式中，ud为vd1、vd4开始导通时刻直流侧电压值。将u2代入并求解得 （2-3）而负载电流为 （2-4）于是 （2-5）设vd1和vd4的导通角为，则=时，vd1和vd4关断。将代入式（2-5），得 （2-6）电容被充电到时，vd1和vd4关断。电容开始以时间常数rc按指数函数放电。当=，即放电经过角时，ud降至开始充电时的初值，另外一对二极管vd2和vd4导通，此后u2正半周的情况一样。由于二极管导通后u2开始向c充电时的ud与二极管管段后c放电结束时的ud相等，故下式成立： （2-6）注意到为第2象限角，由式（2-6） （2-7） （2-8）在已知时，即可由式（2-8）求出，进而由式（2-7）求出。显然和仅有乘积决定。2. 主要的数量关系（1）输出电压平均值 空载时，,放电是间常数为无穷大，输出电压最大，。整流电压平均值ud可根据前述有关计算公式推导得出，但推导繁琐。空载时，重载时，r很小，电容放电很快，几乎失去储能作用。随复合的增加，ud逐渐趋近于0.9u2，即趋近于负载时的特性。通常在设计时根据负载情况选择电容c值，使，t为交流电源的周期，此时输入电压为 （2-9）（2）电流平均值 输出电流平均值为 （2-10） 在稳态时，电容c在一个周期内吸收的能量和释放的能量相等，起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，又由得出 （2-11）在一个电源周期中，id有两个波头，、和、。反过来说，流过某个二极管的电流只有两个波头中的一个，故其平均值为 （2-12）（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侧电压的最大值，即。2.2整流模块的计算及选型1. 滤波电容的计算：整流电路的输出电压为 （2-13）后级电路的输出相电压为 （2-14）逆变电路输出侧负载为 （2-15）逆变输出电流 （2-16）输出有功功率 （2-17）设逆变过程中有功功率不变，则整流输出电流为 （2-18）整流输出侧阻抗值为 （2-19）又 （2-20） （2-21） 解得 由 （2-22）得 考虑到电网电压波动10%，则电容所承受的最高电压为 （2-23） 故电容耐压值为 (2-24)所以选择滤波电容型号为550vd2400mfd。2. 二极管的主要参数的计算：流过整流二极管的平均电流为 (2-25)电流有效值为： (2-26)整流二极管的最大反向电压为 (2-27)故选择整流二极管的参数为正向平均电流 反向重复峰值电压 所以选择整流二极管型号为德国ixys rectifier bridge桥 型号为vuo16-12n01 技术指标为20a/1200v(1600v)/6u第3章三相桥式spwm逆变电路3.1 三相电压型逆变电路n三相逆变电路由三个单相逆变电路组成。其中应用最广的为三相桥式逆变电路。采用igbt作为开关器件的三相电压桥式逆变电路如图3-1所示，可以看成由三个半桥逆变电路。图3-1 三相电压型桥式逆变电路三相桥式电压型逆变电路的基本工作方式为导电方式，即每个桥臂的导电角度为180，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各项开始导电的角度一次相差120。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，因此也称为纵向换流。 下面来分析三相桥式电压型逆变电路的工作波形。对于u相输出来说，当桥臂1导通时，当桥臂4导通时，。因此，的波形是幅值为的矩形波。v、w两项的情况和u相类似，、的波形形状和相同，只是相位相差120。、的波形如图3-2 a、b、c所示。负载线电压、可由下式求出 （3-1）图3-2d是依照上式画出的波形。 设负载中点n与直流电源假象中的之间的电压为，则负载各项的相电压分别为图3-2三相电压型桥式逆变电路的工作波形 （3-2）把上面各式相加并整理得 （3-3）设负载为三相对称负载，则有，故可得 （3-4）的波形如图3-2e所示，它也是矩形波，但其频率为频率的3倍，幅值为其，即为。图3-2f给出了利用式（3-1）和式（3-2）绘出的的波形，、的波形和形状和相同，仅相位依次相差120。负载参数已知时，可由的波形求出u的相电流的波形，负载的阻抗角不同，的波形形状和相位都有所不同。图3-2g给出的负载下时的波形。桥臂1和桥臂4之间的换流过程和半桥电路相似。上桥臂1中的v1从通态转换到断态时，因负载电感中的电流不能突变，下桥臂4中的vd4先导通续流，待负载电流降到零，桥臂4中的电流反向时，v4才开始导通。负载阻抗角越大，vd4导通的时间越长。即位桥臂1导电的区间，其中时为导通，时为v1导通；即为桥臂4导电的区间，其中时为vd4导通，时为v4导通。、的波形和形状相同，相位依次查120。把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得到直流侧电流的波形，如图3-2h所示。可以看出，每60脉动一次，而直流侧电压是基本无脉动的，因此逆变器从交流侧向直流侧传送功率是脉动的，且脉动的情况和脉动情况基本相同。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 （3-5）式中，为自然数。输出线电压有效值为 （3-6）基波幅值和基波有效值分别为 （3-7） （3-8）下面再来对负载相电压进行分析。把展开成傅里叶级数得 （3-9）式中，为自然数。负载相电压有效值为 （3-10）基波幅值和基波有效值分别为 （3-11） （3-12）3.2 三相桥式pwm逆变电路器件参数的计算及选择1. 额定电压输入电网电压经整流滤波后，考虑安全系数后，直流输出电压最大值为 (3-13)式中，为igbt承受的稳态电压最大值，为安全系数。关断时的峰值电压为 (3-14)式中，为igbt关断时的峰值电压，为安全系数，1.15为过压系数，150为引起的尖峰电压。故igbt的最大集射极电压实际取值按电压等级向上靠，取1200v。2. 额定电流流过igbt管上的平均电流为 (3-15)额定电流是igbt手册给出的再结温25条件下的额定值。 (3-16)式中，为igbt额定电流计算值；1.5为1分钟过载容量系数；1.4为减小系数。故额定电流根据管子电流等级按30或50a取。综上，所选日本富士生产的，型号为6mbi35s-120的igbt管，技术指标为35a/1200v/6u第4章 pwm逆变电路的控制方式逆变电路是pwm控制技术最为重要的应用场合，pwm逆变电路可以分为电压型和电流型两种。在三相桥式pwm逆变电路都是采用双极性控制方式。4.1 spwm调制原理图4-1 主电路图4-2 三相桥式pwm逆变电路波形如图4-1是三相桥式逆变电路，采用双极性调制法、u、w三相的pwm控制通常公用一个三角波载波,三相调制信号、和 依次相差120。u、v、w各相功率开关器件控制规律相同，现以u相为例。当时，给，给上桥臂v1导通信号，给下桥臂v4关断信号，则。当当时，给v4导通信号，给v1关断信号。v1和v4的驱动信号始终是互补的，当给v1(v4)加导通信号时，可能是v1(v4)导通，也可能是二极管vd1(vd4)续流导通，这要由阻感负载中电流方向来决定。电路波形如图3-2所示。、和的pwm波形只有两种电平。图中波形可由得出，当1和6通时，当3和4通时，当1和3或4和6通时，。输出线电压pwm波由和0三种电平构成，图中负载相电压可由下式求出图4-2 三相桥式pwm逆变电路波形 （4-1） 从波形图可知，负载相电压pwm波由、和0共5种电平组成。在电压型逆变电路的pwm控制中为了防止同一相上下梁桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取“先断后通”的方法。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。这个死区时间会给输出的pwm波形带来一定的影响，使其稍稍偏离正弦波。4.2 spwm控制电路分析及控制模块选择信号变换与控制比较器三角波发生器三角波发生器图4-3 spwm逆变电路控制电路1. 控制电路原理spwm逆变电路控制电路如图4-3所示，是由两片集成函数信号发生器icl8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波ur，两一片用以产生三角波uc，将此两路信号经比较电路调制后，产生一系列等幅不等宽的矩形波um，即spwm波。um经反向器后，生成两路相位相差180的pwm波，再经触发器cd4528延时后，得到两路相位相差180并带一定死区范围的两路spwm1和spwm2波。 2. icl8038芯片简介icl8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡和fsk调制器，其原理框图如图4-4所示。在本电路中共使用了两篇8038芯片，一片用于产生正弦调制波，另一片用于产生三角载波。图4-5 icl芯片管脚图图4-4 icl8038原理框图icl8038芯片管脚如图4-5所示，脚1、12（sinewaveadjust）：正弦波失真度调节；脚2（sinewaveout）：正弦波输出；脚3（triangleout）：三角波输出；脚4、5（dutycyclefrequency）：方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；脚6（v）：正电源10v18v；脚7（fmbias）：内部频率调节偏置电压输；脚8(fm sweep)：外部扫描频率电压输入；脚9（squarewaveout）：方波输出，为开路结构；脚10（timingcapacitor）：外接振荡电容；脚11（v orgnd）：负电原或地；脚13、14（nc）：空脚。3. 单稳态触发器4528简介图4-6 cd4528bc芯片引脚图和内部结构4. 过保护电路原理图4-7 过保护电路结构原理图通过检测igbt管的饱和压降来判断igbt是否过流，过流时igbt管ce结之间的饱和压降升到某一定值，使8脚输出低电平，在光耦tlp521的输入端oci呈现高电平，经过流保护，使4013的输出q端呈现低电平，送控制电路，起到了封锁保护作用4.3 spwm驱动电路分析及驱动模块选择1 驱动电路原理由于三相桥式电压型逆变电路中采用的ijbt管，它在使用的时候需要驱动电路，才能使igbt管子正常地开通和关断。igbt的驱动电路必须具备2个功能：一是实现控制电路与被驱动igbt栅极的电隔离； 二是提供合适的栅极驱动脉冲。实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。 根据设计要求，采用芯片m57962l及其附件组成的驱动电路，其电路图如图9.1所示：图4-7 spwm驱动电路原理图1. m57962l芯片简介采用igbt管专用驱动芯片m57962l，其输入端接控制电路产生的spwm信号，其输出可以用以直接启动igbt管。该电路采用快恢复型的光耦实现电气隔离，具有过流保护功能。锁存和检测电路共有14个引脚，其中2、3、4、7、9、10、11、12为空脚。1脚为vr1，4脚为vcc，5脚为vout，6脚为vee，13脚为vi，14脚为spwm输入。图4-8 m57962l芯片原理图光耦合器连接电路定时复位电路门关断电路故障输出检测输入表4-1 m57962l芯片引脚排列 第5章 三相变频电源matlab仿真研究和分析5.1 整流电路的matlab仿真设计将后级的逆变电路等效为整流电路的负载，通过仿真技术对整流模块的各个器件的电流、电压进行分析。1. 主电路图5-1 整流模块仿真主电路2. 波形测量和分析uvd1 /v图5-3 流过二极管的电流波形t/sivd1 /a图5-2 二极管d1两端电压波形t/s图5-5 流过滤波电容的电流波形uc/vt/s图5-4 滤波电容端电压波形t/suc/v 通过图5-4可以看出，经过滤波电容的滤波作用，整流电路直流侧的输出电压近似为直流电压。通过图5-3和图5-5对比可知，流过电容的波形和流过二极管的波形形状相似，频率相差两倍。irl/at/s图5-6 流过负载的电流波形负载两端的电压和滤波电容两端的电容相同，当电路带电阻负载，那么负载两端的电流波形和电压波形一致；当电路带阻感负载，由于电感的整流作用，负载两端的电流波形纹波减少，更接近于直流。5.2 逆变电路的matlab仿真设计将整流电路直流侧的输出电压的平均值作为逆变电路的输入电压，输出侧接阻感负载（ ），通过仿真技术对逆变模块的各个器件经行分析。1 主电路图5-7 逆变模块仿真主电路（a） 不带lc滤波器的逆变电路 （b） 带lc滤波器的逆变电路图5-7 逆变模块的仿真电路t/s图5-8 (1) 逆变桥vt1两端的相电压波形（2）逆变桥输出侧线电压波形 （3）流过igbt的电流波形t/siag rl/aivt1/auabvt1/vuswvt1/vt/siabvt1/a图5-8 流过负载的电流波形t/s经过仿真实验，我们得到了的逆变桥输出侧电压近为可以等效为正弦波的一系列矩形波，实际中我们更希望得到更完美飞矩形波，因此，可以在逆变桥输出侧增加一个lcl滤波器使输出的电压电流波形更接近于正弦波，如图5-7所示。下面是加入lc滤波器后