电力电子课程设计--无源三相逆变技术的工程应用.doc

目录第1章 设计任务书-21.1 设计目的-21.2 设计要求-21.3 设计内容-2第2章 设计方案-22.1 整流逆变电路方案-32.2 驱动电路设计方案-102.3 总设计方案-12第3章 仿真电路设计-123.1 整流仿真电路设计-123.2 逆变仿真电路设计-163.3 变频电路的仿真设计-19第4章 仿真结果-194.1 整流电路仿真结果-194.2 逆变电路仿真结果-194.3 变频电路仿真结果-21第5章 附录-235.1 三角波发生器-235.2 变频电路仿真图-255.2 TABLE-25第6章 总结-26第7章 参考文献-28第一章 设计任务书1.1 设计目的电力电子课程设计是电气自动化专业学生在整个学习过程中一项综合性实践环节，是走向工作岗位、从事专业技术之前的一项综合性技能训练，通过电力电子计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。1.2 设计要求1. 自立题目 题目：无源三相逆变技术的工程应用2. 注意事项：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。3. 主要技术数据：输入交流电源：三相380V， 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=15mH1.3 设计内容 1 整流电路的设计和参数选择2 滤波电容参数选择3 三相逆变主电路的设计和参数选择4 IGBT电流、电压额定的选择5 三相SPWM驱动电路的设计6 画出完整的主电路原理图和控制电路原理图7 电路仿真分析和仿真结果第2章 设计方案2.1 整流逆变电路方案2.1.1 整流电路方案的确定1、 三相桥式整流电路目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式整流电路，其原理图如图2-1-1所示。图2-1-1 三相全桥整流电路假设将电路中的晶闸管换做二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角时的情况。此时，对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通。而对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最小的一个导通。这样，任意时刻共阳极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。根据以上分析，可以得到电路的工作波形如图2-1-2所示。时，个晶闸管均在自然换相点换相。由图中可以看出，各自然换相点及时相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析赌博形式，即可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，以变压器二次侧的重点n为参考点，整流输出电压为相电压在正半周的包络线； 图2-1-2三相桥式整流电路时的波形共阳极组导通时，整流输出电压为相电压在负半周的包络线，总的正路输出电压，是两条包络线之间的差值，将其对应到电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是最大的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小的相电压，输出整流电压为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压波形为线电压在正半周期的包络线。为了说明个晶闸管的工作情况，将波形中的一个周期分为六段，每段为，如图1-3所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表1-1所示。由该表可见，晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb表2-1-1 三相桥式全控整流电路电阻负载时晶闸管工作情况从触发角时的情况可以总结出三相桥式整流电路的一些特点如下：（1） 每个时刻均需两管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个是共阳极组一个是共阴极组，且不能为同一相的。（2） 整流输出电压一周期脉动六次，每次脉动的波形都一样，故该电路为六脉波整流电路。（3） 当触发角改变时，电路的工作情况将发生变化。触发角增大，将导致输出电压的平均值降低，波形也将发生变化。将上图中的晶闸管都替换为二极管即为三相桥式不可控整流电路，其整流输出电压波形与触发角为零时的全控整流电路的波形相同，它输出的整流电压平均值不变。考虑到全控整流电路对触发脉冲的要求以及逆变电路对控制电路的要求，整流电路不可控整流电路，这样降低对器件的要求，用二极管替换晶闸管也比较经济，也达到了整流的目的。2、 电容滤波的三相不可控电路在交直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大都采用整流电路经电容滤波后提供的直流电源，供后级的逆变器、斩波器等使用。前面介绍的三相整流桥中只要将其中的晶闸管换为整流二极管，就是不可控整流电路。在电容滤波的三相不可控整流电路中，最常用的是三相桥式结构，图2-1-3给出了其电路图及理想的波形。 1.基本原理该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通是时，由电容向负载放电，按指数规律下降。a)b)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt图2-1-3 电容滤波的三相不可控整流电路及其波形 a）电路 b）波形设二极管在距线电压过零点 角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为 （2-1）而相电压为 (2-2) 由“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在 的时刻“速度相等”恰好发生，则有 (2-3)可得 (2-4) a)b)wtwtwtwtidiaidOOOOia这就是临界条件。图2-1-4给出了等于和小于时的电流波形。对一个确定的装置来讲，通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重。因此可以说，在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是。a)b)wtwtwtwtidiaidOOOOia图2-1-4 电容滤波的三相桥式整流电路当等于和小于时的电流波形a) b）2. 主要数量关系（1） 输出电压平均值 在之间变化（2） 电流平均值 输出电流平均值为 (2-5) 与单相电路情况一样，电容电流平均值为零，因此 二极管电流平均值为的，即 (2-6)（3） 二极管承受的电压 二极管承受的最大反向电压的峰值为。2.1.2 逆变电路设计方案的确定在三相逆变电路中，应用最广的还是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为开关器件的三相电压型逆变电路如图2-1-5所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。图2-1-5 三相桥式电压型逆变电路从电路结构上看，如果把三相负载看成三相整流变压器的三个绕组，那么三相桥式逆变电路犹如三相桥式可控整流电路与三相二极管整流电路的反并联，其中可控电路用来实现直流到交流的逆变，不可控电路为感性负载电流提供续流回路，完成无功能量的续流和反馈，因此D1D6称为续流二极管或反馈二极管。 在三相桥式逆变电路中，各管的导通次序同整流电路一样，也是T1、T2、T3T6、T1各管的触发信号依次互差60。根据各管的导通时间可以分为180 导通型和120导通型两种工作方式，在180导通型的逆变电路中，任意瞬间都有三只管子导通，各管导通时间为180，同一桥臂中上下两只管子轮流导通，称为互补管。在120导通型逆变电路中，各管导通120，任意瞬间只有不同相的两只管子导通，同一桥臂中的两只管子不是瞬时互补导通，而是有60的间隙时间，当某相中没有逆变管导通时，其感性电流经该相中的二极管流通。 在180导通型的三相逆变器中，每隔60的各阶段其等效电路及相应相电压、线电压数值如图2-16所示。 根据图2-1-6中各阶段的相电压数值，可以得出任何一相的相电压波形为六阶梯波，各相互差120，如图2-1-7（a）所示。而线电压可由相电压相减得出，其波形如图2-1-7（b）所示，为脉宽120的矩形波。图2-1-6 （a） 相电压波形 （b）线电压波形图2-1-7初相角为零的六阶梯波，其基波可用付氏级数求得，如A相相电压可表示为： （2-7）其余两相各差120。相电压中无余弦项、偶数项和三的倍数次谐波，电压中最低为五次谐波，含量为基波的20。 对于基波无初相角的矩形波线电压，其一般表达式为： （2-8）根据图78可以算出六阶梯波的相电压和方波线电压的有效值分别为： （2-9） （2-10）实际的电压波形与上面分析的结果略有误差，这是由于在分析中忽略了换流过程，也未扣除逆变电路中的电压降落的缘故。在上述导电方式中，为了防止同一相上下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，待其关断后留有一定的时间裕量，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区时间。死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间可以越短。2.2 驱动电路的设计方案驱动电路采用PWM控制技术。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宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。1PWM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。 图2-2-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲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。2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。 图2-2-2 PWM控制方式波形和单极性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。2.3 总设计方案根据整流电路和逆变电路原理，用整流输出的电压为逆变供电，同时逆变采用PWM双极型控制，就可以得到交-直-交三相变频电路。电路原理图总的设计电路原理图如下：图2-3-1 变频器总设计电路图根据以上电路原理图，采用仿真软件得到电路图和输出波形图 第三章 仿真电路设计3.1 整流仿真电路设计1.整流仿真电路图整流电路采用三相桥式电容滤波整流电路，电路图如图3-1-1所示，图中是星形接法的三相正弦交流电源，相电压为220V，线电压为380V，整流二级管VD1-VD6组成三相桥式整流电路，R1为负载电容，C1为滤波电容。对电路进行瞬态分析，可得三相电源电压波形如图3-1-2，输出波形如图3-1-3。.三相电源的相位依次相差。输出电压，理论计算值为： （3-1）考虑到二极管的管压降，该理论值与仿真结果相符。图3-1-1 整流仿真电路图图3-1-2 三相电源电压波形图3-1-3 三相电容滤波整流电阻负载输出波形2. 器件的选择1. 额定电压的计算 二极管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值，即（3-2)考虑一定的裕量，则二极管应该选择额定电压为1037V的。2. 额定电流的计算 流过二极管中的电流平均值，则二极管电流的有效值为，因此，二极管的额定电流应该为，那么由此可得，由此可算得，所以二极管选择额定电流为0.46A的。3. 电容的计算 电容的作用是减少电压波形的脉动，电容的大小直接影响输出波形的平滑性，负载电阻对波形也有影响，应使负载足够大。因为整流电路后带的是逆变负载，因此对于输出电压的要求比较高，要求输出电压尽量接近直流电压即为一条直线。所以电容的容量应该越大越好，但考虑到经济性及实际情况，电容选择1100uF，电阻用1000。.3.2 逆变电路的仿真设计1.逆变电路仿真电路图三相逆变电路采用PWM控制技术，其电路图如图3-2-1所示，图中压控开关S1-S6作为主电路的开关元件，HB1-HB3为三个PWM控制电路，以三个子电路的形式出现，子电路的电路图见图3-2-2。.主电路中，S1、S2是一对开关，由控制电路HB1控制，当S1开通时，S2关断；当S1关断时，S2开通。同样，S3、S4是一对开关，由子电路HB2控制，S5、S6由HB3控制。压控开关S1-S6都工作于PWM方式，即开通时间按正弦规律变化，从而使其输出的脉冲宽度按正弦方式变化，经滤波后可以形成比较理想的三相正弦交流电。图3-2-1 PWM控制三相逆变电路1. PWM控制子电路的电路图图3-2-2 控制子电路PWM控制子电路的电路图如图3-2-2，在PWM控制子电路HB1中，V1为输入参考电压，是频率为1kHz、幅度为的三角波，如图3-2-4所示。V2为输入控制电压，是，50Hz的正弦电压源，其波形如图3-2-3所示。图3-2-2中的TABLE是具有某种特性的电路模型（analog behavioral model),在PSPICE元件库ABM.slb中。在其输入输出特性参数中设定（0，0)、（0.005,1）、（1,1）、（-0.005，-1）、（-1，-1），括号中数字表示输入、输出电压间的对应关系，经过这样的设定后，在TABLE的输入端输入v1、v2叠加后的信号（叠加后的信号如图3-3-5），即可在输出端得到一系列脉冲，脉冲的宽度按正弦规律变化，实现了正弦脉宽调制（SPWM）。这些SPWM脉冲经压控电压源E1、E2后成为相位相反的两列SPWM脉冲，分别去控制S1、S2，压控电压源E1、E2的增益分别为+1、-1.子电路通过输出端子p1、p2与主电路连接。图3-2-3 输入控制电压正弦电压源子电路HB2、HB3的电路与HB1的相同，但控制电压v1的相位分别比HB1子电路中的v1之后，如此方能保证主电路中的开关S1-S5按一定的顺序及相位动作，在负载RLa-RLc上形成三相交流电压。图3-2-4 输入参考电压三角波图3-2-5 三角波和正弦信号叠加3.3整流逆变电路的仿真设计整流逆变电路的仿真电路图将整流电路逆变电路和驱动电路整合在一起，由整流电路的输出电压为逆变电路供电，用PWM控制技术控制逆变电路，就得到了交-直-交变频电路，其电路图如图5-2-1所示。第四章 仿真结果4.1 整流电路仿真结果整流电路的仿真图如图4-1-1：图4-1-1 整流电路的仿真结果仿真结果分析：三相桥式电容滤波整流电路的输出电压波形应该是三相电源线电压的包络线，电容的作用是减少电压脉动，是电压波形更加平滑，所以最后仿真的输出电压波形就接近于一条直线。对于滤波电容，理论值为118.8uF，但是在实际仿真中，为了使输出电压符合要求，选用了容量为1100uF的电容，最后使得输出波形如上图接近于一条直线。4.2 逆变电路的仿真结果1. 驱动电路的输出波形如图4-2-1图4-2-1 PWM调制的正弦波形仿真结果分析：根据上文中对PWM调制原理的分析可知，PWM波形是由三角波和正弦波调制后形成的，由图上可以看出，最后的结果是一系列的脉冲，该脉冲的宽度按照正弦规律变化，这样得到的波形为较理想的正弦波。2. 逆变电路仿真结果逆变电路负载相电压的波形如图4-2-2所示图4-2-2 负载相电压波形仿真结果分析:上图为在负载R1和L1上的相电压，在其他两相负载上的电压依次相差，各相电脑呀都是由正弦调制的PWM脉冲组成的，它们经简单的滤波后应为正弦波，为证明这一点，可在各相负载电阻上并联3mF的电容，再做瞬态分析就得到比较平滑的正弦交流电压波形。脉冲宽度地方对应较大的电压幅值，脉冲变窄是，对应的电压幅值亦变小。图4-2-3 负载线电压波形4.3 整流逆变电路的仿真结果整流逆变电路与逆变电路的不同是，逆变电路由直图4-2-4 负载三相线电流流电源供电，而整流逆变电路有整流输出的电压供电，其波形相类似，如图4-3-1a) 负载相电压b) 负载线电流c) 负载三相线电流图4-3-1 整流逆变的仿真结果仿真结果分析：整流逆变和逆变电路的仿真结果相似，由上图可知，仿真结果符合了课程设计的要求达到了将220V、50Hz的交流电变为55Hz的交流电，实现了交-直-交变换，而整流逆变电路也即是交-直-交变频器。第5章 附录5.1三角波发生器此次逆变电路采用SPWM技术控制，SPWM中的脉冲是由三角波和正弦波调制而成，以下是三角波产生的原理。三角波产生的电路图如图5-1-1所示。图5-1-1 三角波发生器电路原理图其工作原理如下：U01左边为同相滞回比较器 ，右边为积分运 算放大电路。对于有多个集成运放组成的应用电路，一般应首先分析每个集成运放所组成电路输出与输入的函数关系，然后分析各电路间的相互联系，在此基础上得出电路的功能。图中滞回比较器的输出电压U01=，它的输入电压时积分电路的输出电压，根据叠加原理，集成运放A1同相输出端的电位 （5-1） 令，则阈值电压 = （5-2）积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压，所以输出电压的表达式为 （5-3）式中为处态时的输出电压。设初态时正好由跃变为，则上式应写成 （5-4）积分电路反向积分，随时间的增长线性下降，根据滞回比较器的电压传输特性，一旦，再稍减小，式（5-3）将变成为 （5-5） 积分电路正向积分，随时间的增长线性增大，根据滞回比较器的电压传输特性，一旦，再稍增大，将从跃变为，回到初态积分电路又开始反向积分。电路重复，产生振荡。由上式可以得出是三角波，幅值为。5.2.变频仿真电路图5.3.TABLETABLE是TABLE是具有某种特性的电路模型（analog behavioral model)， analog behavioral model：模拟行为模型A system-level analog behavioral model of MEMS gyroscope was.根据MEMS陀螺的动力学方程及其内部组成,将MEMS陀螺分成驱动电路、传感器、信号调理电路等三部分,建立了MEMS陀螺系统级模拟行为模型,运用相关检测技术对角速度信号进行了提取,并对模型进行了仿真验证。图5-2-1 变频仿真电路图第6章 总结一直以来我们都比较重视理论的学习，而忽略了自己动手的实践。这次课程设计给了我们一个自己动手用实践验证巩固所学理论知识的机会。课程设计是培养我们综合应用所学理论知识，发现、分析、提出和解决实际问题能力，锻炼实践能力的重要环节，是对我们的实际工作能力的具体训练和考察过程。通过本次电力电子变频课程设计，使我对各种整流电路、逆变电路、电力电子器件、驱动电路的知识有了更加深刻的了解。经过这次课程设计，书上所学的知识得到了巩固，同时更关键的是，锻炼了我的动手实践能力，分析问题和解决问题的能力。在课程设计的过程中，我们根据所给题目的要求自己系统地分析解决问题