电力电子技术报告

1、目录1 概述12设计任务23方案认证与比较33.1升压电路方案比较33.2 逆变电路的选择33.3 滤波电路的选择33.4 PWM控制电路的选择33.5电路总体设计方案44 电路具体设计64.1升压斩波电路设计64.2三相桥式PWM逆变电路仿真建模75电路主要部分计算105.1升压斩波电路部分计算105.2三相桥式PWM逆变电路计算106 结束语12参考文献133KVA三相逆变电源设计1 概述电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT 等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW 甚至GW，也可以小到数W

2、 甚至1W 以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同，电力电子技术主要用于电力变换。电力电子技术的应用范围十分广泛，它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。本次设计采采用了具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点的IGBT。逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能、风力发电中的一个重要部件。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过直流电动机交流发电机的旋转方式，发展到晶闸管逆变技术，而今的逆变技术多采用了MOSFET、IGBT、GT

3、O、IGCT、MCT 等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器（DSP）控制。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了逆变电源。毋庸置疑，随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。2设计任

4、务本次设计要求以初始条件为输入直流电压110V,送入之后要求完成的设计为实现一个逆变器的设计，目前电力电子技术是一门可广泛应用的技术，通过电力电子技术的设计完成对电能的控制和变换。本设计主要完成的设计任务是将初始送入的110V直流电压经过一系列的电路设计未完成一个容量为3KVA的逆变器的设计。此处设计到逆变器的容量的大小的要求，逆变电能转换又涉及到有功功率和无功功率，此处要求视在功率达到要求，也正可以确定计算设计达到要求其输出电压与电流有效值的乘积即为要达到的功率要求。然后为输出要求逆变要达到升压和直交变换两点最终得到的结果为输出为380V的三相交流电，其频率要求为50Hz。通过本次设计要达到

5、对电力电子技术技术的进一步了解，并且可以熟练应用，进行设计，同时有需要熟练应用绘图软件。3方案认证与比较此设计要求为直流输入110V转换为380V，频率50Hz的三相交流电的设计，要求容量达到3KVA，并计算电路中的各元件的参数。由直流输入经过升压，并转换为三相交流电。整个过程可主要由两部分组成，变压电路和逆变电路组成。3.1升压电路方案比较方案一：直接利用变压器进行升压，然后利用整流电路、滤波电路以及逆变电路，实现设计要求。 优点：设计思路简单，电路结构简单。 缺点：变压器的应用利于升压部分进行灵活控制。方案二：通过升压斩波电路完成电路的升压部分，之后再进行滤波、逆变以完成设计要求。 优点：

6、通过计算可以通过对晶闸管的通断的控制，电压控制灵活。 缺点：元器件相对较多，电路结果相对复杂。方案选择：为了实现参数的基本精确计算，以及方便控制选择第二种方案。3.2 逆变电路的选择逆变电路采用三相桥式PWM 逆变电路，根据直流侧电源性质不同，逆变电路可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路，这里的逆变电路属电压型。采用等腰三角波作为载波，用SPWM 进行双极性控制。3.3 滤波电路的选择该电路的输出含有谐波，需要专门的滤波电路进行滤波。滤波电路采用RC 滤波电路。经过逆变电路和滤波电路就可以在三相电压输出侧得到题目要求的380V、50Hz 三相交流电，不过容易受负载影响输出电压的值。3.4 PW

7、M控制电路的选择SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法是采样控制理论中的一个重要结论: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.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.该方法的实现有以下几种方案.方案一：等面积法用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机

8、中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的。优点：此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波。缺点：其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制。方案二：硬件调制法把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形。优点：现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波。缺点：这种模拟电路结构

9、复杂,难以实现精确的控制。方案三：规则采样法用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的。优点：是计算简单,便于在线实时运算。缺点：是直流电压利用率较低,线性控制范围较小。方案选择：经过综上阐述和比较选着方案二。3.5电路总体设计方案综上，整体设计方案为直流斩波电路采用pwm斩波控制的升压斩波电路，输出的直流电流送往逆变电路。你变电路采用三相桥式PWM逆变电路，采用SPWM作为调制信号，输出pwm波形，再

10、经过滤波电路得到380V、50Hz三相交流电，在电压输出侧进行电压采样进而与理想输出值进行比较转换之后产生需要的PWM波，控制输出的稳定与准确。 PWM升压斩波电路SPWM调制信号滤波电路三相逆变电路pwm控制信号三相逆变器的总体框图如下图所示：图3-1 系统总体框图4 电路具体设计根据系统总体设计电路设计可分为升压斩波电路，三相逆变电路（含滤波电路）和闭环反馈电路，下面为各部分电路的设计。4.1升压斩波电路设计升压斩波电路可以选用基本的升压斩波电路，升压斩波电路原理图如图2 所示。该电路的基本工作原理是：假设L 和C 值很大，当V 处于通态时，电源E 向电感L 充电，充电电流基本恒定为I1，

11、同时电容C 上的电压向负载R 供电，因为C 值很大，基本保持输出电压Uo 恒定。当V 处于断态时，电源E 和电感L 同时向电容C 充电，并向负载提供能量。输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L 储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C 可将输出电压保持住。电路输出的电压还要经逆变后滤波，故对波形的要求不是很高，与负载并联的电容C 取很大，可以达到滤波的目的，因此不需另外添加滤波电路。PWM控制波 图4-1 直流升压斩波电路原理4.2三相桥式PWM逆变电路仿真建模逆变电路可参考三相桥式PWM 型逆变电路，其电路图如图4 所示。该电路采用双极性控制方式。U、V 和W 三相的PWM 控制通常公

12、用一个三角载波c u ，三相的调制信号rU u 、rV u 和rW u 依次相差120。U、V 和W 各相功率开关器件的控制规律相同，现以U 相为例来说明。当rU u c u 时，给上桥臂1V 以导通信号，给下桥臂4 V 以关断信号，则U 相相对于直流电源假想中点N 的输出电压 / 2 UN d u =U 。当rU u c u 时，给4 V 以导通信号，给1V以关断信号，则 / 2 UN d u = U 。1V 和4 V 的驱动信号始终是互补的。当给1V（ 4 V ）加导通信号时，可能是1V （ 4 V ）导通，也可能是二极管D1 V （ D 4 V ）续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决

13、定。V 相和W 相的控制方式都和U 相相同。电路的波形如图4-3所示。图4-2 三相桥式PWM 型逆变电路采用双极性方式时，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，如下图4-2 所示。图4-3双极性PWM控制方式波形图4-4 三相桥式PWM逆变电路波形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

14、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。波形见图3-4。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。由于三相桥式PWM 型逆变电路输出的波形需经过滤波电路才能得到要求的380V 交流电，所以在输出端接入了RC 滤波电路。由于需要滤除的高次谐波的频率都大于50Hz，借用公式fh = 1/ 2 RC 即可得到电阻和电容的取值关系，经过计算和比较尝试在这里取R=50，C=31.8uf 可以满足滤波要求。图4-5 滤波电路连接图5电路主要部分计算按设计要求为输入为110V直流点输入，输出为3

15、80V、50HZ输出在这里主要分为升压斩波部分的计算以及三相逆变部分的计算，确定晶闸管的导通角度，以下为主要计算步骤。5.1升压斩波电路部分计算设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EI1ton。当V处于断态时E和L共同像电容C充电并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为TOFF，则在此期间电感释放的能量为（U0-E）I1TOFF。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即化简得根据电路结构并结合上式得出输出电流的平均值以上为斩波部分的主要公式。5.2三相桥式PWM逆变电路计算负载线电压UUV、UVW、UWU可由下式求出设负载中点N与直流电源假想中点N

16、之间的电压为UNN，则负载各相的相电压分别为把上面各式相加并整理可求得其频率为UUN的频率的3倍。所要制作的逆变电源要为50Hz，可将斩波电路的T设为3/50s,即可达成所要的50hz逆变电源。下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量的分析，把输出线电压Uuv展开成傅里叶级数得式中，n=6k+1，k为自然数。输出线电压有效值Uuv为基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分别为由输出电压有效值为380V即uuv=380V反向进行推导电压公式值Ud=465.686V即要求斩波电路的升压输出为Ud=465.686V=E综合直流升压斩波电路电压求值公式可得出T/toff=4.23=0.236+=1=0

17、.764ton=0.04584s由上计算可知斩波电路部分的导通时间是0.045s,脉冲信号的周期为0.06s。6 结束语经过一个星期的课程设计，的确收获了很多，感觉自己对于电力电子技术这门课程有了更加深刻的认识。因为把平时所学的知识应用于实践真的会遇到很多问题，当然也会发现有很多乐趣在其中。可以说整个设计中最麻烦的就是把一些在课本中学到的知识在设计过程得到正确的结果。这个过程是十分繁琐的，也是很锻炼人的。通过本次课程设计，我学会了使用protel99se绘图软件，并复习且更加熟悉基本操作方法，也对直流斩波电路、逆变电源的原理和闭环控制的思想都有了进一步的理解。以后自己一定要多多注重培养自己的实践能力，对于一些常用的软件也要更加努力的学习，以求熟练掌握使用。通过这次的课程设计，使我认识到要将电力电子技术这门专业课学好不仅仅是要把书上的基本知识学好而且还要不断进行实践，将所学的跟实践操作结合起来才能更好地巩固所学，才能提高自己的实践能力。而且在实践过程中通过查找资料、分析资料以及请教老师和同学，使一些不清楚的问题得以解决，这一点也是非常重要的。当然最关键