无源三相PWM逆变器控制电路设计

1、.无源三相PWM 逆变器控制电路设计一、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：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 注意事项逆变器三相C d1交M流电C d2源三相正比驱弦波死区较动生成电电三角波电路路路发生器动驱MWP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：三相 380V， f=50Hz交直变换采用二极管整流桥电

2、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，输出负载为三相异步电动机， P=5kW 等效为星形 RL 电路， R=10，L=15mH2. 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一三设计内容：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

3、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;,.根据要求，整流电路采用二极管整流桥电容滤波电路，其电路图如图 2.1 所示：i aVD 1VD3VD 5TiaidOtai CiRud+bCRi ab)cOtVD 4VD 6VD2a)c)图 2.1 考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形a）电路原理图b）轻载时的交流侧电流波形c）重载时的交流侧电流波形1. 其工作原理如下所示：该电路中，当某一对二级管导通时，输入直流电压等于交流侧线电压中最大的一个， 该线电压既向电容供电， 也向负载供电。当没有二级管导通时，由电容向

4、负载放电，ud 按指数规律下降。设二极管在局限电路电压过零点 角处开始导通，并以二极管 VD 6 和 VD 1 开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为 uab= 6 U2sin（t+ ）;,.而相电压为ua=2 U2sin(t+ )6在t=0 时，二极管 VD 6 和 VD 1 开始同时导通，直流侧电压等于 uab；下一次同时导通的一对管子是VD 1 和 VD 2，直流侧电压等于uab。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在VD 1 和 VD 2 同时导通之前VD 6 和 VD 1 是关断的，交流侧向直流侧的充电电源 id 是断续的；另一种是 VD 1 一直导通，交替时由 VD 6 导

5、通换相至 VD 2 导通，id 是连续的。介于二者之间的情况是， VD 1 和 VD 6 同时导通的阶段与 VD 1 和 VD 2 同时导通的阶段在 t+ = 2 出恰好连接起来， id 恰好连续。由 “电压下降速度相等 ”3的原则，可以确定临界条件。假设在wt+d =2p/3 的时刻 “速度相等 ”恰好发生，则有E m sin 2 e12t -( - )dE msin(dRC3t +)3d(t)t + = 2d(t)3可得 wRC=2t +=33这就是临界条件。3 wRC>和3 wRC<分别使电流id断续和连续的条件。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

6、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R=wC。考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况：电流波形的前沿平缓了许多， 有利于电路的正常工作。随着负载的加重， 电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。2 由电容滤波电路的原理分析可知，该电路的特点如下所示：（1）二极管的导电角 < ，流过二极管的瞬时电流很大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 = 1.11I L，而有电容滤波时（2）负载平均电压VL 升高，纹波（

7、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 I L;,.的变化关系称为输出特性或外特性，如图1 所示。C 值一定，当，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 (3 5) 的关系时，电容滤波电路的负载电压 VLV2 的关系约为VL=(1.1 1.2)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。2.3

8、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IF>ID 。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， D 1、D 3 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VBR > VRM 。根据要求，逆变电路采用三相桥

9、式电压型逆变电路，其电路图如图 3.1 所示：图 3.11.1 其工作原理如下：（1） 该电路是采用双极性控制方式。 U,V,W 三相的 PWM 控制通常公用一个三角载波 uc,三相的调制信号 urU ,uRv 和 urW 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 urU 大于 uc 时，给上桥臂 V 1 导通信号，给下;,.桥臂 V 4 以关断信号，则U 相相对于直流电源假象中点N 的输出电压 uUn =Ud/2。当 urU 小于 uc 时，给 V4 一导通信号，给V 1 上桥臂关断信号时，则 uUN =U d 2 。V1 和

10、V4 的驱动信号始终是互补的。当给 V 1（V 4）以导通信号，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。这是因为阻感负载中电流的方向来决定的。 V 相及 W 相的控制方式都相同。电路波形如图所示。可以得出，的PWM 波形都只有两种电平，当臂 1 臂 6 导通时 uUV =Ud，当臂 3 和臂 4 导通时 uUV =Ud，当臂 1 和臂 3 或臂 4 和臂 6 导通时 uUV =0。因此，逆变器的输出线电压 PWM 波由 Ud 和 0 三种电平构成。而且负载相电压 PWM 波由 ( ±2/3)Ud、( ±1/3)Ud 和 0 共 5 种电平组成

11、 ，其波形图如图 3.2 所示。图 3.2（ 2） U 相的控制规律当 urU>uc 时，给 V1 导通信号，给 V4 关断信号， uUN=Ud/2;,.当 urU<uc 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2 IGBT 的选择参数的选择一条原则是适当留有余地，这样才能确保长期、可靠、安全地运行。工作电压50% -60% ，结温 70 -80%在这条件下器件是最安全的。制约因素如下：（1 ） 在关断或过载条件下， IC 要处于安全工作区， 即小于 2 倍的额定电流值；

12、 IGBT 峰值电流是根据200% 的过载和120% 的电流脉动率下来制定的；结温一定<150以下，指在任何情况下，包括过载时。（2 ） 开通电压 15V±10%的正栅极电压，可产生完全饱和，而且开关损耗最小，当 <12V 时通态损耗加大， >20V 时难以实现过流及短路保护。（3） 关断偏压 -5 到-15V 目的是出现噪声仍可有效关断，并可减小关断损耗最佳值约为 -10V。（4） IGBT 不适用线性工作，只有极快开关工作时栅极才可加较低 311V 电压（5） 饱和压降直接关系到通态损耗及结温大小，希望越小越好，但价格就要大。所以根据 IJBT 的制约因素，主电

13、路的电流电压值及设计要求，采用的 IJBT 管是 GTl53101 。;,.第四章 PWM逆变电路的工作原理PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变逆变输出频率。1PWM控制的基本原理PWM控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）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

14、：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

15、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。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± U

16、d 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。第五章三相正弦交流电源发生器本设计需要三相正弦交流电源发生器，根据设计要求，确定其电路图如图5.1 所示，在图 5.1 中，用双联电位器同时改变R7和 R12，就可以改变正弦参考信号的频率，从而实现了变频功能。在本设计中，我用一个三相变频正弦参考信号发生电路代替了生成 SPWM信号的专用芯片。它是控制电路的核心部分，采用的是一个特殊结构的 RC移相正弦波发生器。其中，正弦波振荡的频率由下式确定：f=32 R7C1=32 R12C 3所以

17、由32 R7C1=20，可以确定参数为： R7=1K, C1=5Uf.同时通过对其他参数的调整确定正旋波的幅值为1v。所以三相正弦参考信号分别表示为： UA = sin(125.6 t)UB = sin(125.6 t- 120。 ) UC = sin(125.6 t -240。 )第九章驱动电路;,.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

18、，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：+5V TLP521-14110k25V MUR4100EOCIC1OVCUG13VIVR1+C12512VC1+24V-1V1nVoutVin001n530V1k/+9VVccF+uSPWM1VinM57962L0C118VGND01E1C1MC7809T1n1n GND1Vee图 9.1;,.课程设计的心得通过这次课程设计，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。我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多

19、，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能， 而且考试内容有限， 所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时， 有时问题老是弄不懂， 做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些器件的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。经过一个星期的实习， 过程曲折可谓一语难尽。 在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后

20、的复杂心情， 点点滴滴无不令我回味无长。 生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑， 相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时， 心中也不免产生兴奋； 正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢？