电力电子技术课程设计――三相整流电路三相逆变电路及PWM控制逆变电路设计

1、目录引言 03第一章 电力电子器件的了解 05第一节二极管05第二节 IGBT 06第二章三相整流电路的设计07第一节常用整流电路07第二节电容滤波整流电路07第三章三相逆变电路的设计11第一节 逆变电路的最基本工作原理11第二节三相电压型逆变电路12第四章PWM控制的逆变电路的设计16第一节PWM控制的基本原理16第二节PWM控制的逆变电路 18第五章驱动电路21第六章器件参数的选择22第七章MATLAB的仿真及波形分析 24心得体会33附录34三相交直交变频电路图34参考文献3510 / 341 / 34引言课程设计的要求1题目：三相变频电源的设计 注意事项： 学生也可以选择规定题目方向外

2、的其它电力电子装置设 计，如开关电源、镇流器、UPS电源等， 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。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：一组：三相 380V, f=50Hz；另一组：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 输岀交流：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=10Q, L=15mH设计内容：1）、整流电路的设计和参数计算及选择（整

3、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）2）、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）3）、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）4）、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2. 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

4、和创造性的思维方式以及创造能力要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有 哪些特点。主电路具体电路元器件的选择应有计算和说明。 课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读 及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设 计岀所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题, 并给岀这些问题的解决方法和自己的研究体会。设计报告最 后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中 有引用说明，否则也不能得优）。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 力要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电 路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。严禁 抄

5、袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。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， 不同频率下输岀电压电流波形，驱动控制电路中驱动信号波 形以及其它主要波形，5课程设计用纸和格式统一课程设计用纸在学校卬刷厂统一购买和装订，封面为学 校统一要求。要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。第一章 电力电子器件的了解第一节二极管它的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一 样的，都以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向截止的 功能；电力二极管是不可控器件，其导通和关断完全是由其在 主电路

6、中承受的电压和电流决定的。整流二极管的常用参数：（1）最大平均整流电流IF：指二极管长期工作时允许通过的 最大正向平均电流。该电流由PN结的结面积和散热条件决定。 使用时应注意通过二极管的平均电流不能大于此值，并要满足 散热条件。例如1N4000系列二极管的IF为lAo（2）最高反向工作电压VR：指二极管两端允许施加的最大反 向电压。若大于此值，则反向电流（IR）剧增，二极管的单向导 电性被破坏，从而引起反向击穿。通常取反向击穿电压（VB）的 一半作为（VR）o例如1N4001的VR为50V, 1N4007的VR为 1OOOV 。（3）最大反向电流IR：它是二极管在最高反向工作电压下允 许流过

7、的反向电流，此参数反映了二极管单向导电性能的好坏。 因此这个电流值越小，表明二极管质量越好。（4）击穿电压VR：指二极管反向伏安特性曲线急剧弯曲点的 电压值。反向为软特性时，则指给定反向漏电流条件下的电压 值。（6）反向恢复时间指在规定的负载、正向电流及最大反 向瞬态电压下的反向恢复时间第二节IGBTIGBT即绝缘栅双极型晶体管，是由GTR（双极型三极管） 和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率 半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压 降两方而的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流 较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载

8、流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱 和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系 统如交流电机、变频器等领域。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给 PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极 电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的参数1）最大集射极间电压Uces这是由器件内部的PNP所能承受 的击穿电压确定的。2）最大集电极电流 包扌舌额定直流电流Ic和1ms脉宽最大电 流3）最大集电极功耗Povi在正常工作温度下允许的最大耗散功 率第二章整流电路第一节 常用整流电路在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整

9、流电 路，其原理如图，习惯将该电路中阴极连接在一起的三个晶闸 管（VTi、VT3> VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个 晶闸管（VT?、VT4. VT6）称为共阳极组。晶闸管的导通顺序 为 VTi、VT2、VT3、VT4> VT5> VT6o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，任意时刻共阳极组和共阴极组中 各有一个晶闸管处于导通状态，施加与负载上的电压为某一线 电压。vt4vt6vt2 第二节电容滤波整流电路1. 工作原理在交直交变频器等应用场合中，大都采用不可控整流电路

10、经 电容滤波后提供直流电源，供后级的逆变器使用。只要将全控 整流电路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。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。当没有二极管导通时，由电容向负载供电，Ud按指 数规律下降。设二极管在距线电压过零点6角处开始导通，并以二极管 VD6和VD开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为相电压为:% = 4U2 sin(dX + 5)ua = sin( cot + 8_ 6在M）时，二极管VDe和VD|开始同时导通，直流侧电压 等于

11、Wb；下一次同时导通的一对管子是VDi和VD2,直流侧电 压等于uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在 VDi和VD2同时导通之前VD6和VDi是关断的，交流侧向直流 侧的充电电流id是断续的；另一种是VDi直导通，交替时由 VD6导通换相至VD2导通，id是连续的。介于二者之间的临界 情况是，VD6和VDi同时导通的阶段与VD和VD?同时导通的 阶段在血+22兀/3处恰好衔接起来，id恰好连续。由“电压下 降速度相等”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:WNV0/wt 0A/ /i iw由上式可得电流id断续和连续的临界条件co

12、RC = iaiaOwt Od|>/6(72sin(6yt + &)d<“Ssin竺仔"-3d(dx)切dld(dX)3a)b)2、主要数量关系：(1) 输出电压平均值 空载时，输出电压平均值最大，为 匕=®2 = 2.45/。随着负载加重，输出电压平均值减少，至 coRC =広进入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=2.34U2o可见，Ud在2.34U2 2.45U2之间 变化。与电容滤波器的单相桥式不可控整流电路相比，5的变化 范围小得多，当负载加重到一定程度后，5稳定在2.34U2不变 了。(2) 电流平均值 输出电流

13、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=lRo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k的1/3,即ciK(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，为屁2。3. 二极管参数的计算：由设计要求可知：U2 = 220V , UF =<2t/2 =311V , f=50Hz 三相负载,星形接法，R=10Q, L=15mH输出电压平均值：空载时，输出的电压平均值最大，为/ = VS/= 2.45q。随着负载的增加，输出电压平均值减小，至 3RC = 进入连续情况后，输出电

14、压波形成为线电压的包络线,其平均值为匕=234匕。可见，匕在2.342.45之间变化。电流平均值：输出电流平均值为,_ 23化2.34x22015=34.32A= -7? = 15Q212 / 3410 / 34电容电流ic平均值为零,因此I尸Ir，二极管电流平均值为h 的1/3,即 /旳=仏=如=址=11.44人二极管承受的电压为线电压的峰值为屁2。 由以上数量关系得：二极管的额定电流："2)定=(29.72 39.63)A二极管的额定电压:Un=(23) X V6u2= (10771616) V4. 滤波电容参数的计算：为了保证逆变电路和控制电路能够得到高质量的直流电压或电流，

15、流的脉动。必须对直流电压或电流进行滤波，以减少电压或电C>(3 -tn no-5)一(35)一(2000 3333 )/F2R2x15第三章逆变电路逆变的概念：逆变与整流相对应，直流电变成交流电逆变与变频：变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一 部分就是逆变。它的基木作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直 流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。第一节逆变电路的最基本的工作原理1. 以单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理。d14 / 3412 / 34a)b)逆变电路桥式逆变电路各臂由理想开关S1S4组成（如图）。

16、它们的 开关状态由加于其控制极的电压信号决定。桥式电路的PN端 加入直流电压Ud, A、B端接向负载。当S1、S3关合而S2、 S4打开时，uO=Ud湘反，当S2、S4关合而S1、S3打开时,uO= -Udo于是当桥中各臂以频率f （由控制极电压信号重复频率 决定）轮番通断时，输出电压U0将成为交变方波，其幅值为 Udo重复频率为f如图所示，其基波可表示为4匕.比° =-sin ax71由式可见,控制信号频率f可以决定出端频率，改变直流电 源电压Ud可以改变基波幅值，从而实现逆变的目的。2. 换流方式1）器件换流：课程设计过程中用器件换流。2）电网换流3）负载换流4）强迫换流第二节

17、三相电压型逆变电路1.三相电压逆变工作原理在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路，采用 IGBT作为开光器件的电压型三相桥式逆变电路如下图所示。vd3vd511NI InVD.ZK图1三相电压型桥式逆变电路电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，为了分析方 便，画作串联的两个电容器并标出假想中点N' o三相电压型 桥式逆变电路的基木工作方式也是180。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，各相开始导电的角度依次相差120。o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, 也可能是上而两个臂下而一个臂同时导通

18、。因为每次换流都是 在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。对于U相输出来说，当桥臂1导通时，二U/2,当桥臂4 导通时，uv =-Ud/2o因此g的波形是幅值为IL/2的矩形波。 V、W两相的情况和U相类似，g、5“的波形形状和g相同, 只是相位依次差120： o Uux- > UVN- > g可由下式求出由上分析，怙 的波形是幅值为S/2的矩形波，V、M两 相情况跟U相类似。所以负载线电压叫八 恼八“舲为= uuir _“ w = uvtr -知ir f 皓阿=u呻J负载相电压l(UN、l(VN、“HW为攵un = uir 一"血 rJ负载中点和电源中点间

19、电压为-(%d + VN' + "wM)一 §+ “N + WHW)负载三相对称时有uUN + uVN +uWN = 0 ,于是 11 NN1 =+ %、）°所以“肘也是矩形波，其频率为“加的3倍，幅值为其1/3,输出线电压有效值U卵为：% =0.8164=0.816x514=419.427基波幅值为：U - 2矶波有效值U加为：y!6Uuvx = Ud = 0.78/|Z =0.78 x 514 = 400.92卩 71= 1.1负载相电压 卩射=0.471 S =0.47 x 514 = 241.58V基波幅值为：U加=0.45匕=0.45x514 =

20、213.30V基波有效值为：三相逆变输岀的电压与电流分析类似，负载参数己知，以 U相为例，负载的阻抗角仔不一样，°的波形形状和相位都有 所不同，在阻感负载下肖 彳时，岭从通态转换到断态时，因负 载电感中电流不能突变，先导通续流，待负载电流降为零, 叫才开始导通。负载阻抗角肖越大，怕导通时间越长。在恤。 时，心0时为®导通，力0时为导通；在«w. 0时，尬0 时uq导通，匚0时为叫导通。/；. /；的波形与心形状相同，相位一次相差120%将三个桥 臂电流相加可得到直流侧电流id o在上述180。导电方式逆变器中，我们采用“先断后通”的 17 / 3414 / 34方

21、法来防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流 侧电压短路，使得在通断信号之间留有一个短暂的死区时间。# / 3415 / 34第四章PWM控制技术PWM （Pulse Width Modulation）控制就脉宽调制技术：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的波形 （含形状和幅值）。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才 确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变 电路都采用了 PWM技术，因此，木章和第3章（逆变电路） 相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。第一节PWM控制的基本原理采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄 脉

22、冲加在具有惯性的环节上时，其效果基木相同.PWM控制技术 就是以该结论为理论基础,对半导体开关器件的导通和关断进 行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用 这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.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，也图6-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲SPWM是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法.前 而提到的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

23、开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输岀的正弦波 在相应区间内的而积相等。把如图所示的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看 成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度 相等，都等于兀/N,但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线， 是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列 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 中点和相应正弦波的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦波部 分而积（冲量）相等，就得到如图所示的脉冲序列。这就是PWM 波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变 化的。根据而积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。 对于正弦

24、波的负半周，也可以用同样的方法得到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。A"OcotIII PWM波代俗匸弦波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.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.19 / 3417 / 34硬件调制法：原理就是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

25、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.自然采样法：以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行 比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是 自然采样法.规则采样法：原理就是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，这种方法称为对称规则采 样第二节PWM控制的逆变电路1.工作原理N1SUS谓制 电路三相桥式PWM型逆变电路如图是三相桥式PWM逆变电路

26、，采用双极性控制方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波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。当咖 >Uc时，给上桥臂V以导通信号，给下桥臂W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uUN-Ud/2o当 uru<uc时，给V4以导通信号，给V以关断信号，贝IJ UUN-= 一 Ud/2。V和V4的驱动信号始终是互补的。当给V, (V4)加导 通信号时，可能是W (V4)导通，也可能是二极管VD (VD4) 续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定，这和单相

27、桥 式PWM逆变电路在双极性控制时的情况相同。V相及W相的 控制方式都和U相相同。电路的波形如图所示。可以看出,Uun，、 UVN'和UWN的PWM波形都只有土Ud/2两种电平。图中的线电 压Uuv的波形可由UUN' UVN得出。可以看出，当桥臂1和21 / 3419 / 34可由下式求得U UN = U UNU UN ' + U YN ' + " WN36导通时，uuv=Ud，当桥臂3和4导通时，uuv= Ud，当桥 臂1和3或桥臂4和6导通时，uuv = O。因此，逆变器的输出 线电压PWM波由土5和0三种电平构成。图中负载相电压uun从波形图和上

28、式可以看出，负载相电压的PWM波由(土2/3) Ud、(±1/3) Ud和0共五种电平组成。从电压型逆变电路的PWM控制中，同一相上下两桥臂的驱 动信号都是互补的。但实际上为了防止上下两个桥臂直通而造成短路，在上下两桥臂通断切换时要留一小段上下桥臂都施加 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，使其稍稍偏离正弦波。0 01_I I I I I I I I I I I I I I叮吋册叩册甘禹笳膚命20 / 3420 / 34第五章驱动电路主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进 行放大的中间电路（即放

29、大控制电路的信号使其能够驱动功 率晶体管），称为驱动电路。驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号 按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和 公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只 需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信 号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或 关断电路图如图所示OVCVIM57962Lve5V MUR4100E0AOllo、gnooIG1E1驱动信号：由于f = 1 10/z, 3 = 2对=225说，设a=0. 9,则驱动信号为:Ua = 0.9Z0°V , Uh = 0.9Z120°V ,

30、Uc = 0.9Z240°V24 / 3421 / 34第六章器件的参数选择1.二极管的参数计算和选取此次仿真实验选用理想二极管，一般来讲具有以下三个特 点：通过的正向电流无穷大；反向击穿电压无穷大；反向电流 为零。电容两端电压Ud在2. 34U2 2. 45U2之间变化因此 2.34x2205 UdS 2.45x220,即 514.8V< Ud < 550V ,不妨取电容的 耐压值为Ud二560V二极管的耐压值选取：二极管承受的最大反向电压为石 U2,即Uvo二X220=538. 89V考虑到一定的安全裕量 取U®的 12 倍，即 %=538.89538. 8

31、9X2 ,不妨取 U沪 1000V。错误！未指定书签。电流：因I为進沁路< 输入电流 为:,所以整流输出电流甲为34.0A,流过每个二仮管知歸酒斂值为：Iav = y37=737掰轉平均值为：，留有21希的裕扇产辨映二极管电流为：。仿真采用理想二极管，型号为3913o滤波电容的选择：1）输出电压平均值 炉”炉2。45% 随负载加重，输出电 压平均值减小，变化范围«（20 34& 2。456O之间变化。2）电流平均值输岀电流平均值厶为：IR二5 /R与单相电路情况一样，电容电流人平均值为零，因此：匚二Ir 由于对于三相的电容滤波不可控整流电路，负载电流讥存在连 续与不连续

32、的问题，一般情况下要求负载电流连续，即满足wRC W爲条件.因为逆变电路工作时有三个桥臂同时导通，可能 是而一个臂、下面两个臂，也可能是上面两个臂、下面一个臂, 而负载是三个阻感星形连接。所以从逆变电路的输入端看，其等效电阻应为rFr牡蠻够詔鹽联。所以,z 2 2 2I 5 黑(20003333 )“F二极管的选取：In=25A Un=1000VMUR30100HAR30A1000V35ns单管13. 001MUR30120HAR30A1200V35ns单管15. 003. 输出频率：110Hz4. 整流电源：S =22°Z0WS =220 /20。" / =220 /24

33、0%5. 由IGBT的参数可进行器件的选择武汉森威机电设备有限公 司的型号为：TM130EZ-2H,最高电压1600,最大电流130A的器 件。调制信号 匕=0.9/0。"， 匕=0.9/120。伙， Ue =0.9Z240°V 载波比:N=216. 负载：R二 10Q, L=15mH26 / 3423 / 34第七章MATLAB的仿真时间"S时间t/s lb: Series RLC Branch200-2000.04 时间t/sUswi: Unixersal BridgeUab: Universal Bridge500V. v. 厂 J,. V.0.08 0.1

34、00.020.040.06时间t/s20$0.06时间t/Slb: C时间t/v-50028 / 3424 / 342.三相逆变PWM控制的仿真1.不接电容滤波的仿真A Usw1: PWM IGBT Inverterl1000mUMMW<、一器-100000.020.040.060.080.1-100.020.040.060.08时间t/sm 10 Isw1：PWM IGBT In«rter1时间t/sk -jo6 Isw2: PWM IGBT In«rter100.020.040.060.080.1时间t/silbl: Ihree-Phase Series RLC BranchiAUb1: Three-Phase Series RLC Branchiwwtf00.020.040.060.080.1时间t/So o o26 / 3426 / 3434 / 3427 / 342）接入滤波的仿真VatRLCLoscprePiyeX.5LC 9(8fil二-W-1MF-E一IGQTWefrtr-p-ase舟订氓