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、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In ternet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。、课程设计的要求1注意事项控制框图设计装置（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

2、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 Q, 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

3、，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:iaVD1VD3VD5iRUd丰CCVD 4VD6VD2CJ+i a*a)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S角处开始导通，并以二极 管VD6和VDi开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为Uab= 76 U2Sin（3t+

4、S）而相电压为33ua=应U2sin（祖+ 吒）在3t=0时，二极管VD6和VDi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 VDl和VD2，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VD1和VD2同时导通之前 VD6和VD1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 VDi 一直导通，交替时由VD6导通换相至VD2导通，id是连续的。介于二者之间的情况是,VDi和VD6同时导通的阶段与VDi和VD2同时导通的阶段在32斤t+ S=2n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 +

5、 d =2 p/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有dEmSin（ t+ ）d（ t）=2=c122飞c t-（T-）d Emsine RC 32 t+ =可得这就是临界条件。瓦RC> 和J3wRCv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

6、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12 = 1.11 II,而有电容滤波时(2)负载平均电压Vl升高，纹波(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Il的变化关系称为输出特性或外特性，如图 1所示。C值一定，当肌"®，即空载时 f =盹=LA

7、W当C=0 ,即无电容时卩3dW?在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足式r厂尺lC >（35）2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 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Di、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1 ,1 D.9140-45U,吐22勺 尽在选择整流管时应保证其最大整流电流 If >

8、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，Dl、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,同理，在V2的负半周，Di、D3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Ur U,URv和UrW依次相差120 ° oU,V和W各相功率开关器件的控制规

9、律相同，现 以U相为例来说明。当uru大于uc时，给上桥臂V1导通信号, 给下桥臂V4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V1上桥臂关断信号时，则UUN= U% o V1和V4的驱动信号始 终是互补的。当给V(V4)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=U d，当臂3和臂4导通时uuv= Ud， 当

10、臂1和臂3或臂4和臂6导通时uuv=O o因此，逆变器的输出 线电压PWM 波由 Ud和0三种电平构成。而且负载相电压形图如图3.2LPWM 波由(±2/3)Ud、(±1f)Ud 和 0共5种电平组成77 其波n nnnnn no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urUv uc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN ' =-U d/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

11、期、可靠、安全地运行。工作电压w 50%-60%，结温W 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；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 C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V12V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

12、才可加较低3 11V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，主电路的电流电压值及设计要求，采用的IJBT管是GTI53101。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。1 . PWM控制的基本原理PWM控制一一脉冲宽度调制技术，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

13、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*t T O .-、和h和 71.圈1-1形状术同而冲M相同的各种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: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，也称正弦半波N等分，可看成N个彼此相连

14、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。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

15、，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。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Ri2，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

16、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=矽 =4i/所以由/2冗 R7C1/2冗 R12C3R7C1 =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( 125.6t)Ub = sin(125.6t- 120。) Uc = sin(125.6t- 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；

17、 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:OCIVA-10kGNDC11n GND1_C1Vin +9Vn5V MUR4100E 卫 M C1+5V TLP521-12OVCUVIVRVouSPWM1Vee3Vi r/5796炉G2I+24V-1MC7809T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，

18、由于课本上的知识太多，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

19、时满富盛激情到最后汗 水背后的复杂心情，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?于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。同时我认为我们的工作是一个团队的工