电力电子课程设计三相变频电源的设计

1、电力电子课程设计学院：电气与动力工程学院专业：电气工程和其自动化班级:姓名:学号:指导老师:寸录第一章：课程设计的目的和要求 11.1课程设计的目的 11.2课程设计的要求 11.3课程设计报告基本格式 3第二章：三相变频电源介绍 3第三章 MATLAB软件的介绍 4第四章：整流电路的设计 54.1整流电路工作原理 54.2电容滤波的不可控整流 64.3整流模块的计算和选型 10第五章：逆变电路的设计 135.1逆变电路的工作原理和波形 135.2二极管和IGBT参数选择 16第六章：SPWM逆变电路18第七章：驱动电路 22第八章：MATLAB软件仿真22第九章：附录和参考文献 25第十章：

2、课程设计的心得体会 26第一章：课程设计的目的和要求1、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）培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3）培养运用知识的能力和工程设计的能力。4）培养运用工具的能力和方法。5）提高课程设计报告撰写水平。2、课程设计的要求题目：三相变频电源的设计注意事项：1）根据规定题目进行电力电子装置设计2）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

3、主要技术数据主要技术数据输入交流电源：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 Q, L=15mH3、设计内容：1 ）整流电路的设计和参数计算和选择 （整流电路工作原理、 输 出波形分析、整流模块的计算和选型、滤波电容参数计算和选型）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和选型）3）三相

4、SPWM 控制和驱动电路的设计：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。3、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和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、阅读和分析研究大量的相 关文献的基础上， 经过剖析、

5、 提炼，设计出所要求的电路 （或装置） 课程设计中要不断提出问题，并给出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） 。4 、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） 。严禁抄袭，严禁两篇 设计报告基本相同，甚至完全一样。5 、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，以和控制电路设计。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 率下输出电压电流波

6、形，驱动控制电路中驱动信号波形以和其它主要波形，6 、课程设计用纸和格式统一 课程设计用纸在学校印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。设计报告不少于 20 页第二章：三相变频电源介绍三相变频电源以 MPWM 方式制作，用主动元件 IGBT 模块设 计使本机容量可达 200KVA ，以隔离变压器输入和输出，来增加整 机稳定性，特别适应感性，容性和特殊负载，负载测试和寿命试验 可靠性高。三相变频电源特点 :1）高频 MPWM 设计， IGBT 功率推动，体积小、可靠性高、 噪音低。2）效率达 85% 以上3）反应快速，对 100% 除载/加载，稳压反应时间在

7、 2ms 以内。4）超载能力强，瞬间电流能承受额定电流的 300%5）波峰因素比 （CREST FACTOR RATIO） 高于 3：1。6）具过压、过流、超温等多重保护和报警装置本文设计的三相变频电源将使用交直交整流逆变电 路和 PWM 驱动电路实现三相变频电源。第三章： MATLAB 软件的介绍MATLAB 是矩阵实验室( Matrix Laboratory )的简称，是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件， 用于算法开发、 数据可视化、 数据分析以和数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包 括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。MATLAB 是由美国 mat

8、hworks 公司发布的主要面对科学计算、 可视化以和交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩 阵计算、科学数据可视化以和非线性动态系统的建模和仿真等诸多 强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设 计以和必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解 决方案， 并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言 (如 C、 Fortran )的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。本文将使用 MATLAB 软件进行仿真测试第四章 整流电路的设计4.1. 整流电路工作原理单相不可控整流电路带电阻负载a）单相桥式整流电路b）交流输入正半周单相桥式整流电路工作图C

9、）交流输入负半周单相桥式整流电路工作图电路原理分析在0至U 180度VD1禾口 VD4导通，在180至U 360度VD2禾口 VD3导通。使流过电阻R的电流始终为正，规律总结如下表；Qt0nn2 n二极管VD1和VD4导VD2 和 VD3 导通、VD1导通情通、VD2 和 VD3和VD4截止况截止UdI U2|I U2|UVDUVD1,4=0,UVD3=0,UVD2,3= -|U2|UVD1,4= -| U2|Ud丄丽2sin td( t) 0.9U24.2电容滤波的不可控整流421电容滤波的不可控整流电路图和波形电容滤波的不可控整流电路图电容滤波的不可控整流波形电路原理分析该电路的基本工作情

10、况是，在 u2正半周过零点至t=o期间， 因u2ud,，故二极管均不导通，次阶段电容C向R放电，提供负载所需电流，同时ud下降。至t =0之后，u2将要超过ud,使得 VD1和VD4开通，ud二u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电设VD1和VD4导通的时刻与u2过零点相距3角，则U2 V2U 2sin( t )(,在VD1和VD4导通期间，以下方程成立Ud(0)V2u 2sin(1-2)Ud(0)1t i cdt C 0U 2(1-3)式中，ud为VD1、VD4开始导通时刻直流侧电压值将u2代入并求解得(1-4)(1-4)ic J2 CU2cos( t )而负载电流为U2/2U 2iRs

11、in( t )R R于是idic iR 弋2 CU 2cos( t、2U2设VD1和VD4的导通角为e,则!=凤；(和爲关断。-5)将id()0代入式(1-5),得(1-6)tan( ) RC电容被充电到t 时，Ud U2 .2U2sin（ ） , VD1和VD4关 断。电容开始以时间常数 RC按指数函数放电。当t=，即放电经 过 角时，ud降至开始充电时的初值 2U2sin ，另外一对二极管 VD2和VD4导通，此后U2正半周的情况一样。由于二极管导通后 u2开始向C充电时的ud与二极管管段后C放电结束时的ud相等， 故下式成立： 2U2sin( t )e RC 、2U2sin（1-6）注意

12、到为第2象限角，由式（1-6）arctan( RC)（1-7）arctan( RC )RC二 RC)2RCRCsin(1-8)在RC已知时，即可由式（1-8 ）求出，进而由式（1-7）求 出。显然和仅有乘积RC决定。4.2.3.主要的数量关系1 ）输出电压平均值 空载时，R，放电是间常数为无穷大，输出电压最大，Ud 2u2。整流电压平均值Ud可根据前述有关计算公式推导得出，但推导繁琐。空载时，Ud U2重载时，R很小，电容放电很快，几乎失去储能作用。随复合的增加，Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于负载时的特性。3 5 RC T通常在设计时根据负载情况选择电容 C值，使2，TUd 1.2U 2为

13、交流电源的周期，此时输入电压为(1-9)2 ）电流平均值 输出电流平均值IR为Ud(1-10)在稳态时，电容C在一个周期内吸收的能量和释放的能量相等, 且电压平均值保持不变。相应的，流经电容的电流在一个周期内的id iR平均值为零，又由id ic iR得出(1-11)在一个电源周期中，id有两个波头，VD1、VD4和VD2、VD3。反过来说，流过某个二极管的电流iVD只有两个波头中的一个，故其平均值为| dVDId|R(1-12)3）二极管承受的电压二极管承受的反向电压最大值为变压器二次侧电压的最大值，即-2U2。4.3整流模块的计算和选型431整流电路的输出电压为Ud 1.2U 21.2 2

14、20264(V)后级电路的输出相电压为U UN2UUNd t00.471Ud0.471 1.2 220124.344(V)Pudcos3517.2264 087115.30(A)逆变电路输出侧负载为Z 10j5.65()逆变输出电流I U UN124.34410.8329.47Z10j5.65（A）输出有功功率P mUun ICOS 3124.34410.830.871=3517.2W设逆变过程中有功功率不变，则整流输出电流为整流输出侧阻抗值为17.25()UdId26415.30Z1wL arcta n29.47解得;R= 15.01 ()L=0.027(H)RC由35C=1666.6277

15、6.0( F)考虑到电网电压波动0%，则电容所承受的最高电压为Ucmax &(1 10%)U22 1.1 220 342.24(V)故电容耐压值为1.5UC max 1.5 342.24 513(V)上网查询可以选择东莞市山田科技有限公司生产的 550v3300 F的电解电容。二极管的主要参数的计算：流过整流二极管的平均电流为Id15.3027.65(A)电流有效值为:IVD 1.571 dVD 1.57 7.56 11.87(A)整流二极管的最大反向电压为；Urrm .2(1 10%)U2；2 1.1 220 342.24(V)选择整流二极管的参数为故正向平均电流1 f (1.52)ldVD

16、 .475153。) A反向重复峰值电压URRM 2 342.24 684.48(V)整流二极管选择由算出的二极管参数，上网查询找出以下两个型号的管子符合要求;型号正向直流最高反向电压供应商MUR3010030A1000V深圳市凯城电子有限公司MUR3012030A1200V深圳市凯城电子有限公司第五章逆变电路的设计5.1逆变电路工作原理和波形三相电压型桥式逆变电路(1) 基本工作方式 一一180 导电方式(2) 每桥臂导电180 ，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120(3) 任一瞬间有三个桥臂同时导通。(4) 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行， 也称为纵向换 流。工作波形(

17、1) 对于U相输出来说，当桥臂1导通时，uUN二Ud/2，当 桥臂4导通时，uUN二Ud/2，uUN的波形是幅值为Ud/2的矩形波， V、W两相的情况和U相类似。(2) 负载线电压uUV uVW uWl可由下式求出u UVU UNU VN(3)负载各相的相电压分别为UU NUU N U N N UV NUV N U N N UWNUWN U N N(4)把上面各式相加并整理可求得1U N N (UuNU V N U WN )设负载为三相对称负载，则有 uUN+uVN+uWN=O，故可得11U N N ( U U NU V NU WN ) ( U U NU V NU WN )33(5) 负载参数

18、已知时，可以由uUN的波形求出U相电流iU的波形，图4-10g给出的是阻感负载下时iU的波形。(6) 把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得到直流侧电流id的波形，如图4-10h所示，可以看出id每隔60脉动一次a)b)c)d) ef)g)h)WNUNOVNtUVORNNOUNOi UOidOt5.2IGBT和二极管参数选择5.2.1 IGBT参数选择额定电压IGBT的额定电压由逆变器（交-直-交逆变器）的交流输入电压决定，因为它决定了后面的环节可能出现的最大电压峰值。再考虑两倍裕量，即；额定电压=2 2Ud 22 264 746.7(V)由于IGBT是工作在开关状态，故计算其电流额定值时，应考

19、 虑其在整个运行过程中可能承受的最大峰值电流为：Icm 2氐心 2 10.83 2 1.2=36.76(A)式中，K1为过载系数(裕量)，取K1=2 ； K2为考虑电网电压 波动等因素，取K2=1.2。IGBT参数的选择原则是适当留有余地，这样才能确保长期、可 靠、安全运行。工作电压 uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN =d/2当urUvuc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导通第七章驱动电路由于三相桥式电压型逆变电路中采用的 JBT管，它在使用的时候需 要驱动电路，才能使IGBT管

20、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、微分变压器和光电耦合器。根据设计要求，采用芯片 M57962L和其附件组成的驱动电路，其电路图如图8.T所示：3T2+5V TLP52T-TT0k5V MUR4T00ECTOCI0SPWMTOVCUVI VRTVouVcc 、”M57962LVinVeeC125GTVO5/F uo O1C1Tfi30V电12VETCT +24V-T Vin-9VGND MC7809TCTTn GNDT第八章MATLAB软件仿真整流电路仿真电路图如下AC Voltage SomveA+/B-G3-Univeal Bridge输入电压电流波形号二极管电流输出IGBT电流一号桥臂整合后输出电压电流波形;整流输出电压逆变输出线电压负载相电压号二极管电流输出IGBT电流号桥臂第九章 参考文献电力电子应用技术 莫正康 机械工业出版社 第三版电力电子技术题例与电路设计指导 石玉 栗书贤 机械工业出版社电力电子变流技术 作者: 黄俊等机械工业出版社电力电子技术和应用陈坚，赵玲 北京：中国电力出版社，2