电力电子技术课程设计

目录TOC\o"1-2"\h\z\uHYPERLINK\l"_Toc185864787"1设计要求1HYPERLINK\l"_Toc185864788"2逆变器控制方式选择1HYPERLINK\l"_Toc185864789"3方案设计2HYPERLINK\l"_Toc185864790"3.1系统总体框图2HYPERLINK\l"_Toc185864791"3.2主电路的设计3HYPERLINK\l"_Toc185864792"3.3DSP的选取4HYPERLINK\l"_Toc185864793"3.4驱动电路的设计5HYPERLINK\l"_Toc185864794"3.5采样电路6HYPERLINK\l"_Toc185864795"3.6保护电路6HYPERLINK\l"_Toc185864796"4元件参数计算7HYPERLINK\l"_Toc185864797"4.1输出滤波电感Lf、滤波电容Cf的选取7HYPERLINK\l"_Toc185864798"4.2变压器的设计8HYPERLINK\l"_Toc185864799"4.3功率开关的选择8HYPERLINK\l"_Toc185864800"5仿真结果9HYPERLINK\l"_Toc185864801"5.1驱动波形9HYPERLINK\l"_Toc185864802"5.2功率开关器件两端的电压波形10HYPERLINK\l"_Toc185864803"5.3逆变器输出波形10HYPERLINK\l"_Toc185864804"6结论11HYPERLINK\l"_Toc185864805"参考文献12垒1槐呆设计要求忍主要内容：利尿用倍频单极性穷SPWM龙调制法究逆变止器的调制方式桃，分析系统的砌稳定性和外特翅性，给出系统简的硬件结构框绞图，设计系统行各个部分的硬挑件电路，完成殊数字控制涌SPWM绕逆变器的原理鞠试验和仿真。杏基本要求：输窄入电压：扁40填～史60VDC泊；输出额定容州量：刷1kVA匙；输出电压：打220V±3钉%凉；输出电压频瓜率：跑50Hz侵载波频率：氧25kHz棕；跳TH们D遍：壶≤海3%克。篇2奏逆变器控制方并式睬选择段传统逆变器的牛控制电路都是订采用模拟电路态和小规模数字慕集成电路实现涨的。随着信息悄技术的发展，啦数字控制技术详在逆变电源控捕制领域已得到绵越来越广泛的挪应用。综合考违虑系统性价比祥以及数字控制缎方式存在的问伤题，目前，部骑分数字化差（狼CPU蜡）右产生基准正弦料，宽频带的电白压调节器仍由仓模拟电路实现期）不失为中小讯功率逆变器控鸦制电路的优选井方案。本文分课别对两种模壁拟疑/脉数字混合控制冷方案进行了比级较研究，分析陆了它们的设计耐与实现，给出姥了相关实验结垮果。委本章研究的混更合控制方式，脖也是基于数字教控制器的。利浅用仁DS肥P鼠取代纯模拟控给制中的一些实并现环节，如基岂准正弦发生器为、输出过载保翻护、输出过参压导/稀欠压保护等，岭对于减小控制篇电路复杂程度绝、提高系统控岸制特性是有好梁处的。同时，湖混合控制方式瓣也考虑了数字座控制可能产生借的一些问题，饰尽可能保留模理拟控制的优点封，仍采用模拟黑电路实现电压你调节器，与全遗数字控制系统索相比，提高了起系统带宽频率贷和动态响应速业度。可见，这赠种模蜜拟自/屠数字混合控制偏逆变器具有较夺高的性价比，液在一些应用场呢合具有较大的遥优势。虚根笑据珍PW哀M律控制信号的产烦生方式，常用落的混合控制实过现方案有两类喘：模量拟优/期数字混合控制魔方案炮Ⅰ韵、模蓬拟肃/朗数字混合控制祥方案畏Ⅱ塌。方案府Ⅰ叠的实现框图如滑图魔1役。低通滤波器低通滤波器基准正弦发生器有源PI校正电路SPWM生成驱动电路逆变桥LC滤波器无源超前网络电压采样电路DSP-图1混合控制方案Ⅰ的实现框图功图存1蔬中，主控芯缸片预DS太P孤主要功能是提歉供基准正弦数检据、计算控制究变量采样信号净的数值以执行响各种保护等，维控制电路的其盘它部分如电压柄调节器（包括桌控制框图中前辞向通道的有乘源锤P秩I躲校正电路和反比馈通道的无源忧超前校正网络牢）饿、取PW绿M售发生器等都是墨用模拟元件实潮现的。由忆于够DS帜P哗产生的基准正研弦信号带有高续频谐波分量，嘉需采用低通滤腐波器才能得到繁光滑的基准正效弦波，作为逆丹变控制系统的酷指令信号。赢图障2五给出了模遵拟针/眠数字混合控制速方惰案底Ⅱ孟的实现框图，欠系统工作过程睬为巷：戏DS佳P膛提供基准正弦伟数据，经低通矿滤波器滤波后当得到连续的基浴准正弦波形，章有评源无P角I琴校正电路将误若差信号变为调锤制信号，售由粘DS附P环自带勿的的A/隐D型转换器采样并匹通谈过拦DS早P稠内部的事件管名理器产生各毁路队PW朵M渴控制信号，再粘经驱动电路控细制逆变桥功率泽开关管的通断度。低通滤波器低通滤波器基准正弦发生器有源PI校正电路SPWP生成驱动电路逆变桥LC滤波器无源超前网络电压采样电路DSP-采样保持+图2混合控制方案Ⅱ的实现框图忍就控制电路的母复杂程度而言邮，尽管两种方喊案采用了相同北的忘DS厌P慎作为控制芯片静，由于方腰案霸Ⅰ叙仍采用与纯模纯拟控制电路中豆相同宽的眼PW企M喉控制信号生成粘电路，没有充亲分运岁用堪DS吗P给的片上资源，邀使得控制电路主规模变大，而洪方践案择Ⅱ粪则可省去比较高复杂的三角波挎发生器和比较层器，具有一定岔的成本优势。珠如另前扔节所述，采用裙方乎案中Ⅰ舟时，功率开关授管驱动信号的柳死区时间需要屯通过模拟器件环产次生，与方云案吵Ⅱ袖的软件编程产陕生死区时间相嗽比，控制精度淡降低，灵活性城差，量必须设置相当箭长的死区时间宿以保证功率电足路的安全，而者方跌案茫Ⅱ蓄产生的死区时扑间精度很高，掘只需根据功率逢开关管的工作系特性设置较短拜的死区即可，煎于是可以减轻到死区效应，提剧高逆变器的控损制性能。脊本文坡拟蛇采用方案眼Ⅰ具进行分析与设殃计。狮3特方案稻设计言3.1称系统总体框图汤以数字信号处任理针器踏(DSP固)猴为核心的逆变溜器控制框图如寸图负3园所示。在数字色信号符处理拉器届(DSP缠)坛中产泄生僵SPW佛M骄控制信号，逆叙变器输出高频娇脉宽调制型交睡流电。该交流箩电经工频变压灌器和输出滤波舱器处理后，得届到稳定、纯洁打的正弦波电源坝。驱动电路驱动电路采样电路保护电路DSP图3系统总体框图灯3.2士主电路的设计拳1在、馒主电路的结构图4单相全桥逆变主电路图4单相全桥逆变主电路芹逆变器的主电奏路结构形式多灌种多样，有全穿桥型、半桥型琴及推挽型等。致中小容量逆变宋电源多采用半牧桥式逆变器结父构，结构简单避，控制方便。底中大容量逆变疮电源一般采用芹全桥式和推挽为式逆变器结构证。为了滤除高猴次谐波，逆变肚桥后级均接只有硬L染C算滤波器。全桥监型的主电路结驱构由于各种因于素的影响必然骑存在直流偏磁尊的问题。直流林偏磁的存在致侨使铁心饱和，盾从而加大了逆牧变器输出变压崭器的损耗，降陵低了效率，甚仅至会引起逆变役失败，对系统晒的运行有着极向大的危害，必坏须采取措施加兰以解决。小容秆量逆变电源因枝为输出容量小韵，电压和电流浆不大，因此开尘关器件多选用刘电勤力毒MOSFE西T搜。而大容量正钳弦波输出的逆齐变电源因其电谨压电流一般都任比较大，因此服多采充用育IGB馋T晃作为它的开关抚器件。睬本文主要研究股的是湿50Hz,弟1k说W咐的低频逆变电患源。基于以上袄的分析，选用鉴全桥型，带有蒜输出隔离变压预器的主电路形张式，并采玻用杜MOSFE难T浑作为开关器件巷。主电路图如第图成4存所示。系2姜、气输出滤波电容语的选取皇输出滤波电容辽用来滤除输出觉电压谢的高次谐波，箩若倒越大，输出电双压屿的康TH浆D可就越小，剂但辉DC/A委C盟逆变器无功电工流分量增大，孝从而增大了变正流器的体积和盖成本。一般选央取夺为宜，因此滤拆波电容猜值应满足甩掀耕秤唯蚁仓（膏1悦）址3得、城输出滤波电感秩设计处滤波电感酒有两个作用一胃方面滤除输出躺波形中的高次酷谐波；另一方多面作为积分环嚼节实携现柏SPW豆M戚控制。它的设吃计应满足四个觉方面的要求。弊1暮）尽可能滤除氧调制波姿的高次谐波分摔量，提高输出狸电压波形质量棉，滤波电感的桶高频阻抗与滤掘波电容的高频驳阻抗相比不能忽过低，即滤波脉电感的感值不逗能太小。为满菌足输出电压波网形质量，要求界一个采样周期释中，电感电流值的最大变化量竟小于允许的电掉感电流纹波加。在僚时，稍最大，此时有否：埋劈剪幸孕接（肤2萝）据2砌）电感电流蔬必须能跟踪上烘给定电流巾的变化爆，即幻。饱一宁旦眼不能跟踪敲的变化，输出壁电压的失真度随就会变大，严谋重时甚至导致侄系统异常工作秤。因此童不能过大，即胸恭着疏刘（坊3钢）词式中，刷为输出电压峰小值煎。段3.3DS侵P风的选取裹目前，随着计愿算机和信息产拌业的飞速发展胆，信号处理学怠科不但在理论再上，而且在方挣法上都获得了凤迅速发展。特催别是信号处理微器筑DSP(Di招gital煌Signal啊Proce浮ssor桨)结的诞生与快速惊发展，使各种蓝数字信号处理混算法得以实时切实现，为数字付信号处理的研脖究和应用打开悲了新局面。由疤于割DS姓P壳具有丰富的硬帮件资源、改进币的并行结构、聚高速数据处理磁能力，强大的误指令系统和日亚益提高的性价短比己经成为世僚界半导体产业塌中紧随微处理移器与微控制器裹之后的又一个勇热点，在通信女、航空、航天满、雷达、工业骑控制。网络及刑家用电器等各羊个领域得到了竟广泛的应用。伟本系统采用的艺数字信号处理写器投为苏TI(TEX约ASINS犹TRUMEN抛TS迁)产公司专为电机聋和电源等数字卵化控制而设计感的弱DS饲P饰（赤TMS涌320F布2407A阔）。这楚款舍DS乎P衡控制芯片有以田下特点茧：段1该）采用高性能司静步态烂CMO就S搁技术，使供电刘电压降涌为锤3.3V窄.真减小了控制器伏的功耗锋：牵40MIP么S冶的执行速度，译提高了控制器葛的实时控制能念力。烂2探）片内记有骤32能K挤字按的衡FLAS养H傍程序存储器积和间1.5蚀K样字的数魄据级/佩程惹序丹RAM,54虹4把字双甘口鉴RAM(DA楼SRAM抗)脚和兼2写K虏字的单迫口驶RAM(SA朵RAM池)抄。谨3雀）墙1种0嫌位碍A/密D惹转换器，最小补转换时间暴为逗375n凡S遗。可以以两呢个驻8件通道的双排序固方式采样，或宵一殿个碎1贿6收通道排序方式嫩采样。丹4妈）看门狗定时宽模货块鼓(WDT秘)绕。恨3.并4谋驱动电路的设苏计候隔离驱动电路列采肝用裕A312馆0旦光耦隔离型驱述动电路列，肾A312傻0糖结构框图及驱喜动电路结构如敞图聋5皆所示输。但A312视0悦是美国惠普公放司生产的用于螺驱仅动愿IGB臂T昼、宁MOSFE朴T浇器件的光电耦胜合器，该芯片肾内部集成有光酷耦、接口和功锋放单元，可驱液动激1200V/倦100A咳的舞IGB帖T店模块。该驱动谢芯片的主要特苗点为：尸（展1月）工作电源电童压范围宽介（再15爸V靠～盛30灿V凤）；岗（今2证）最小的输出步电流峰值倍2A寻；红（场3蝇）最大交换速谊度肉500n无s熄；锋（答4蝇）具有欠压锁甲定保护降（捕UVL语O省）功能；摧（垫5冷）输出与输入闷信号同相。委当输入信号为三高电平时巨，阔A312邀0宅输出为高电平蜡，由功放级已的忆NP半N邀晶体管放大后米输出，驱动功腐率器件；当输历入信号为低电颂平时过，愉A312竿0五输出为低电平针，功放级姑的论PN遮P页晶体管导通，垫功率器件极间局承受反向电压驴关断。趁图中挣，仁R绣的大小将影响披逆变器的开关判损耗，并且影批响功率开关的外关断尖峰大小娱以及逆变器的弦输出波形质量森。逆变桥选用售不同的功率开累关，应调整侧的大小，使逆勿变器获得最佳访的性能。图5逆变桥功率开关驱动电路图5逆变桥功率开关驱动电路A3120蛋3.师5岛采样电路宾在数字控制系叙统中燕，候DS丢P硬片低内饭A条/控D堂采样能够承受刷到输入电平范贵围篮为欣0散~菠3.3薄V渡，所以无法对果所需的控制量买直接进转行幼A厦/涉D级采样，因而通杨常需要把这些释量调理后，才膏能接汇至倾DS垃P巩第票A/扣D抄转换口。本系盖统采用的是电祸压电流双环控数制，所以包括河电压采样电路议和电流采样电领路。双在电压电流双锻闭环控制系统捏中，需采样逆祸变器的输出电阀压作为反馈量泻。为了满专足钥DS发P旱的锅A/塘D庙模块输入信号衣的要求，模拟柴量需要经过图握6眉所示的调理电脸路。爷电流采样电路闻和电压采样电舍路原理基本类怨似，只需把电佩压传感器换成劝电流传感器即黑可：电感电流胃经一电流传感据器得到与电感秩电流成正比的集电压信号，然比后经过调理电风路变换挖到绘0~3.3涌V曾，输入膏到息DS雪P坑的吓A/惰D僻模块采样口。图6电压采样电路图6电压采样电路+-++-+U13BU13ADT1ADCIN4+5+15-15走3.纯6豆保护电路舟输入过压和欠蜜压保护电路如向图失7谱所示，直流电肿压保护信号取愉自主电路输入晓电压，经电阻籍分压和光耦隔轧离后送入控制孩电路。利用光残电耦合器把各蒸种模拟负载与氧数字信号源隔侍离开来，也就机是助把湾“乳模拟夜地淋”栏与亲“宣数字尚地弦”川断开。经过光排耦的保护信号晚通过比较器分怠别与设定的最距大贞/吼最小电压值进冠行比较，如果报电压值超过限介定值，比较器程就输出低电平花。比较器的输竞出信号相与，仿所得的信号送崇入截DS霉P薄的肌PDPIN趣T程中断口。当器冒件引循脚杆PDPINT文(福电源驱动保护糊中岔断泡)备被拉低时，会霞产生一个外部赞中断，这个中青断是为系统的档安全操作提供屋的。如既果狮PDPIN橡T今未被屏蔽，船当沸PDPIN展T由引脚拉低以后军，所有咐的初PW着M非输出均为高阻读态。这样可以岂在过流等故障肆的情况下，把剑逆变器奖的调PW口M垒控制信号封苏死攻,胜关闭功率器件窑，从而实现对赖逆变器的保护宰。+-++-++-+输入电压欠压保护输入电压过压保护+15+15+15+15+15图7输入过压和欠压保护馋4女感元件参数计算带4.狸1套输出滤波电感胀L牵f夹、滤波电容姜C便f收的选取辜取表。滤波电容电兆流的有效值为科：债110娱%排负载时，负载鞠电流的有效值锐为逢容性负载时电唇感电流最大，逼因此电感电流掀有效值为彻其中，咬。考虑到滤波躬电感电流的脉谦动量，滤波电让感的电流峰值结为咳L头f存选钳用闻Mn-Zn组R2KB很D般型铁氧体材料裳铁暗心冒PM62*4当9杏，其磁路截面罢积梁窗口面积症，饱和磁感应垒强度质，选用蜂,穷滤波电感匝数荷为佩：医取创N抖=5漏5宋匝，气隙妈。按滤波电感睛电流有效值利选取导线，取坡,谨导线截面积谣，导线选用评0.衬1漆×蚕2束cm材的妄铜皮。窗口利眉用系数余，可以绕下。眨4.政2业变压器的设计清为了确保输出奉电酱压价u到o己的波形质量，顶防桑止斗u巾o谊的顶部出现平境顶失真，应满违足取，有说选用盐的硅钢铁心，局截面积为演，窗口面积池。因为硅钢片稀是由钢片叠加术而成，所以实抵际铁心截面积虫为桶。桥取变压器原边迈绕组为阿匝，副边绕组谎匝。袜因此装式中河为变压器激磁碌电流。取导线僻电流密度贫，有姻原边采用童的高强度漆包嘴线单层绕制，兽副边采用键的高强度漆包结线单层绕制。素窗口利用系数拐，醒可归以绕下。柔4.3岭功率开关的选后择骨MOSFE辈T祖的选择可以从谦器件的电压等阵级和电流等级改两个方面加以斧考虑。假定逆已变器最高直流哑输入电压为摩，则采用全桥挣逆变电路时每鲜个开关器件所贸承隆受的最高电压馋即为鸽。考虑电压尖请峰影响，实际钥开关器件所承骨受的最高电压启要比这个高得胀多，其大小与狸吸收电路吸收率电压尖峰的能浑力有关。在这寇里由于逆变器财最高直流输入丈电压贩为效52.8V肌,盾所以我们选用腾耐压等级限为务100滤V晴的顿MOSFET树.戚器件的电流等恢级要根据它所垫通过的最大峰修值电流来确定速。假定系统输贞出功率为潮，变压器的变睛比为景，假设系统的古过载系数蛾为睬1.杀5孙，逆变桥中每束个约MOSFE臣T妨电流应力为变给压器原边最大踢电流，则逆变茄桥中每缝个拥MOSFE将T政中流过的电流概峰值为：似此外，考虑电薄流纹波以及反鼓并联二极管反阁向恢复尖峰电吓流等因素的影增响，覆选静MOSFE户T睁的电流定额为戴150A徒。5仿真结果龄5.忽1敢驱动波形弦图狮8缎是状4猛个功率开关器旱件蛙MOSFET寿的驱动波形阵。图8驱动波形图8驱动波形扯由图护8听可以看鹊出融DS崖P运可以很好的输棕出功率管的驱本动波形。从波慧形看出，能满系足快速开关功奇率管的要求，腊并满足同一桥娘臂上两个开关分管的死区控制亚。嫁5.刃2拳功率开关器件乌两端的电压波沟形图9MOSFET管两端电压图9MOSFET管两端电压外5.品3仆逆变器输出波群形爽1命、撒空载时的波形图10空载波形图10空载波形联2建、短满载时的级波形拢（禁1鲜）应满载时逆变器哑的输出波形不下图是逆变器壶满载时的电压蝶波形，由或图漠1捷1神可知，逆变器舍输出电压非常溜接于正弦波形撇，其谐波含量男少，功率因数喂大，性能能达地到要求。图11输出波形图11输出波形适（买2劫）满载时电感挺中的电流波形图12电感电流波形图12电感电流波形6结论侮本文主要围绕旗数字控雄制膨SPW碎M围逆变器的硬件意设计以及数字闸控制系统硬件欲电路设计等方那面展开了研究万。论文的主要壳内容概述如下迹：镜1冷．介绍了三种再经典贡的座SPW维M育调制方式，包婆括双极随性炎SPW中M读调制法，单极贤性郑SPW闹M执调制法，倍频搞单极啄性绵SPW壁M捆调制法，通过尽比较和试验发图现单极性倍庄频考SPW孟M圆调制法相对于妇其他两种调制蛙方法，其谐波便含量更低，只美需要更小的滤上波器件就可以议达到很好的滤废波效果。在选呜择此种调制方仰式的基础上给煤出了系统的传呢递函数，分析拖了系统的稳定耻性和外特性。剑2秘．给出了系统牌的硬件结构框亮图，并设计了帖系统各个部分轿的硬件电路，租包括主电路，勒驱动电路，采圾样电路和保护竖电路，以及数喷字控制系统的叛硬件电路，并夜完成了数字控狮制电路部分聋的狠PC受B锁板的设计。畅3崖．在传统天的撑P矮I念调解器的基础仰上，给出了几辉种欧用室DS辞P贿完跪成象P欧I千算法的方法，呜发现增量眠式趋P投I叫算法可以使系分统获得更高的嫌精度和可靠性殖。给出了系统谦控制软件的流喂程图，包括主文程序流程图和盖中断程序流程寺图，在中断程颠序流程图中包指括了数介字瑞P绸I揉算法。酿4致．基凭于迷DS部P扮完成了数字控捷制醋SPW悉M矿逆变器的原理援试验，试验结耽果表明，数字觉控制在改善逆漏变器的动态和续稳态性能方面地也能获得良好度的效果。参考文献酿[1]谅沙占有，王彦热