1、題目院系班級學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師完成時間電力電子技術(shù)課程設(shè)計三相橋PW睡變器的設(shè)計信息工程學(xué)院11自動化x班x高xx鄧文浪xword文檔可自由復(fù)制編輯 TOC o 1-5 h z 內(nèi)容摘要 3 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 設(shè)計內(nèi)容及要求 43設(shè)計原理及分析 5單元電路設(shè)計 10 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 主電路 10 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 控制電路 13 HYPERLINK l bookmark82 o Current D

2、ocument 濾波電路 15 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 系統(tǒng)整體布局 16仿真電路的調(diào)試與分析 16仿真電路調(diào)試過程 16 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 仿真電路調(diào)試結(jié)果 17設(shè)計電路總結(jié)與改進 19 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 參考文獻 20word文檔可自由復(fù)制編輯摘要隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，PWMJ術(shù)得到了迅速發(fā)展，SPWME弦脈寬調(diào)制法這項技術(shù)的特點是原理簡單，通用性強，具 有開關(guān)頻率固定

3、，控制和調(diào)節(jié)性能好，能消除諧波使輸出電壓只含有固定頻率的 高次諧波分量，設(shè)計簡單等一系列優(yōu)點，是一種比較好的波形改善法。它的出現(xiàn) 為中小型逆變器的發(fā)展起了重要的推動作用。SPWMJ術(shù)成為目前應(yīng)用最為廣泛的逆變用PW眼術(shù)。因此，研究SPW逆變器的基本工作原理和作用特性意義十 分重大。本文通過對逆變器的概念、設(shè)計技術(shù)、分類等方面的介紹，簡要描述了三相 無源電壓型逆變器的構(gòu)建方式及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同時，也簡要介紹了正弦脈寬調(diào)制技術(shù)。設(shè)計過程從原理分析、元器件的選取，到方案的確定以及Matlab仿真等, 鞏固了理論知識，基本達到設(shè)計要求。通過應(yīng)用Matlab軟件，構(gòu)建了一個使用無源型三相逆變電路供電的系統(tǒng)

4、， 并進行了仿真。在對獲得的仿真波形分析中，定性地討論了逆變器的兩個主要參 數(shù)一一載波頻率和輸出電壓頻率以及不同負(fù)載對系統(tǒng)仿真結(jié)果的影響。獲得以下結(jié)論：（一）在電壓輸出頻率一定的情況下，載波頻率的大小決定了每個周期內(nèi)的仿正弦脈沖個數(shù)，既決定了正弦波形的仿制質(zhì)量。（二）負(fù)載的感性功率對于正弦電壓的仿制并無太大影響。關(guān)鍵詞：三相逆變器正弦脈寬調(diào)制（SPWM術(shù)MATLAB仿真word文檔可自由復(fù)制編輯2設(shè)計內(nèi)容及要求設(shè)計背景及內(nèi)容三相逆變電路，是將直流電轉(zhuǎn)換為頻率相同、振幅相等、相位依次互差為120。交流電的一種逆變網(wǎng)絡(luò)。日常生活中使用的電源大都為單相交流電，而在工業(yè)生產(chǎn)中，由于諸多電力能量特殊要求

5、的電氣設(shè)備均需要使用三相交流電，例如三相電動機。 隨著科技的日新月異，很多設(shè)備業(yè)已小型化，許多原來工廠中使用的大型三相電氣設(shè)備都被改進為體積小、耗能低且便于攜帶的小型設(shè)備。盡管這些設(shè)備外形發(fā)生了很大的變化，其使用的電源類型 一一三相交流電卻始終無法被取代。在一些條件苛刻的環(huán)境下，電力的儲能形式可能只有直流電，如若在這樣的環(huán)境下使用三相交流電設(shè)備，就要求將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟ㄒ蟮娜嘟涣麟娨怨┦褂谩＿@就催生了三相逆變器的產(chǎn)生。設(shè)計任務(wù)及要求對三相橋式PWM逆變電路的主電路及控制電路進行設(shè)計，參數(shù)要求如下：直流電壓為100 V。三相阻感負(fù)載，負(fù)載中 R=2- ,L=1mH ,要求頻率范圍：10Hz1

6、00Hz。設(shè)計要求：.理論設(shè)計：了解掌握三相橋式PWM逆變電路的工作原理，設(shè)計三相橋式PWM逆變電路的主電路和控制電路。包括：IGBT電流，電壓額定的選擇驅(qū)動保護電路的設(shè)計畫出完整的主電路原理圖和控制原理圖.仿真試驗：利用MA TLAB仿真軟件對三相橋式 PWM逆變電路的主電路及控制電路進 行仿真建模，并進行仿真試驗。2.3設(shè)計目的(1)掌握PWM逆變電路的工作原理。(2)綜合運用所學(xué)知識，進行三相橋式PWM逆變電路和系統(tǒng)的設(shè)計。(3)熟悉三相橋式 PWM逆變電路的電路拓?fù)洹⒖刂品椒?。word文檔可自由復(fù)制編輯（4）掌握三相橋式 PWM逆變電路及系統(tǒng)主電路、控制電路和保護電路的設(shè)計方法。（5）

7、學(xué)會用仿真軟件對設(shè)計的原理圖進行仿真。（6）培養(yǎng)一定的電力電子電路及系統(tǒng)實驗和調(diào)試的能力。3設(shè)計原理及分析設(shè)計原理PWM （脈沖寬度調(diào)制）的原理PWM控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相 等而寬度不等的脈沖。 按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變逆變輸出頻率。PWM控制一一脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得 所需要波形（含形狀和幅值）理論基礎(chǔ)：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同PWM波形可

8、等效的各種波形， 例如：直流斬波電路可以等效直流波形；PWM波可以等效正弦波形；還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，也基于等效面積原理。用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波的方法： 正弦半波N等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等。這樣就可得到PWM波形。由上方法可知各脈沖的幅值相等，而寬度按正弦規(guī)律變化 。對于正弦波的負(fù)半周，也可用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM波形。度即可要改變等效輸出正弦波幅值時

9、，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬word文檔可自由復(fù)制編輯PWM的控制方法脈寬調(diào)制的控制方式從調(diào)制脈沖的極性上看，可分為單極性和雙極性之分：參加調(diào)制的載波和參考信號的極性不變，稱為單極性調(diào)制；相反，三角載波信號和正弦波信號具有正負(fù)極性，則稱為雙極性調(diào)制。本文中采用的是雙極性調(diào)制。用雙極性方式時，在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負(fù)，所得的PWM形也是有正有負(fù)。在 ur的一個周期內(nèi)，輸出的 PWM波只有iUd兩種電平，而 不像單極性控制時還有零電平。仍然在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制各開關(guān)的 通斷。在ur的正負(fù)半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。雙極性正弦

10、脈寬調(diào)制的輸出電壓u0(t)波形在02兀區(qū)間關(guān)于中心對稱、在0兀區(qū)間關(guān)于軸對稱，其傅里葉級數(shù)展開式為U0 t = Bnsinn tn =1,3,5._2 一戶 .(3-1)2E、頻率為fc的負(fù)脈Bn = u0 (t )sin ncotd (t式(2-5)中輸出電壓u0 (t)可看成是幅值為E,頻率為fo的方波與幅值為沖序列(起點和終點分別為的疊加。因此%,a 2口 3, .o A q p 2(3-2)則輸出電壓為qQU0 t = n 23,53在心(cosnacosnazjJsinnM nn j (3-3)輸出電壓基波分量U 01 (t)為U01 t =4E 1-Z (cosna2jcosna

11、2j Jsinn6t 哼|一(3-4)word文檔可自由復(fù)制編輯a2氏=2JI0 Esinn td t - Esinn td ta42p(Esin n6td (cot )| 一 Esin nwtd (cot)4E 二二1= 1 -Z (cosna2jJL -cosna2j ) nnj控制波形圖如下:Ou cU (dO-U d圖3.1.2 雙極性PWM控制方式波形設(shè)計電路三相橋式 PWM逆變器電路三相橋式逆變電路如圖所示，圖中應(yīng)用V1-V6作為逆變開關(guān)，也可用其它全控型器件構(gòu)成逆變器，若用晶閘管時，還應(yīng)有強迫換流電路。從電路結(jié)構(gòu)上看，如果把三相負(fù)載看成三相整流變壓器的三個繞組，那么三相橋式逆變電

12、路猶如三相橋式可控整流電路與三相二極管整流電路的反并聯(lián)，其中可控電路用來實現(xiàn)直流到交流的逆變，不可控電路為感性負(fù)載電流提供續(xù)流回路，完成無功能量的續(xù)流和反饋， 因此VD1VD6稱為續(xù)流二極管或反饋二極管。word文檔可自由復(fù)制編輯制制路調(diào)控電UN三相負(fù)載 /sc圖3.1.2三相橋式逆變電路逆變器的工作原理在三相橋式逆變電路中，各管的導(dǎo)通次序同整流電路一樣，也是T1、T2、T3T6、T1各管的觸發(fā)信號依次互差60 o在180導(dǎo)通型的逆變電路中，任意瞬間都有三只管子導(dǎo)通，各管導(dǎo)通時間為180 ,同一橋臂中上下兩只管子輪流導(dǎo)通，稱為互補管。在120。導(dǎo)通型逆變電路中，各管導(dǎo)通120 ,任意瞬間只有不

13、同相的兩只管子導(dǎo)通，同一橋臂中的兩只管子不是瞬時互補導(dǎo)通，而是有 60的間隙時間，當(dāng)某相中沒有逆變管導(dǎo)通時，其感性電流經(jīng)該相 中的二極管流通。kJ-3O *多LnnnrLrLnjLJLJLrwhrLTULJLJLrLrLnrT二 h 叩nm”E -1H UUUUUUU IMl圖 3.1.3word文檔可自由復(fù)制編輯圖3.1.3中的uao、ubo與uco是逆變器輸出端 a、b、c分別與直流電源中點o之間的電壓，。點與負(fù)載的零點。并不一定是等電位的，uao等并不代表負(fù)載上的相電壓。令負(fù) 載零點。與直流電源中點o之間的電壓為uoo,則負(fù)載各相的相電壓分別為(3-5)tfAO =貝-00 It BO

14、= eJtQO ! co =將式(3-1)中各式相加并整理后得UAO一般負(fù)載三相對稱，則 uao+ubo+uco=0,故有、(3-6)由此可求得a相負(fù)載電壓為AO ”月丁+/+/)(3-7)在圖3.1.3中繪出了相應(yīng)的負(fù)載 a相電壓波形，ubo和uco波形與此相似。3.1.3.3 脈寬調(diào)制的制約條件根據(jù)脈寬調(diào)制的特點，逆變器主電路的功率開關(guān)器件在其輸出電壓半周內(nèi)要開關(guān)n次。如果把期望的正弦波分段越多，則n越大，脈沖波序列的脈寬 8 i越小，上述分析結(jié)論的準(zhǔn)確性越高，SPW械的基波就更接近期望的正弦波。但是，功率開關(guān)器件本身的開關(guān)能 力是有限的，因此，在應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)時必然要受到一定條件的制約

15、，這主要表現(xiàn)在以下兩個方面。3.1.3.4功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率各種電力電子器件的開關(guān)頻率受到其固有的開關(guān)時間和開關(guān)損耗的限制，全控型器件常用的開關(guān)頻率如下：雙極型電力晶體管(bjt)開關(guān)頻率可達15khz,可關(guān)斷晶閘管(gto)開關(guān)頻率為12khz ,功率場效應(yīng)管(p-mosfet)開關(guān)頻率可達50khz，而目前最常用的絕緣柵word文檔可自由復(fù)制編輯雙極晶體管(igbt)開關(guān)頻率為520khz。定義載波頻率ft與參考調(diào)制波頻率fr之比為載波比n(carrier ratio) ,即N = (3-11)相對于前述SPW腋形半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)n來說，應(yīng)有n=2n。為了使逆變器的輸出盡量接近正弦波

16、，應(yīng)盡可能增大載波比，但若從功率開關(guān)器件本身的允許開關(guān)頻率來看，載波比又不能太大。n值應(yīng)受到下列條件的制約：(3-12)功率開關(guān)器件的允許開關(guān)頻率最高的正弦調(diào)制信號頻率式(3-12)中的分母實際上就是SPW座頻器的最高輸出頻率。3.1.3.5最小間歇時間與調(diào)制度為保證主電路開關(guān)器件的安全工作，必須使調(diào)制的脈沖波有個最小脈寬與最小間歇的限制，以保證最小脈沖寬度大于開關(guān)器件的導(dǎo)通時間ton ,而最小脈沖間歇大于器件的關(guān)斷時間toff 。在脈寬調(diào)制時，若 n為偶數(shù)，調(diào)制信號的幅值 urm與三角載波相交的兩點恰 好是一個脈沖的間歇。為了保證最小間歇時間大于toff ,必須使urm低于三角載波的峰值ut

17、m。為此，定義 urm與utm之比為調(diào)制度 m即u31 =工5(3-13)在理想情況下，m值可在01之間變化，以調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的大小。實際上， m總 是小于1的，在n較大時，一般取最高的 m=0.80.9。word文檔可自由復(fù)制編輯4單元電路的設(shè)計及仿真4.1主電路4.1.1主電路的設(shè)計圖5是三相橋PWM逆變器的主電路設(shè)計圖。圖中V1-V6是逆變器的六個功率開關(guān)器件，各由一個續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個逆變器由恒值直流電壓U供電。一組三相對稱的正弦參考電壓信號由參考信號發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率，應(yīng)在所要求的輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)。參考信號的幅值也可在一定范圍內(nèi)變化，決定輸出電壓的大

18、小。 三角載波信號Uc是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn) 生SPWM脈沖序列波。Uda, Udb, Udc作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制信號。圖5 SPWM逆變器的主電路設(shè)計圖當(dāng)U川Uc時，給V1導(dǎo)通信號，給V4關(guān)斷信號，Uun，= _Ud/2Uuv的波形可由UunUv/得出，當(dāng)1和6通時，Uuv =Ud，當(dāng)3和4通時，Uuv=-Ud, 當(dāng)1和3或4和6通時，Uuv=0o輸出線電壓PWM波由U d和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電 壓PWM波由(2/3) Ud , ( 1/3) Ud和0共5種電平組成。防直通的死區(qū)時間同一相上下兩臂的驅(qū)動信號互補，為防止上下臂直通而造

19、成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時間決 定。死區(qū)時間會給輸出的 PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。word文檔可自由復(fù)制編輯4.1.2主電路的仿真根據(jù)以上設(shè)計及設(shè)計原理圖，可通過 MATLAB的simulink做出主電路的仿真圖如下Conlinijous_L IGQT2* 1iasTi4Vnlisge Mosuramenta 與區(qū)內(nèi),r-ii0.IIGBT5口唱用?？诓房趘as-ifl*i4-D-Tlhree-PhaseScries RLC BranchlA Aai-lMd1 Th*段特扇eSeries FtLC BranchDC Vcll

20、AQC 5(kul-T S J_ EDC VolffrQe S4Jf 1+Szr-IGBT Diodes圖4.1.2主電路仿真圖其中所帶負(fù)載為三相阻感負(fù)載，電阻R=2 Q ,電感L=1mH 。具體參數(shù)設(shè)置如下:圖4.1.3 RL負(fù)載及DC的電壓值參數(shù)設(shè)置word文檔可自由復(fù)制編輯其中IGBT及二極管的參數(shù)設(shè)置如下圖:圖4.1.4二極管及IGBT的參數(shù)設(shè)置控制電路控制電路的設(shè)計控制電路原理如下：據(jù)自然采樣法，三個互差120。的正弦波與高頻三角載波進行比較，每路結(jié)果再經(jīng)反相器產(chǎn)生與原信號相反的控制波，分別控制上下橋臂IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷。PWM是六個VT管子的觸發(fā)信號，此信號是通過調(diào)制信號（即正弦

21、波）和載波（三角波）的比較得到的，分析 丫11管的通斷情況：當(dāng)正弦波 U比三角載波 山大的時候比較器輸出 1, VTi導(dǎo)通，否則，比較器輸出 0, VT關(guān)斷。同理VT4導(dǎo)通情況只要與VT 反相即可。這樣產(chǎn)生的六路 SPWM波分別控制六個IGBT的通斷，從而在負(fù)載端產(chǎn)生與調(diào)制波同頻的三相交流電。圖中的三角載波用 S函數(shù)產(chǎn)生。word文檔可自由復(fù)制編輯圖4.2.1控制電路PWM波生成原理簡圖4.2.2控制電路的仿真根據(jù)以上設(shè)計及設(shè)計原理圖,可通過MATLAB的simulink做出控制電路的仿真圖如下:Continuouspo virerguiSine Wbv#Rel ation is I Oper

22、atorA NOT -LexicalOperator號 i n 電 Wavi& lSineR2口自白lie白 SequenceRelational-Operator 1RelationalOpeotcMSMOTL-OS8PgLexical口 p#皿 SScope!圖4.2.2.1控制電路仿真圖word文檔可自由復(fù)制編輯對三角波發(fā)生器及正弦波發(fā)生器設(shè)置參數(shù)如下:B Sourct Block Paranteters: Repea.RepeM詡 taibh 何出)UH)ftrtpirt a repeat ins se(Ufn)ce 冰 rumberf specified in a 他k of tii

23、rvilue pain;Values of hm fhuld be inctorucally iireuing.ParaitunTlm values:0 1/500(1/4 1/5000/2 3/5000/41/M0D)Oiitjnrt values:0 10-1 001 Csicel Help圖4.2.2.2控制電路參數(shù)設(shè)置圖濾波電路濾波電路串聯(lián)在三相整流橋及負(fù)載之間，本文采用的是用電感直接濾波，其中L為工AConnection Port3Connection PortThree-PhaseSeries R.LC Branch?Connection Portl ConnectionPort5

24、頻電感，電感量可選為 12mH為減小噪聲，選閉合鐵芯，如 OD型硅鋼鐵芯（400Hz）或 鐵粉芯鐵芯。圖4.3濾波電路仿真圖word文檔可自由復(fù)制編輯4.5系統(tǒng)整體布局最后根據(jù)以上電路的結(jié)合，可得電路的整體布局如圖4.5所示:0舒一自一居占-a?B號M-K罡：.7二逑.臂El$1.FE曲耳18Hmt-3-精OL,1-厘lpuS在慰臺宅U6J0 y 患車?yán)風(fēng)二名rL.屎瑞界八二aEbwd圖4.3.1總體布局仿真圖5仿真電路及的調(diào)試及結(jié)果分析5.1仿真調(diào)試過程word文檔可自由復(fù)制編輯(1)組裝主電路及濾波電路。(2)進行控制電路的組裝和調(diào)試。(3)調(diào)試波形并驗證波形的正確性。(4)調(diào)整載波頻率及調(diào)制波頻率，并分別觀察其變化對于系統(tǒng)電路波形 的影響。5.2仿真調(diào)試結(jié)果在仿真中，在整流橋的輸出和變壓器的輸出加上了電壓測量模塊，并將測量顯示在了一個示波器模塊上。仿真時間設(shè)定為 0.1s o如圖1所示