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1、武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书13KVA 三相逆变器设计 1 概述随着各行各业自动化水平及控制技术的发展和其对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备（如通信电源、电弧焊电源、电动机变频调速器等）都不是直接使用交流电网作为电源，而是通过形式对其进行变换而得到各自所需的电能形式，它们所使用的电能大都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。当今世界逆变器应用非常广泛。逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，GTO
2、 等的发展和 PWM 的控制技术的日趋完善，使 SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM 控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽 PWM 法，正弦波 PWM 法（SPWM 法） ，磁链追踪型 PWM 法和电流跟踪型 PWM 法，其中利用 SPWM 控制技术做成的 SPWM 逆变器具有以下主要特点：（1）逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影
3、响。（2）可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，低次谐波减少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲的大大减少，扩大调速范围，提高系统性能。（3）组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构，由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于 1，且与输出电压大小无关。本次课程设计要完成的是设计容量为 3KVA 的三相逆变器。初始条件为：输入直流电压 220V。要求输出 220V 三相交流电，完成总电路的设计，并计算电路中各元件的参数。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书22 设计方案2.1 主电路结构选择逆变器主电路结构的选取应该遵循以下几个原则：应选用尽量少的开关器件，这样可以
4、提高系统的可靠性，并且降低成本；尽量减少逆变电源中的电容值、电感值和电容电感元件在逆变电源中的数量，这样可以减小整个逆变电源设备的体积，提高其可靠性，同时也应该降低设备的成本；电路拓扑结构应该有利于逆变电源最终输出电压中谐波的消除，输出电压频率及幅值的调节。鉴于以上诸项要求，本文所设计的逆变器主电路采用的是全桥式结构。2.2 方案论证在逆变器电路的设计中，控制方法是核心技术。早期的控制方法使得输出为矩形波，谐波含量较高，滤波困难，而 SPWM 技术较好地克服了这些缺点。SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）正弦脉宽调制技术：通过对一系列宽窄不等的脉冲进行
5、调制，来等效正弦波形（幅值、相位和频率）SPWM 容易实现对电压的控制，控制线性度好，本文所设计的逆变电源采用 SPWM 控制方式。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书3V14652DR三ucrUWNLd/C+-3 电路分析3.1 主电路图 3.1 是 SPWM 逆变器的主电路，图中 VlV6 是逆变器的六个功率开关器件，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压 U 供电。一组三相对称的正弦参考电压信号 由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内变化，决定输出电压的大小。三角载波信号 Uc 是共用的，分别与每
6、相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM 脉冲序列波 Uda，Udb，Udc 作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。3.1 电源电路当 UruUc 时，给 V1 导通信号，给 V4 关断信号，Uun =-Ud/2。Uuv的波形可由 Uun- Uvn得出，当 1 和 6 通时， Uuv=Ud，当 3 和 4 通时，Uuv=-Ud，当 1和 3 或 4 和 6 通时，Uuv=0。输出线电压 PWM 波由Ud 和 0 三种电平构成负载相电压 PWM波由(2/3)Ud,(1/3) Ud 和 0 共 5 种电平组成。防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成
7、短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的 PWM 波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书4VT231C三+-LR0.uF5UabDIA图 3.2 光电隔离器3.2 抗干扰电路本设计采用了光电隔离器，光电隔离器可以很简单将主回路的强电和控制回路的弱电相隔离，使主回路和控制回路更好的结合。光电隔离器的电路示意图如图 3.3 所示。3.3 逆变电路 逆变电路的作用是将直流电压转换成梯形脉冲波，经低通滤波器滤波后，从而使负载上得到的实际电压为正弦波，逆变电路是由 4 个 IGBT 管（VT1、VT2、V
8、T3、VT4）组成的全桥式逆变电路组成，如图 3.5 所示。图 3.3 逆变电路武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书5LviEVvtriMo12Ttrisv4 LC 滤波器参数的选取4.1 滤波电容 C 的设计滤波电容 C 的作用是和滤波电感一起来滤除输出电压中的高次谐波，保证输出电压的 THD 要求，从减小输出电压 THD 的角度考虑，C 越大越好。但从另一个角度来看，在输出电压不变的情况下，滤波电容 C 增大意味着无功电流的增加，增加了逆变器的电流容量，同时也将导致体积重量增加，降低系统效率。因此，滤波电容的选取原则是在保证输出电压的 THD 满足要求的情况下，取值尽量小。在滤波电容的选
9、取中，一般取其无功电流 , 为输出电流最大有效max5.0IocI值。按单相输出 3300VA，则输出电流最大有效值为：可得： Ac5.7I由于： CfVo12可得： 4.2 滤波电感 L 的设计输出滤波电路之所以能提高输出波形的质量，是因为逆变桥输出调制波形中的高次谐波主要降在滤波电感两端。因此要保证电容两端的谐波含量较低，滤波电感的高频阻抗与滤波电容的高频阻抗相比不能过低，即滤波电感的感量不能太小。此外滤波电感的增大，还会使电流变化变慢，系统的动态响应时间变长。而减小滤波电感，则可以改善电路的动态性能，但是会增大电感电流的脉动量。故选取电感值，要综合考虑。根据电路原理，若在电感两端施加一时
10、间为 的电压 ，则电感的电流变化量 可v1i表示 为：当正弦调制信号瞬时值为 是，输出脉冲宽度 为：m在稳定后的理想系统中，输出电压 可表示为:vofI1 AoP1230maxI武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书6AfLis 625.102362Emax AVPCfIi oooCL 2.221max maxmax.20LLiisLfEi2max 212trimstrimsoL LVvETvTlvi 在 时间内 S1 或 D1 导通，滤波电感的电流上升，其脉动量 为 Li从上式可以看出当 时，电流脉动最大。最大电流脉动 可以用下式算得：0V axLi 从上式可以看出，滤波电感上的最大谐波电流
11、 和电感 L 的值成反比。 maxLi根据工程经验一般取电感的最大脉动量不超过电感电流最大值的 20%，即： 4.3 滤波器谐振频率的选择对于单相双极性 SPWM 半桥逆变器而言，桥臂输出电压 中含有高次谐波，且它的rwv最低次位于开关频率的下边带处。滤波器的主要作用是滤除输出电压中的高次谐波，为了更好的滤除开关频率及附近频带的谐波，LC 滤波器的转折频率通常取在 1/10 开关频率一下；同时将滤波器的转折频率设在 10 倍基波频率以上，以保证轻载时不会在基波分量处发生谐振。本文中开关频率为 fs=16kHz.基波频率为 f1=50Hz,故 Lc 滤波器的转折频率 fn应满足：500Hz 1.
12、6kHznf4.4 滤波器参数确定综合考虑以上各因素，最后选出的滤波电感和电容的值如下:滤波电感 L=2mH滤波电容 C=24.7uf滤波电感上最大电流脉动 为：maxLi考虑极限情况，当逆变器带荣性满载时，在输出电压过零时刻，流过电感的点流瞬时值最大，该值为：武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书7%3.2510.265maxLi 电感电流最大脉动量占电流最大值的百分比为： 可见，该值超过了 20%（工程经验值） ，即电感的取值还应稍微偏大。5 心得体会两个周的电力电子课程设计3KVA 三相电压型逆变器设计就要结束了，虽然课程设计的时间比较短，但我却收获了很多值得总结和值得我铭记于心的知识和
13、认识。通过本次课程设计，我进一步了解了 PWM 控制技术的基本原理，以及它在逆变器中所起的作用。开始课程设计的时候，由于我们学的都是一些嵌入式方面的理论知识，牵涉到实际的我们几乎一无所知，所以我们组的成员都不知道该怎么入手，我们通过请教老师，以及上网查询等通道，终于顺利的完成数据采样系统的各方面设计。这样一个过程使我的理论知识得到了试验和应用，使我的理论知识得到了进一步的提高，对逆变器的基本工作原理和控制方法有较为清晰的认识。总之，这次课程设计不但让我学到了很多的东西，提高和巩固了多方面的知识，同时也增强了我的动手能力，这些并不是在课堂上可以学到的。在完成运动控制课程设计后,我发现我还有许多不
14、足,所学到的知识还远远不够，在以后的时间里我将继续对各方面的知识的学习。这次计算机控制技术课程设计顺利地完成了，在此期间，虽然我遇到了这样或那样的问题，但经过自己的努力和不懈探求，最终克服了种种难关。同时，它让我明白学习知识，不仅要掌握书本上的基本内容，还要灵活思考，善于变换，这样才能找到最优设计，达到事半功倍的效果。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践；才能使自己不被社会淘汰。要将理论和实践牢牢地结合在一起，只有这样我们才能取得更辉煌的成绩。武汉理工大学电力电子技术课程设计说明书8参考文献1 林渭勋，现代电力电子技术，机械工业出版社2 王兆安，刘进军 电力电子技术，机械工业出版社3 伊克宁 ，电力工程，中国电力出版社4 张力，现代电力电子器件，机械工业出版社5 陈伯时，电力拖动自动控制系统，机械工业出版社
