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1、电力电子课程设计三相电压型交直交变频器的设计与仿真专业班级： 姓名： 学号： 指导老师： 1前言变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。静止式变频器从变换环节分为两大类：交-直- 交变频器和交 -交变频器。交-交型变频器：它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同） ，又称直接式变频器。由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的 1/31/2,所以不能高速运行。
2、交-直 -交型变频器：交 -直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直- 交变频器是目前广泛应用的通用变频器。它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种。 由于传统能源的枯竭，各国对环境保护的重视以及现存电力系统的种种弊端，分布式发电将在未来的供电系统中发挥越来越重要的作用。但是分布式发电技术发出的电都不是与电网供电系统相同的交流电，无法与大电网联网或者直接供给普通负载使用，都需要变频装置将其换成负载可以使用的电流或者大电网电压、频率相匹配的工频交流电。因此，针对特定的分布式发电技术研究与其相匹配的变频器就很有必
3、要。现代电源技术是应用电力电子半导体器件、综合自动控制、微处理器技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。变频器是由整个电路构成交流一直流一交流一滤波的变频装置，得到了广泛应用。变频器不仅能模拟输出不同国家的电网指标，而且也为出口电器厂商在设计开发、生产、检测等应用中提供纯净可靠的、低谐波失真的、高稳定的电压和频率的正弦波电源输出。变频电源是非常接近于理想的交流电源，可以输出任何国家的电网电压和频率。变频电源的优异特性：1. 变频调速系统自身损耗小，工作效率高。2. 电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。3. 可实
4、现软启动、制动功能，减小启动电流冲击。4. 电压平滑性好，效率高。5. 调速范围较大，精度高6. 体积小，便于安装、调试。现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件 IGBT 或功率模块 IPM 组成的 PWM 逆变器构成交-直-交电压源型变压变频器，目前已经占领了全世界 0.5500kVA 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。在本2次设计中也采用电压型变频器。目录第一章 课程设计任务 .31.1 设计目的 .31.2 设计要求 .31.3 设计内容 .3第二章 变频器方案论证 .42.1 变频器的原理框图及组成部分 .42.2 各模块分析及方案选择 .42.2.1 电源选择 .
5、42.2.2 整流、滤波模块方案选择 .42.2.3 逆变模块方案 .52.2.4 控制、驱动电路方案 .62.2.5 SPWM 产生方案 .72.3 主电路原理 .9第三章 主回路元件选择 .113.1 不可控整流电路器件选择 .113.2 逆变电路器件的选择 .12第四章 驱动电路 .13第五章 保护电路设计 .145.1 过电压的产生与保护 .145.1.2 欠压保护 .145.2 过流保护 .155.3、缓冲电路 .16第六章 PWM 控制策略 .18第七章 Matlab 仿真 .22总结 .24【参考文献】 .253第一章 课程设计任务1.1 设计目的电力电子技术课程设计是电气自动化
6、工程专业学生在整个学习过程中一项综合性实践环节，复习和巩固本课程及其他课程的有关内容，对学生的实践能力的培养和实践技能分训练具有相当重要的意义。通过设计使得获得电力电子技术必要的基本理论、基本分析方法以及基本技能的培养和训练，为学习后续课程以及从事与电气工程及其自动化专业有关的技术工作和科学研究打下一定的基础，也便于学生加深理解和灵活运用所学的理论，提高学生独立分析问题、解决问题的能力，为毕业后的工程实践打下良好的基础。1.2 设计要求三相电压型交直交变频器设计与仿真，输入线电压 340V420V，交流输出功率 10KW，最大交流输出线电压 380V，输出频率 60HZ，稳态精度小于 2%，频
7、率稳定度小于 0.5%，正弦交流输出电压畸变率小于 5%。1）掌握空间矢量调制或载波调制；2）控制输出电压 , , ; 3）元件选型依据。4）负载中，具有三相不控整流设备。1.3 设计内容要求学生在深入学习和分析三相电压型交直交变频器的组成和工作原理的基础上，完成主要电路和驱动保护电路的硬件设计和元件选型，并在MATLAB SIMULINK 平台上，完成谐波电流检测算法、直流电压和输出电流控制的仿真。4第二章 变频器方案论证2.1 变频器的原理框图及组成部分交直交电路是先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，也称为间接交流变流电路。间接交流变流电路可分为两类，一类是输出电压和频率均可变
8、的交直交变频电路（简称 VVVF 电源） ，主要用作变频器。另一类是输出交流电压大小和频率均不变的恒压恒频（CVCF 电源） ，主要用作不间断电源。交直交变频也称间接变频，间接变频装置先将工频交流电通过整流器变成有纹波的直流电，然后经过电容滤波得到平直的电压波，再经过逆变器将直流电变换成可控频率的交流电，因此又称为有中间直流环节的变压变频装置。变频电源由控制电路、驱动电路、主电路组成。主电路基本上由整流器、中间直流环节和逆变器 3 大部分组成。其原理框图如下：主电路控制电路图 1 变频器原理框图2.2 各模块分析及方案选择2.2.1 电源选择 供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，
9、小功率的多用单相 220V，中大功率的采用三相 380V 电源。因为本设计中电源要求为 340V420V。 三相电源整流电路滤波电路逆变电路主电路电流 检 测输出滤波8051 单片机SPWM 波生成芯片隔离驱动52.2.2 整流、滤波模块方案选择整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电。方案一 、三相半波可控整流电路特点：电路结构简单，只用三只晶闸管，故电路经济。且变压器二次侧接成星型得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。但其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用极少。方案二、利用三相桥式全控整流虽目前应用最广泛的是这种整流方式，可精确控制输出电压，输出脉波数比三相半波整流多了
10、一倍，这就使得滤波电路的参数减小了一倍，但是电网端功率因素较低。但是本次设计任务是变频，控制部分主要是逆变电路，为简化电路故不采用此方法。方案三、三相桥式不可控整流直接用不可控的整流二极管整流，得到直流电压，克服了方案二中的功率因素低的缺点，它可以使电网的功率因数接近1。电路中比三相全波少了控制电路，电路结构相对简单、经济。故采用不可控的整流二极管整流。电路图如下：图 2 整流电路图滤波电路：因在本设计中采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。2.2.3 逆变模块方案逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。在设计中采用三6相桥逆变，开关器件选用全控型开关管 IGBT。从变频电源的性质上看，又可以分为电压源型变频器和直流电源型变频器两大类。对于交直交变频装置，两类变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。图3 滤波器方案一，电流型变频器，如图（b）, 电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。 ，输出交流电流是矩形或阶梯波。给负载供电时，容易实现回馈制动，便于四象限运行，适用于需要制动和经常正反转的负载。方案二，电压型变
