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1、文理学院课程设计报告课程名称： 专业综合课程设计 专业班级： 自动化10102班 学生：指导教师：完成时间： 2013年 6 月 15 日 报告成绩：评阅意见： 评阅教师 日期 2013.6.20 / 摘 要本次课程设计题目要求为三相PWM逆变器的设计。设计过程从原理分析、元器件的选取，到方案的确定以与Matlab仿真等，巩固了理论知识，基本达到设计要求。本文将按照设计思路对过程进行剖析，并进行相应的原理讲解，包括逆变电路的理论基础以与Matlab仿真软件的简介、运用等，此外，还会清晰的介绍各个环节的设计，比如触发电路、控制电路、主电路等，其中部分电路的绘制采用Proteus软件，最后结合Ma
2、tlabSimulink仿真，建立了三相全控桥式电压源型逆变电路的仿真模型，进而通过软件得到较为理想的实验结果。关键词：三相 PWM 逆变电路 Matlab仿真AbstractThe curriculum design subject requirements for the design of the three-phase PWM inverter. Design process from the principle of analysis, selection of components, to scheme and the Mat-lab simulation, etc., to co
3、nsolidate the theoretical knowledge, basic meet the design requirements.This article will be carried out in accordance with the design of process analysis, and the corresponding principles, including the theoretical foundation of the inverter circuit and introduction, using Matlab simulation softwar
4、e, etc., in addition, will also clearly introduces the design of every link, such as trigger circuit, control circuit, main circuit, etc., some of the drawing of the circuit using Proteus software, finally combined with Matlab Simulink, established a three-phase fully-controlled bridge voltage sourc
5、e type inverter circuit simulation model, and then through the software to get the ideal results.Keywords: Matlab simulation, three-phase ,PWM, inverter circuit前 言随着控制技术的发展和对设备性能要求的不断提高，许多行业的用电设备不再直接接入交流电网，而是通过电力电子功率变换得到电能，它们的幅值、频率、稳定度与变化形式因用电设备的不同而不尽一样。如通信电源、电弧焊电源、电动机变频调速器、加热电源、绿色照明电源、不间断电源、充电器等等，它
6、们所使用的电能都是通过对电网能进行整流和逆变变换后所得到的。因此，高质量的逆变电路已成为电源技术的重要研究对象。采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本一样。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电
7、力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以与各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。目 录摘 要IAbstractII前 言III第一章 三相PWM逆变器设计目的与要求11.1 课程设计目的11.2课程设计的要求1第二章 三相PWM逆变器的总体设计22
8、.1 PWM控制的基本原理22.1.1理论基础22.1.2面积等效原理22.2 PWM逆变电路与其控制方法42.1.1计算法42.1.2调制法42.3 PWM逆变电路的谐波分析52.3.1三相的分析结果5第三章 双闭环系统的设计73.1电流环采用比例积分调节器时的双环控制技术73.2实验结果73.2.1稳态试验波形83.2.2动态试验波形83.3结论9第四章 由IGBT构成的驱动电路设计104.1门极驱动IGBT简介与分析104.1.1 IGBT简介104.1.2 IGBT的动态特性分析114.1.3 IGBT的特性和参数特点11第五章 控制电路的设计135.1控制方式135.2给定积分器15
9、5.3电压调节器175.3电流调节器185.4触发电路18第六章 系统软件216.1 Matab简介216.2 Protel简介21总 结23参考文献24致 25附录一：MATlAB仿真设计26第一章 三相PWM逆变器设计目的与要求1.1 课程设计目的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、培养运用仿真工具的能力和方法。5、提高课程设计报告撰写水平。1.2课程设计的要求设计一个三相软pwm逆变器，包括主电路和控制回路。主电路由IGBT构成，控制回路包括给定积分器，电压调
10、节器，电流调节器，触发电路，检测电路与保护电路等。要求：1、 设计双闭环系统（电压闭环和电流闭环）2、 设计触发电路；3、 输出电压围为0380v可调，输出电流最大为40A，超过40A关闭触发器；4、 系统能稳定运行。第二章 三相PWM逆变器的总体设计2.1PWM控制的基本原理PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。本文主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术。2.1.1理论基础冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本一样。冲量指窄脉冲的面积。效果基本一样，是指
11、环节的输出响应波形基本一样。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。图2-1形状不同而冲量一样的各种窄脉冲2.1.2面积等效原理分别将如图2-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2-1a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2-1b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全一样。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成
12、N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。图2-3可以看到把半波分成N等份，就可以把正弦半波看成N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，然后把脉冲序列利用一样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使它们面积相等，就可以得到脉冲序列。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。图2-2 冲量一样的各种窄脉冲的响应波形图2-3 用PWM波代替正弦半波要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可2.2PW
13、M逆变电路与其控制方法目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。2.1.1计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。缺点：繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化2.1.2调制法输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就
14、得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。控制规律：正半周，通，断，和交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，和导通时，等于，关断时，负载电流通过和续流，=0，负载电流为负区间，为负，实际上从和流过，仍有=，断，通后，从和续流，=0，总可得到和零两种电平。负半周，让保持通，保持断，和交替通断，可得-和零两种电平。 图2
15、-4单相桥式PWM逆变电路2.3 PWM逆变电路的谐波分析使用载波对正弦信号波调制，产生了和载波有关的谐波分量。谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。分析方法：不同信号波周期的PWM波不同，无法直接以信号波周期为基准分析，以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式，分析过程相当复杂，结论却简单而直观。2.3.1三相的分析结果三相桥式PWM逆变电路采用公用载波信号时不同调制度a时的三相桥式PWM逆变电路输出线电压的频谱图如图2-5。在输出线电压中，所包含的谐波角频率为式中，n=1，3，5，时，k=3(2m-1)1，m=1，2，；6m +1，m =0，1，；n =2，4，6，时，k = 6m -1，m =1，2，。和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率c整数倍的谐波被消去了，谐波中幅值较高的是c2
