《三相电压源型SPWM逆变器的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三相电压源型SPWM逆变器的设计（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、20112012 学年 第 2 学期电力电子技术课程设计报告题 目：三相电压源型SPWM逆变器的设计 专 业：电气工程及其自动化班 级：09电气工程及其自动化姓 名：指导教师：电气工程系2012 年 5 月 12 日任务书课题名称三相电压源型SPWM逆变器的设计指导教师（职称）执行时间20112012学年第2学期 第12周学生姓名学号承担任务电气原理图绘制，排版设计目的1. 培养文献检索的能力，特别是如何利用图书馆及 Interne查阅需要的文献资料；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. 提高学生课程设计报告撰写水平。设计要求1. 设
2、计体现有源逆变在工程上的应用；2. 有源逆变的主电路图使用Protel软件绘制；3. 使用Matlab软件进行仿真；目录摘要错误!未定义书签。1设计原理 21.1 SPWM 控制基本原理 21.2 逆变电路 21.3 三相电压型桥式逆变电路 32设计方案 52.1 逆变器主电路设计 52.2 脉宽控制电路的设计 62.2.1 SG3524 芯片 62.2.2 利用 SG3524 生成 SPWM 信号 72.3 驱动电路的设计 92.3.1 IR2110 芯片92.3.2 驱动电路 93软件仿真 103.1 Matlab 软件 103.2 建模仿真 1 14心得体会 12参考文献 15附录 16
3、摘要本次课程设计题目要求为三相电压源型SPWM逆变器的设计。设计过程从原理分析、 元器件的选取，到方案的确定以及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 基础以及Matlab仿真软件的简介、运用等，此外，还会清晰的介绍各个部分电路以及元器 件的取舍，比如驱动电路、抗干扰电路、正弦信号产生电路等，其中部分电路的绘制采用 了 Prote软件，最后结合MatlabSimulin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 电压源型 逆变电路Mat lab仿
4、真三相电压源型 SPWM 逆变器的设计1 设计原理1.1 SPWM 控制原理分析PWM(Pulse Width Modulation) 控就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过一系列脉 冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术最重要的理论基础是面 积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM控制技术是PWM控制技术的主要应用，即输出脉冲的宽度按正弦规律变化而 和正弦波等效。1.2 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、
5、VT3、VT4)组成的 全桥式逆变电路组成，如图 1 所示。图 1 逆变电路当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连 接时，称为无源逆变。此外，逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是 电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。本次课程设计任 务要求为电压型逆变电路的设计。1.3 三相电压型桥式逆变电路用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最为 广泛的还是三相桥式逆变电路。采用 IGBT 作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图2 所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。图 2 三相电压型桥式逆
6、变电路电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的两个电容 器并标出假想中点N。和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本 工作方式也是180。导电方式，即每个桥臂的导电角度为180。，同一相（即同一半桥）上下 两个臂交替导电，各相开始导电的角度以此相差120。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂 同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因 为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。对于U相输出来说,当桥臂1导通时,u = U /2，当桥臂4导通时，u二-U ,
7、/2。因此，u的波形是幅值为U /2的矩形波。UN dUN -dundV、W两相的情况和U相类似，u 、u 的波形形状和u相同，只是相位依次差120。VN WNUN负载线电压可由下式求出：u u uUV UN VNu u uVWVNWNu u uWUWNUN设负载中点N与直流电源假想中点N之间的电压为u，则负载各相的相电压分别为:NNu u uUNUNNNu u uVNVNNNu u uWN WN NN三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图 3 所示。面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出线电压展开成傅里叶级数得：U 二UV冗2、3d (sin3t - sin5t - sin7t +
8、 丄sinllet57112. y 1/ - sin et + 乙 一(一 sin netnn式中，n = 6k土 1, k为自然数。输出线电压有效值U为UVUUV12兀J u 2det = 0.816U2兀uvd基波幅值U和基波有效值u分别为UV1mUV 1UUV lm兀2 3d = 1.1U ； U=U UY1n = - U = 0.78Ud UV 1讨；2冗 dd接下来，我们再对负载相电压u进行分析。把u展开成傅里叶级数得UNUN2U111u =& (sin et + sin 5et + sin 7et +sinllet +)un 兀5711(sinet + 丫 1sinnwt)兀nn式
9、中，n = 6k土 1，k为自然数。负载相电压有效值U为UN12兀U = J u 2det 二 0.471UUN2兀UNdY 0UN1mU =巴=0.637U ；UN1m兀d基波幅值U和基波有效值U 分别为UN1U =U UNlm = 0.45UUN 1弋 2d2 设计方案2.1 逆变器主电路设计图 4 是 SPWM 逆变器的主电路设计图。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U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 c出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内
10、变化，决定输出电压的大小。三角 载波信号U是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生cSPWM 脉冲序列波。 U ，U ，U 作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。da db dc当U U时，给V1导通信号，给V4关断信号，U ,=-U /2。U的波形可 rucunduv由U -U，得出，当1和6通时，U = U，当3和4通时，U =-U，当1和3或4和 unvnuvduvd6通时，U =0。输出线电压PWM波由U和0三种电平构成负载相电压PWM波由(2/3) U， uvdd(1/3) U 和 0 共 5 种电平组成。d图4 SPWM逆变器的主电路设计图防直通的死区
11、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。2.2 脉宽控制电路的设计2.2.1 SG3524 芯片SG3524芯片是集成PWM控制器，其引脚图和内部框图分别如图5、图6所示。反同振荡流 限 制流 限 制图 5 SG3524 引脚图129451076VI+图 6 SH3524 内部框图SG3524 工作过程是这样的：直流电源 Vs 从脚 15 接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的 输入端，产生稳定的+ 5V基准电压
12、+5V再送到内部（或外部）电路的其他元器件作为 电源。振荡器脚6须外接电容CT,脚6须外接电阻RT。振荡器频率f由外接电阻RT和电 容CT决定，f=1.18/RTCT。振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发 器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相端，比较器的反向端接正弦波调 制信号，通过芯片内置的比较器完成载波和调制波的比较，产生SPWM信号。222利用SG3524生成SPWM信号2.2.2.1 调制波及载波的产生正弦波信号u t由函数发生器ICL8038产生。12正弦波的频率由R、1将R、R都用可12调电阻，R和R是用来调整正弦波失真度用的。2通过查询资料得知，当
13、f=50Hz时，取R +R =9.7KQ，其中C=0.22卩F。12正弦波信号产生后，一路经过精密全波整流，得到正弦波Ur，另外两路得到与正弦波 同频率、同相位的方波和三角波。ICL8038的引脚图如图8所示。NCFNBLASC12 Sl ADJt-t-rsin oirr 2lEib r 5图8 ICL8038引脚图载波可以是等腰三角波或者锯齿波，由于 SH3524 可以直接产生锯齿波，所以，直接 用 SG3524 本身产生的锯齿波作为载波即可。2.2.2.2 SPWM 信号的产生ICL8038产生的正弦波u与IV基准经过加法器后得到u ,u输入到SG3524的脚1,r d d脚 2 与脚 9 相连，这样 u 和锯齿波将在 SG3524 内部的比较器进行比较产生 SPWM 信号。 d左电桥的控制信号可以由正弦信号与直流电压通过电压比较器产生，本次课程设计采用 LM339 芯片，其引脚图如图 9 所示。图9 LM339引脚图LM339 集成块内部装有四个独立的电压比较器，可以任意选用，该电压比较器主要有 以下几个特点：1）失调电压小，典型值为 2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V,双电源电压为1V
