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1、武汉理工大学电工电子综合课程设计说明书3KVA逆变器设计课程设计任务书2武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电气1007班 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 3KVA三相逆变器设计初始条件：输入直流电压220V。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）设计容量为3KVA的三相逆变器，要求达到：1、输出220V三相交流电。2、完成总电路设计。3、完成电路中各元件的参数计算。时间安排：6月5日 6月6日：完成选题，领取设计任务书，查阅相关资料，规划总体设计方案；6月7日 6月11日：完成电力电子装置
2、的具体设计方案，包括参数设计、器件选取等；6月12日 6月14日：整理资料，完成设计论文撰写。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要11 设计意义及要求21.1 设计意义21.2 设计要求22 方案设计32.1 设计原理及思路32.1.1逆变电路32.1.2 三相逆变原理介绍42.1.3 SPWM逆变电路原理及其控制方法52.1.4 设计思路82.2 方案设计与选择82.2.1 逆变电路选择82.2.2 SPWM采样方法选择103 部分电路设计113.1 IGBT三相桥式逆变电路113.2 脉宽控制电路的设计123.2.1 SG3524芯片123.2.2 调制
3、波及载波的产生133.3 驱动电路的设计143.3.1 IR2110芯片143.3.2 驱动电路143.4 LC滤波153.5 变压器升压模块164 系统元件有关参数的计算174.1 开关管和二极管的选择174.2 L、C 滤波器的设计174.3 变压器参数设计185 基于MATLAB的原理仿真19结束语22参考文献24摘要本次系统设计的是一个输入220V直流，输出电压220V，容量为3KVA的电压型三相逆变器，该三相逆变器是基于DSP的SPWM调制设计。系统硬件部分包括辅助电源模块，IGBT三相逆变桥模块，三相逆变驱动模块，电压检测模块，过流检测模块，后级升压滤波模块，DSP最小系统。系统的
4、SPWM波是由DSP专门的PWM口产生的，该系统的软件部分的SPWM波是采用的规则采样法。在本次设计中，查阅许多逆变器方面的资料，有感先进的功率器件及逆变控制器件对电力电子技术进步的推动作用，大大简化设计，极大提高系统的可靠性，达到以往设计无法达到的技术指标。由于时间有限，无法对SVPWM逆变电路进行研究，而是采用正弦SPWM技术，实现了220V直流电到220V正弦交流电3KW的逆变，并且输出电压还可以在一定范围内调整。关键词： DSP、逆变器、IGBT、SPWM1 设计意义及要求1.1 设计意义与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。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
5、交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。逆变电路应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池，干电池，太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电动机调速用变频器，不间断电源，感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。有人甚至说，电力电子技术早期曾处在整流器时代，后来则进入逆变器时代。逆变电路在电力电子电路中占有十分突出的位置，当今世界逆变电源应用非常广泛，需求量逐年递增。逆变电源技术的核心部分是逆变器和其控制部分。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，但其含有较大成分低次
6、谐波等缺点，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 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众所周知。虽然在控制方法上已经趋于成熟，但有些控制方法实现起来仍很困难。随着开关频率的提高，会引起开关损耗的增加，逆变效率和直流利用率的降低，因此，对逆变电源技术进行深入地研究有很大的现实意义。1.2 设计要求初始条件：输入直流电压220V。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）设计容量为3KVA的三相逆变器，要求达到：1、输出220V三相交流电。2、完成总电路设计。3、完成电路中各元件
7、的参数计算。2 方案设计2.1 设计原理及思路2.1.1逆变电路逆变，是对电能进行变换和控制的一种基本形式，现代逆变技术是综合了现代电力电子开关器件的应用、现代功率变换技术、数字信号处理（DSP）技术、模拟和数字电子技术、PWM技术、频率和相位调制技术、开关电源技术和控制技术等的一门综合性技术。已被广泛地用于工业、军事或民用领域的各种功率变换系统和装置中。自从50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到理想目标做出了不懈的努力，并已取得了世人瞩目的成就。60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到lkHz以上。70年代中期，高功率晶体管和功率MOS
8、FET问世，功率器件实现了场控功能，使高频化成为可能。80年代，绝缘门极双极型晶体管（IGBT）问世，它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。IGBT的迅速发展，又激励了人们对综合功率MOSFET和晶闸管两者功能的新型功率器件MOSFET门控晶闸管的研究。现在许多国家已能稳定生产8000V/4000A的晶闸管。日本现在已能稳定生产8000V/4000A和6000V/6000A的光触发晶闸管（LTT）。美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在高压直流（HVDC）、静止无功补偿（SVC）、大
9、功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍然占有十分重要的地位。目前，GTO的最高研究水平为6000V/6000A以及9000V/10000A。这种GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了GTO导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。由于GTO具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步取代SCR。为了满足电力系统对lGVA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有可能开发出10000A、12000V的GTO，并有可能解决30多个高压GTO串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统中的应用再上一个台阶。IGCT可以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地用于0.310MVA变流器，
10、而不需要串联或并联。如用串联，逆变器功率可扩展到100MVA而用于电力设备。虽然高功率IGBT模块具有一些优良的特性，如能实现di/dt和dv/dt的有源控制、有源箝位，易于实现短路电流保护和有源保护等，但是，高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，使高功率IGBT模块在高功率低频变流器中的实际应用受到限制。因此可以认为，在大功率MCT问世以前，IGCT将成为高功率高电压低频变流器，特别是在电力工业应用领域中的优选大功率器件。功率变换技术是现代逆变系统中最重要的技术，决定着逆变器的性能。功率变换技术研究的目标主要是：节约能源，提高效率，同时减小变换器的大
11、小和减轻变换器的重量，降低谐波失真和成本；而在电机传动应用中，有时还要求高的精度，快速响应，宽的输出电压、电流或频率的调节范围等。功率变换技术的发展大致可分为三个阶段：第一阶段，是应用二极管和晶闸管的不控或半控强迫换流技术;第二阶段，主要是应用自关断器件，例如GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等和普遍采用PWM控制技术;第三阶段，是以采用软开关、无损缓冲电路、功率因数校正、消除谐波和考虑电磁兼容为特征。传统的逆变器采用模拟电路控制，模拟控制存在着一些不可避免的缺点：模拟控制需要大量的分立元件，这必然会使系统的可靠性和抗干扰性降低；模拟控制中参数的调节依靠可调电位器等一些模拟器件，如电压
12、、频率以及PID参数的调节等，这势必降低了控制系统的精度和一致性；由于器件的老化以及温度漂移问题，逆变器的性能将急骤下降，甚至于不能正常工作；模拟控制系统如果要升级换代，就要对硬件作根本性的改变，其工作量不亚于重新开发；模拟控制系统不具有良好的人机界面和通信功能。目前，在微电子技术发展的带动下，数字信号处理（DSP）芯片的发展日新月异。DSP芯片的功能日益强大，性能价格比不断上升，开发手段不断改进。这就为数字信号处理算法的实现打下了坚实的基础。要对逆变器进行数字控制，实质上就是要在数字控制系统中应用各种先进的数字信号处理算法：如空间矢量PWM控制算法（SVPWM算法）、快速傅立叶变换算法（FF
13、T算法）、数字滤波算法、数字PID调节算法等。这些复杂的算法都可以在一块高性能的DSP芯片上通过编程实现，这在模拟控制系统中是不可想象的，也是无法完成的。2.1.2 三相逆变原理介绍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，应用最广的还是三相桥式逆变电路。他可分为三相电压型逆变电路和电流型逆变电路，其中电压型的直流侧通常是并一个电容器，而电流型通常是在直流侧串一个电感。采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图所示。电路中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。和单相半桥，全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路
14、的基本工作方式也是导电方式，即每个桥臂的导电角度为，同一相上下桥臂交替导通。因为每次换流都是在上下桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。2.1.3 SPWM逆变电路原理及其控制方法PWM控制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。在采样控制理论中有一个重要的结论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。SPWM是脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦
15、波等效的PWM波形。可知如果给出了逆变电路正弦波输出频率，幅值和半个周期内的脉冲数，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形， 把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形。 PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。其用PWM波代替正弦波的说明图如图2-1所示。图2-1 SPWM波形图把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。SPWM控制方法
