电力电子技术报告

太原理工大学现代科技学院课程设计11太原理工大学电力电子课程设计设计名称无源三相PWM逆变器控制电路设计专业班级学号姓名指导教师太原理工大学现代科技学院课程设计22太原理工大学现代科技学院课程设计任务书注：1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。指导教师签名：日期：专业班级学生姓名课程名称电力电子技术设计名称无源三相PWM逆变器控制电路设计设计周数2指导教师设计任务主要设计参数主要技术数据输入交流电源：载波频率：输出频率：交直变换采用二极管整流桥电容滤波电路，无源逆变桥采用三相桥式电压型逆变主电路，控制方法为SPWM控制原理输出交流：电流为正弦交流波形，输出频率可调，输出负载为三相异步电动机，P=5kW等效为星形RL电路，R=10Ω，L=15mH设计内容：整流电路的设计和参数选择滤波电容参数选择三相逆变主电路的设计和参数选择IGBT电流、电压额定的选择三相SPWM驱动电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图设计内容设计要求1.设计的基本要求（给出所要设计的装置的主要技术数据和设计装置要达到的要求（包括性能指标），最好简述所设计装置的主要用途）2.总体方案的确定(包括调制方式，PWM控制方法，主电路形式确定等)3.具体电路设计（主电路设计、控制电路设计以及参数计算等主要参考资料[1]、王兆安等.电力电子技术.第一版.机械工业出版社.[2]、邵丙衡.电力电子技术.第一版.铁道出版社.1997[3]、黄俊.半导体变流技术.第四版.机械工业出版社.2002[4]、张立.现代电力电子技术.第一版.科学出版社.1995[5]、孙树朴等.电力电子技术.第一版.中国矿业大学出版社.1999学生提交归档文件课程设计任务书1本太原理工大学现代科技学院课程设计33目录第一章课程设计的目的第二章课程设计的要求第三章整流电路的设计和参数选择第四章逆变电路及其参数选择第五章驱动电路第六章死区生成电路第七章比较电路第八章PWM逆变电路的工作原理及其控制方法第九章仿真实验结果波形图第十章心得体会太原理工大学现代科技学院课程设计44第一章课程设计的目的通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。5、提高学生课程设计报告撰写水平。第二章课程设计的要求1.自立题目题目：无源三相PWM逆变器控制电路设计注意事项：①学生也可以选择规定题目方向外的其它电力电子装置设计，如开关电源、镇流器、UPS电源等，②通过图书馆和Internet广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计方案。首先要明确自己课程设计的设计内容。控制框图设计装置（或电路）的主要技术数据主要技术数据输入交流电源：三相380V，f=50Hz交直变换采用二极管整流桥电容滤波电路，无源逆变桥采用三相桥式电压型逆变主电路，控制方法为SPWM控制原理Cd1Cd2三相交流电源逆变器三相正弦波PWM驱动M比较电路三角波发生器驱动电路死区生成电路太原理工大学现代科技学院课程设计55输出交流：电流为正弦交流波形，输出频率可调，输出负载为三相异步电动机，P=5kW等效为星形RL电路，R=10Ω，L=15mH设计内容：整流电路的设计和参数选择滤波电容参数选择三相逆变主电路的设计和参数选择IGBT电流、电压额定的选择三相SPWM驱动电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图2.在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。主电路具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引用说明，否则也不能得优）。3.课题设计的主要内容是主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。报告最后给出所设计的主电路和控制电路标准电路图。4.课程设计用纸和格式统一课程设计用纸在学校印刷厂统一购买和装订，封面为学校统一要求。要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。设计报告不少于20页第三章整流电路的设计和参数选择一、二极管与电容的选择1.二极管的选择太原理工大学现代科技学院课程设计66在选择整流二极管时，主要考虑两个参数，即最大整流电流和反向击穿电压。在桥式整流电路中，二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为在选择整流管时应保证其最大整流电流IFID。二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从桥式整流电路的工作原理中得出。在v2正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止。此时D2、D4所承受的最大反向电压均为v2的最大值，即同理，在v2的负半周，D1、D3也承受到同样大小的反向电压。所以，在选择整流管时应取其反向击穿电压VBRVRM。2.电容的选择（1）电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。在纯电阻负载时，变压器副边电流的有效值I2=1.11IL，而有电容滤波时I2=（1.5~2）IL（2）负载平均电压VL升高，纹波（交流成分）减小，且R越大，电容放电速度越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取τd=RLC≥（3~5）T/2式中T为电源交流电压的周期。（3）负载直流电压随负载电流增加而减小。VL随IL的变化关系称为输出特性或外特性。当C值一定，当R=∞，即空载时VL0=√2V2=1.4V2当C=0，即无电容时VL0=0.9V2在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足式τd=RLC≥(3～5)T/2的关系时，电容滤波电路的负载电压VLV2的关系约为VL=(1.1～1.2)V2总之，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。二、原理流电路采用二极管整流桥电容滤波电路，其电路图如图2.1所示：太原理工大学现代科技学院课程设计77(a)（b)(c)图2.1考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形(a)电路原理图（b）轻载时的交流测的电流波形(c)重载时的交流测的电流波形1.其工作原理如下所示：该电路中，当某一对二级管导通时，输入直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二级管导通时，由电容向负载放电，ud按太原理工大学现代科技学院课程设计88指数规律下降。设二极管在局限电路电压过零点δ角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为uab=U2sin（ωt+δ）而相电压为ua=U2sin(ωt+δ－)在ωt=0时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于uab；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2，直流侧电压等于uab。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电源id是断续的；另一种是VD1一直导通，交替时由VD6导通换相至VD2导通，id是连续的。介于二者之间的情况是，VD1和VD6同时导通的阶段与VD1和VD2同时导通的阶段在ωt+δ=出恰好连接起来，id恰好连续。由“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在wt+d=2p/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有可得wRC=这就是临界条件。wRC和wRC分别使电流id断续和连续的条件。对一个确定的装置来讲，通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重。因此可以说，在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R=wC。考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况：电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。随着负载的加重，电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。2．由电容滤波电路的原理分析可知，该电路的特点如下所示：（1626π32π32=+t)]-32(-t[RC1m32=+tmt)(32sinE)()]+tsin([Ededtdd333太原理工大学现代科技学院课程设计99电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。在纯电阻负载时，变压器副边电流的有效值I2=1.11IL，而有电容滤波时（2）负载平均电压VL升高，纹波（交流成分）减小，且R越大，电容放电速度越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取≥(3～5)式中T为电源交流电压的周期。（3）负载直流电压随负载电流增加而减小。VL随IL的变化关系称为输出特性或外特性，如图1所示。C值一定，当，即空载时当C=0，即无电容时在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足式≥(3～5)的关系时，电容滤波电路的负载电压VLV2的关系约为VL=(1.1～1.2)V2总之，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。第四章逆变电路及其参数选择1．IGBT的选择参数的选择一条原则是适当留有余地，这样才能确保长期、可靠、安全地运行。工作电压≤50%-60%，结温≤70-80%在这条件下器件是最安全的。制约因素如下：（1）在关断或过载条件下，IC要处于安全工作区，即小于2倍的额定电流值；IGBT峰值电流是根据200%的过载和120%的电流脉动率下来制定的；结温一定150℃以下，指在任何情况下，包括过载时。（2）开通电压15V±10%的正栅极电压，可产生完全饱和，而且开关损耗最小，当12V时通态损耗加大，20V时难以实现过流及短路保护。（3）关断偏压-5到-15V目的是出现噪声仍可有效关断，并可减小关断损耗最佳值太原理工大学现代科技学院课程设计1010约为-10V。（4）IGBT不适用线性工作，只有极快开关工作时栅极才可加较低3—11V电压（5）饱和压降直接关系到通态损耗及结温大小，希望越小越好，但价格就要大所以根据IJBT的制约因素，主电路的电流电压值及设计要求，采用的IJBT管是GTl53101。根据要求，逆变电路采用三相桥式电压型逆变电路，其电路图如图3.1所示：图3.1其工作原理如下：（1）该电路是采用双极性控制方式。U,V,W三相的PWM控制通常公用一个三角载波uc,三相的调制信号urU,uRv和urW依次相差120°。U,V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。当urU大于uc时，给上桥臂V1导通信号，给下桥臂V4以关断信号，则U相相对于直流电源假象中点N’的输出电压uUn’=Ud/2。当urU小于uc时，给V4一导通信号，给V1上桥臂关断信号时，则uUN=。V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1（V4）以导通信号，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通这要由阻感负载中电流方向来决定。这是因为阻感负载中电流的方向来决定的。V相及W相的控制方式都相同。电路波形如图所示。可以得出，的PWM波形都只有两种电平，当臂1臂6导通时uUV=Ud，当臂3和臂4导通时uUV=－Ud，当臂1和臂3或臂4和臂6导通时uUV=0。因此，逆变器的输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成。而且负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成，其波形图如图（2）U相的控制规律2dU太原理工大学现代科技学院课程设计1111当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信