交-直-交PWM变频电源课程设计

目录第1章变频电源方案论证及设计............................................................................11.1设计要求及内容.............................................................................................11.2交流-直流部分设计方案...............................................................................11.3直流-交流部分设计方案...............................................................................21.4驱动电路设计方案.........................................................................................2第2章主回路元件选择............................................................................................42.1电容滤波的三相不可控整流电路.................................................................42.2双极性调制控制方式的三相桥式PWM电压型逆变电路.............................5第3章保护电路、缓冲电路设计............................................................................73.1短路保护........................................................................................................73.2过电压保护.....................................................................................................73.3缓冲电路具体设计.........................................................................................8总结............................................................................................................................9参考文献......................................................................................................................10附录1元件清单.......................................................................................................11附录2电路图...........................................................................................................121第1章变频电源方案论证及设计1.1设计要求及内容输出交流额定相电压220V，额定相电流240A，频率变化范围2-50Hz，其交流输入线电压为380V，电压波动率为±10%。（1）变频电源方案论证及设计；（2）主回路元件选择；（3）驱动电路设计；（4）保护电路设计；（5）缓冲电路设计；（6）PWM控制策略；（7）滤波电路设计；（8）逆变变压器设计；1.2交流-直流部分设计方案图1交-直-交PWM变频电源设计方案对于AC-DC部分，由于三相交流输入线电压为380V，电压波动率为±10%，故此采用电容滤波的三相不可控整流电路，电路图如下：2图2主电路AC-DC部分加入电容C，滤平全波整流后的电压纹波，另外当负载变化时，使直流电压保持平稳，即滤波作用。1.3直流-交流部分设计方案对于DC-AC部分，由于指定用PWM控制技术进行逆变，故此采用三相桥式PWM电压型逆变电路，电路图如下：图3主电路DC-AC部分电路中的两个电容即为总体框图中的Ca和Cb。1.4驱动电路设计方案3图4驱动电路设计由于本交-直-交PWM变频电源的逆变电路采用三相桥式PWM电压型逆变电路，根据其特点，要求逆变电路中采用全控型电力电子器件，然而电力电子器件中的全控型器件种类较多，有电力MOSFET、GTR、GTO等。其中GR、GTO的关断速度较差，会影响输出波形，效果会很差。而IGBT则综合了电力MOSFET以及GTR的特点，所以本设计中选择IGBT作为逆变电路中的开关器件。从而驱动电路为IGBT的驱动电路。4第2章主回路元件选择2.1电容滤波的三相不可控整流电路图5电容滤波的三相不可控整流电路（1）输出电压平均值空载时，输出电压平均值最大，为Ud=√6U2=2.45U2。随着负载加重，输出电压平均值减小，至wRC=√3进入id连续情况后，输出电压波形成为线电压的包络线，其平均值为Ud=2.34U2。可见，Ud在2.34U2到2.45U2之间变化。（2）电流平均值输出电流平均值IR为IR=Ud/R与单相电路情况一样，电容电流iC平均值为零，因此，Id=IR在一个电源周期中，id有六个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为IVD=Id/3（3）二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为√6U2。（4）电容的选定对于电容滤波的三相不可控整流电路，负载电流存在着连续与不连续的问题，本设计中确定负载电流连续，即满足条件wRC=√3。由于交流输入电源的工频为50HZ，所以w=314rad/s，R取1KΩ（本滤波整流电路右侧为三相桥式PWM型逆变电路，其输入电阻比较大，故整定本滤波整流电路负载为1KΩ）。所以，电容C=5.516μF。5电容的电压值以及电流值选取：由于Ud在2.34U2到2.45U2之间变化，故此电容两端的电压值的范围也为2.34U2到2.45U2之间。因此，可以得到2.34X（380/√3）V≤Ud≤2.45（380/√3）V514.8V≤Ud≤550V在整个整流过程中，电容的电流平均值为零。根据上面计算，选择电容参数如下：型号：铝电解电容CD71C品牌：雅斯特参数：额定电压750V，电容值：100UF（5）二极管的选定电压值选取本电容滤波的三相不可控整流电路中各个二极管承受的最大反向电压为√6U2，即537.40V。选取一定的安全裕量，即取UVD为所承受的最大反向电压的1到2倍UVD=537.40~1074.8V电流值选取Id=IR=Ud/R=0.5148A考虑到安全裕量，取ic=1AIVD=Id/3=0.1716A考虑到安全裕量，取ic=0.2A根据上述计算，所以选择二极管参数如下：型号：2CP29峰值电流：0.3A最大电压：1000V数量：62.2双极性调制控制方式的三相桥式PWM电压型逆变电路（1）IGBT的选择由于逆变电路直流侧电压为左侧整流电路id连续时的电压，即Ud=2.34U2=514.8V。在IGBT导通时，管压降可忽略不计，电感在充放电的过程中平均电流为零，因此，电路中流过的电流为I=Ud/R=514.8÷1000=0.5148A考虑一定的裕量，则IGBT的耐流值取I的1.5倍，即0.7722A6IGBT承受的电压为Ud/2，即257.4V，考虑一定的裕量，则IGBT的耐压值772.2V。根据上述计算，选择IGBT参数如下：型号：GTl53101最高耐压值：1000V最高电流值；200A数量：6个（2）二极管的选择二极管承受的电压同为257.4V，考虑一定的裕量，则二极管耐压值取1.5倍，即386.1V；二极管流过的电流为0.5148A，考虑一定的裕量，则二极管耐流值取1.5倍，即0.7722A。根据上述计算，选择二极管参数如下：型号：BY550-1000峰值电流：1A额定最大电压：1000V（3）电阻电容电感的选择选择三个1千欧姆的CF50碳膜电阻器，两个铝电解电容CD71C，三个SDRH62绕线贴片功率电感。7第3章保护电路、缓冲电路设计3.1短路保护利用死区生成电路进行短路保护，其作用是防止逆变桥同一相上下两个桥臂直通而造成短路。电路形式如下：图6短路保护电路器件选择：在电压型逆变电路的PWM控制中，同一相上下两个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下两臂通断切换时要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功率开关器件的关断时间来决定。这个死区时间将会给输出的PWM波形带来一定影响，使其稍微偏离正弦波。由于死区时间取决于电容的充电时间，而经过滞回比较器输出的信号最大幅值约为5V，低电平为0.5V根据电容充放电特性UC=US(1-e-t/RC)UCmax=5V令t=7Μs,则两边同时取对数，得出结果为RC=4.3X10-6s，取C=104pF，R=394.6KΩ所以选择一个50V-104PF-Z瓷片电容，一个394.6KΩ的CF50碳膜电阻器。3.2过电压保护8（1）、在IGBT中加上缓冲电路，吸收浪涌电压。在缓冲电路的电容器中使用薄膜电容，并配置在IGBT附近，使其吸收高频浪涌电压。具体方案在第六章缓冲电路的设计中将会说明。（2）、调整IGBT的驱动电路的-VGE和RG，减小di/dt（3）、为了减小主电路和缓冲电路的配线电感，配线要更粗、更短。在配线中使用铜条。另外进行并列平板配线（分层配线），使用配线低电感化将有很大的效果。3.3缓冲电路具体设计本次用到的IGBT型号为Tl53101，高耐压值为1000V，高电流值为200A，根据情况选择缓冲电路结构如下所示：图7缓冲电路设计如图所示，逆变电路中采用了充放电型RCD缓冲电路。在无缓冲电路的情况下，逆变电路中的IGBT开通时电流迅速上升，di/dt很大，关断时du/dt很大，并出现很高的过电压。在有冲放型RCD缓冲电路的情况下，开通时缓冲电容先通过R向IGBT放电，使电流先上一个台阶，以后因为有di/dt抑制电路的缘故，电流上升速度减慢。缓冲电路中的电阻和二极管是在IGBT关断时提供放电回路而设置的。9总结经过这么久的努力，终于做完了这次课程设计。通过这段时间的学习，发现了自己的很多不足，无论是对知识的理解还是实践能力以及理论联系实际的能力还急需提高。开始做课程设计时，因为不知从哪下手，就不假思考的照着同学给的模板做，后来发现模板里存在一些问题，于是不得不在一些地方返工。后来就是自己先系统知识，然后自己一步一步脚踏实地的做了。所以一个很深的感触就是，做好一件事情，首先要对这方面的知识系统化，然后在头脑里理清思路，哪里开始，怎样一步步做下去，怎样结束。然后再按这个计划一步步认真做。这样每天做一些东西接近目标的小小成就感，就促使着自己认真做完。此次设计使我对电力电子技术有了新的认识,更深的了解，基本掌握了基本变流电路的设计。这次设计对我们的锻炼是多方面的，除了对设计过程熟悉外，我们还进一步提高了作图，编辑，各种信息的查阅和分析，也大大的提高了自己的计算能力，及对WORD文档的使用等多方面的进一步的了解。本次课设应该感谢学院的安排，让我们在学习课本知识的同时，能够有这样良好的机会实践,加深对所学理