三相桥式PWM逆变电路设计

电力电子技术课程设计报告题目：三相桥式PWM逆变电路设计学院：姓名：学号：专业班级：指导老师：时间：目录课题背景********************************************2三相桥式SPWM逆变器的设计内容及要求*****************3SPWM逆变器的工作原理******************************3MATlAB仿真设计************************************12硬件实验************************************************19实验总结********************************************23附录一Matab简介********************************24附录二Protel简介***************************************25参考文献*******************************************26三相桥式PWM逆变电路设计一、课题背景正弦逆变电源作为一种可将直流电能有效地转换为交流电能的电能变换装置被广泛地应用于国民经济生产生活中,其中有:针对计算机等重要负载进行断电保护的交流不间断电源UPS(UninterruptlePowerSupply);针对交流异步电动机变频调速控制的变频调速器;针对智能楼宇消防与安防的应急电源EPS(EmergencePowerSupply);针对船舶工业用电的岸电电源SPS(ShorePowerSupply);还有针对风力发电、太阳能发电等而开发的特种逆变电源等等.随着控制理论的发展与电力电子器件的不断革新,特别是以绝缘栅极双极型晶体管IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)为代表的自关断可控型功率半导体器件出现,大大简化了正弦逆变电源的换相问题,为各种PWM型逆变控制技术的实现提供了新的实现方法,从而进一步简化了正弦逆变系统的结构与控制.电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的6个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本文针对正弦波输出变压变频电源SPWM调制方式及数字化控制策略进行了研究，以SG3525为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变频输出。二、三相桥式SPWM逆变器的设计内容及要求对三相桥式pwm逆变电路的主电路及控制电路进行设计，参数要求如下：直流电压为100V。三相阻感负载，负载中R=2,L=1mH，要求频率范围：10Hz~100Hz。设计要求：1.理论设计：了解掌握三相桥式PWM逆变电路的工作原理，设计三相桥式PWM逆变电路的主电路和控制电路。包括：IGBT电流，电压额定的选择驱动保护电路的设计画出完整的主电路原理图和控制原理图列出主电路所用元器件的明细表2.仿真试验：利用MATLAB仿真软件对三相桥式pwm逆变电路的主电路及控制电路进行仿真建模，元件管脚数，并进行仿真试验。3.实际制作：利用PROTEL软件绘出原理图，结合具体所用外型尺寸，考虑散热和抗干扰等因素，设计PCB印刷电路板。最后完成系统电路组装，调试。三、SPWM逆变器的工作原理由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，也就是说，这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了(见图2-1，2-2，2-3)。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。但较为实用的办法是引用通信技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制波(ModulationWave)，而受它调制的信号称为载波(CarrierWave)。在SPWM中常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是SPWM所需要的结果（2-1）可控整流器调压、六拍逆变器变频(2-3)不控整流、斩波器调压、六拍逆变器变频2-3不控整流、PWM逆变器调压调频1.工作原理图2-4是SPWM变频器的主电路，图中VTl~VT6是逆变器的六个功率开关器件(在这里画的是IGBT)，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。图2-5是它的控制电路，一组三相对称的正弦参考电压信号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，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内变化，决定输出电压的大小。三角载波信号是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。2-4主电路当时，给V4导通信号，给V1关断信号给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。和的PWM波形只有±Ud/2两种电平。当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，。波形可由得出，当1和6通时，=，当3和4通时，=－，当1和3或4和6通时，=0。输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(±2/3)、(±1/3)和0共5种电平组成。防直通的死区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。2-5控制电路2.控制方式脉宽调制的控制方式从调制脉冲的极性上看，可分为单极性和双极性之分:参加调制的载波和参考信号的极性不变，称为单极性调制;相反，三角载波信号和正弦波信号具有正负极性，则称为双极性调制。(1)单极性正弦脉宽调制单极性正弦脉宽调制用幅值为的参考信号波与幅值为,频率为的三角波比较，产生功率开关信号。其原理波形如图2-6所示。图2-6是用单相正弦波全波整流电压信号与单向三角形载波交截，再通过倒相产生功率开关驱动信号。参考波频率fr决定了输出频率fo，每半周期的脉冲数P决定于载波频率fc。即:P=(2-1)用参考电压信号的幅值Ur，与三角形载波信号的幅值Uc的比值，即调制度m=Ur/Uc，来控制输出电压变化。当调制度由0~1变化时，脉宽由0~π/p变化，输出电压由0~E变化。如果每个脉冲宽度为θ，则输出电压的傅里叶级数展开式为:（2-2)系数An和Bn由每个脉宽为θ，起始角为α的正脉冲来决定和对应的负脉冲起始角π+α来决定。如果第j个脉冲的起始角为αj则有(2-3a)(2-3b)由式(2-3a)、式(2-3b)可计算输出电压的傅里叶级数的系数(2-4a)(2-4b)2-6单极性正选脉宽调制SPWM原理波形(2)双极性正弦脉宽调制双极性正弦脉宽调制原理波形如图2-7所示。输出电压u0(t)波形在0~2π区间关于中心对称、在0~π区间关于轴对称，其傅里叶级数展开式为(2-5)式（2-5）中输出电压u0（t）可看成是幅值为E，频率为fo的方波与幅值为2E、频率为fc的负脉冲序列(起点和终点分别为的叠加。因此(2-6)则输出电压为(2-7)输出电压基波分量为(2-8)需要注意的是，从主回路上看，对于双极性调制，由于同一桥臂上的两个开关元件始终轮流交替通断，因此容易引起电源短路，造成环流。为防止环流，就必须增设延时触发环节，设置死区。3.正弦脉宽调制的调制算法三角波变化一个周期，它与正弦波有两个交点，控制逆变器中开关元件导通和关断各一次。要准确的生成SPWM波形，就要精确的计算出这两个点的时间。开关元件导通时间是脉冲宽度，关断时间是脉冲间隙。正弦波的频率和幅值不同时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间由软件实现，时间的控制由定时器完成，是很方便的，关键在于调制算法。调制算法主要有自然采样法、规则采样法、等面积法等。1.自然采样法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度和间隙的采样，去生成SPWM波形，成为自然采样法。如图2-8所示图2-8自然采样法原理图2.规则采样法为使采样法的效果既接近自然采样法，没有过多的复杂运算，又提出了规则采样法。其出发点是设法使SPWM波形的每个脉冲都与三角波中心线对称。这样，图2-9中的法。计算就大大简化了。图2-9规则采样法原理图3.双极性正弦波等面积法正弦波等面积算法的基本原理为:将一个正弦波等分成H，个区段，区段数一定是6的整数倍，因为三相正弦波，各项相位互差，要从一相正弦波方便地得到其他两相，必须把一个周期分成6的整数倍。由图2-10可见，越大，输出波形越接近正弦波。在每一个区段，等分成若干个等宽脉冲(N)，使这N个等宽脉冲面积等于这一区段正弦波面积。采用这种方法既可以提高开关频率，改善波形，又可以减少计算新脉冲的数量，节省计算机计算时间。如图2-10所示其正弦波面积为四、MATlAB仿真设计1）主电路整个三相桥式PWM逆变电路的设计分为两块——主电路部分和控制电路部分。据原理图1，在Simulink中搭建系统主电路如下图所示。主要用到了simpowersystems工具箱和Simulink工具箱。图中的逆变主电路用UniversalBridge则更加简单。图中的变压器起到隔离作用，使得spwm波和负载波形同时能测取。主电路原理图如下：图2-11主电路原理图2）控制电路设计控制电路原理如下：据自然采样法，三个互差120o的正弦波与高频三角载波进行比较，每路结果再经反相器产生与原信号相反的控制波，分别控制上下桥臂IGBT的导通与关断。这样产生的六路spwm波分别控制六个IGBT的通断，从而在负载端产生与调制波同频的三相交流电。图中的三角载波用S函数产生。图2-12三相桥式PWM逆变电路中的控制部分电路MATLAB仿真模型3）仿真结果与分析产生频率为30HZ时的实验将控制电路中的三相正弦波函数发生器SineWave的频率调为30HZ，即在频率参数栏中输入60*pi，则系统输出频率也应为30HZ。仿真运行系统，显示如图