无源三相PWM逆变器控制电路设计

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1、无源三相PWM逆变器控制电路设计一、课程设计的目的通过电力电子计术的课程设计达到如下几种目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何运用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措施。5、提高学生课程设计报告撰写水平。二、课程设计的规定1注意事项控制框图设计装置（或电路）的重要技术数据重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，控制措施为SPWM控制原理输出交流：电流为正弦交流波形，输出

2、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=10，L=15mH2. 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发明性的思维方式以及发明能力3. 在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力4. 课题设计的重要内容是主电路的拟定，主电路的分析阐明，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原则电路图。 5. 课程设计用纸和格式统一三 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

3、根据规定，整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：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）轻载时的交流侧电流波形 c）重载时的交流侧电流波形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种，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按指数规律下降。 设二极管在局限电路电压过零点角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始同步导通的时刻为时间零点，则线电压为 uab=U2sin（t+） 而相电压为ua=U2sin(t+) 在t=0时，二极管VD6和VD

4、1开始同步导通，直流侧电压等于uab；下一次同步导通的一对管子是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状况，一种是在VD1和VD2同步导通之前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始终导通，交替时由VD6导通换相至VD2导通，id是持续的。介于两者之间的状况是，VD1和VD6同步导通的阶段与VD1和VD2同步导通的阶段在 t+=出正好连接起来，id正好持续。由 “电压下降速度相等”的原则，可以拟定临界条件。假设在wt+d =2p/3的时刻“速度相等”正好发生，则有 可得 wRC= 这就是临界条件。 wRC 和 wRC 分别使电

5、流id断续和持续的条件。对一种拟定的装置来讲，一般只有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，重载时是持续的，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克制冲击电流而串联的电感时的工作状况： 电流波形的前沿平缓了许多，有助于电路的正常工作。 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：（1）二极管的导电角q ID 。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

6、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。因此，在选择整流管时应取其反向击穿电压VBR VRM 。 根据规定，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3.11.1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控制一般公用一种三角载波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似，现以U相为例来阐明。当urU不小于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不不小于

7、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，也也许是二极管VD1(VD4)续流导通这要由阻感负载中电流方向来决定。这是由于阻感负载中电流的方向来决定的。V相及W相的控制方式都相似。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。并且负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平构成 ，其波形图如图3.2所示。 图3.2（2） U相的

8、控制规律当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN=Ud/2当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN=-Ud/2当给V1(V4)加导通信号时，也许是V1(V4)导通，也也许是 VD1(VD4)导通2IGBT的选择参数的选择一条原则是合适留有余地，这样才干保证长期、可靠、安全地运营。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要处在安全工作区，即不不小于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如下，指在任何状况下，涉及过载时。（2 ） 开通电

9、压15V10%的正栅极电压，可产生完全饱和，并且开关损耗最小，当20V时难以实现过流及短路保护。（3） 关断偏压-5到-15V目的是浮现噪声仍可有效关断，并可减小关断损耗最佳值约为-10V。（4） IGBT不合用线性工作，只有极快开关工作时栅极才可加较低311V电压（5） 饱和压降直接关系到通态损耗及结温大小，但愿越小越好，但价格就要大。 因此根据IJBT的制约因素，主电路的电流电压值及设计规定，采用的IJBT管是GTl53101。第四章 PWM逆变电路的工作原理PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，

10、既可变化逆变电路输出电压的大小，也可变化逆变输出频率。1PWM控制的基本原理 PWM控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）理论基本:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相似。冲量指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相似，是指环节的输出响应波形基本相似 PWM波形可等效的多种波形，例如：直流斩波电路可以等效直流波形；PWM波可以等效正弦波形；还可以等效成其她所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相似，也基于等效面积原理 。用一系列等幅不等宽的脉冲来替代一种正弦半波的措施：正弦半波N等分，可当作N个

11、彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲替代，等幅，不等宽，中点重叠，面积（冲量）相等。这样就可得到PWM 波形。由上措施可知各脉冲的幅值相等，而宽度按正弦规律变化 。对于正弦波的负半周，也可用同样的措施得到PWM波形。像这种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波形。要变化等效输出正弦波幅值时，只要按照同一比例系数变化上述各脉冲的宽度即可。2控制措施调制信号ur为正弦波,载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。在ur的半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范畴内变化，所得到

12、的PWM波形也只在单个极性范畴变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。 和单极性PWM控制方式相相应的是双极性控制方式。采用双极性方式时，在ur的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得的PWM形也是有正有负。在ur的一种周期内，输出的PWM波只有Ud两种电平，而不像单极性控制时尚有零电平。仍然在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关的通断。在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相似。第五章 三相正弦交流电源发生器本设计需要三相正弦交流电源发生器，根据设计规定，拟定其电路图如图5.1所示，在图5.1中，用双联电位器同步变化R7和R12，就可以变化正弦参照信号的频率，从

13、而实现了变频功能。在本设计中，我用一种三相变频正弦参照信号发生电路替代了生成SPWM信号的专用芯片。它是控制电路的核心部分，采用的是一种特殊构造的RC移相正弦波发生器。其中，正弦波振荡的频率由下式拟定：f= 因此由=20，可以拟定参数为：R7=1K, C1=5Uf.同步通过对其她参数的调节拟定正旋波的幅值为1v。因此三相正弦参照信号分别表达为：UA = sin(125.6t) UB = sin(125.6t 120。) UC = sin(125.6t 240。)第九章 驱动电路由于三相桥式电压型逆变电路中采用的IJBT管，它在使用的时候需要驱动电路，才干使IGBT管子正常地开通和关断。IGBT

14、的驱动电路必须具有2个功能：一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离； 二是提供合适的栅极驱动脉冲。实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。 根据设计规定，采用芯片M57962L及其附件构成的驱动电路，其电路图如图9.1所示：图9.1 课程设计的心得通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我得体会们通过这个方案涉及设计了一套电路原理和连接图，和器件上的选择。 我沉得做课程设计同步也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能较好的理解和运用各个元件的功能，并且考试内容有限，因此在这次课程设计过程中，我们理解了诸多元件的功

15、能，并且对于其在电路中的使用有了更多的结识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。并且还可以记住诸多东西。例如某些器件的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。结识来源于实践，实践是结识的动力和最后目的，实践是检查真理的唯一原则。因此这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。 通过一种星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。生活就是这样，汗水预示着成果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真

16、正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计的确有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，并且设计也是一种团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，互相协助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合伙，我感觉我和同窗们之间的距离更加近了；我想说，的确很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋； 正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可觉得社会作出我们应当做的一切，这有什么不好？我们不断的反问自己。也许有人不喜欢此类的工作，也许有人觉得设计的工作有些枯燥，但我

17、们觉得无论干什么，只要人生活的故意义就可。社会需要我们，我们也可觉得社会而工作。既然如此，那尚有什么必要失落呢？于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。 同步我觉得我们的工作是一种团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都也许导致导致整项工作的失败。实习中只有一种人懂得原理是远远不够的，必须让每个人都懂得，否则一种人的错误，就有也许导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常珍贵的。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一

18、种非常美好的回忆！ 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才干真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过多种各样的问题，同步在设计的过程中发现了自己的局限性之处，对此前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 这次课程设计终于顺利完毕了，在设计中遇到了诸多专业知识问题，最后在教师的辛勤指引下，终于游逆而解。同步，在教师的身上我们学也到诸多实用的知识，在次我们表达感谢！同步，对给过我协助的所有同窗和各位指引教师再次表达忠心的感谢！本次课程设计，学到了诸多课内学不到的东西，例如独立思考解决问题，浮现差错的随机应变，和与人合伙共同提高，都受益非浅，此后的制作应当更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完毕项目。在此，感谢许教师的细心指引，也同样谢谢其她各组同窗的无私协助！