电力电子课程设计--三相变频电源的设计

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1、电力电子课程设计 学院：电气与动力工程学院 专业：电气工程及其自动化 班级： 姓名： 学号： 指导老师：目录第一章：课程设计的目的及要求11.1课程设计的目的 11.2课程设计的要求 11.3课程设计报告基本格式 3第二章：三相变频电源介绍3第三章MATLAB软件的介绍4第四章：整流电路的设计54.1 整流电路工作原理 54.2 电容滤波的不可控整流 64.3 整流模块的计算及选型 10第五章：逆变电路的设计135.1 逆变电路的工作原理及波形135.2 二极管和IGBT参数选择 16第六章：SPWM逆变电路18第七章：驱动电路22第八章：MATLAB软件仿真 22第九章：附录及参考文献 25

2、第十章：课程设计的心得体会 26第一章：课程设计的目的及要求1、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） 培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。 3） 培养运用知识的能力和工程设计的能力。 4）培养运用工具的能力和方法。 5） 提高课程设计报告撰写水平。2、课程设计的要求题目：三相变频电源的设计注意事项：1） 根据规定题目进行电力电子装置设计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。设计装

3、置（或电路）的主要技术数据主要技术数据输入交流电源：单相220V，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，输出负载为三相星形RL电路，R=10，L=15mH3、 设计内容：1）整流电路的设计和参数计算及选择（整流电路工作原理、输出波形分析、整流模块的计算及选型、滤波电容参数计算及选型）2）三相逆变主电路的设计和参数选择（结合负载阐述三相电压型无源逆变电路的工作原理，分析输出相电压、线电压波形；对开关器件和快恢复二极管进行计算选择及选型）3）三相SPWM控制及驱动电路的设计：

4、根据SPWM调制原理分析逆变电路的输出相电压、线电压波形；设计驱动电路；选择控制模块和驱动模块。（SPWM集成控制芯片或分立元件构成。驱动模块有：日本富士EXB系列或三菱M579系列）4）画出完整的主电路原理图和控制电路原理图，并进行仿真研究和分析。3、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

5、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）。4 、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要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。5 、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，不同频率下输出电压电流波形，驱动控制电路中驱动信号波形以及其它主要波形，6 、课程设计用纸和格式统一课程设计用纸在学校印

6、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页第二章：三相变频电源介绍 三相变频电源以MPWM方式制作，用主动元件IGBT模块设计使本机容量可达200KVA，以隔离变压器输入及输出，来增加整机稳定性，特别适应感性，容性及特殊负载，负载测试和寿命试验可靠性高。 三相变频电源特点: 1）高频MPWM设计，IGBT功率推动，体积小、可靠性高、噪音低。 2）效率达85%以上 3）反应快速，对100%除载/加载，稳压反应时间在2ms以内。 4）超载能力强，瞬间电流能承受额定电流的300% 5）波峰因素比(CREST FACTOR RATIO)高于3：1。

7、6）具过压、过流、超温等多重保护及报警装置 本文设计的三相变频电源将使用交直交整流逆变电路和PWM驱动电路实现三相变频电源。第三章：MATLAB软件的介绍MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易

8、于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。本文将使用MATLAB软件进行仿真测试第四章 整流电路的设计4.1. 整流电路工作原理4.1.1单相不可控整流电路带电阻负载a)单相桥式整流电路b)交流输入正半周单相桥式整流电路工作图 c)交流输入负半周单相桥式整流电路工作图 电路原理分析在0到180度VD1和VD4导通，在180到360度VD2和VD3导通。使流过电阻R的电流始终为正，规律总结如下表；t02二极管导通情况V

9、D1和VD4导通、VD2和VD3截止VD2和VD3导通、VD1和VD4截止ud|u2|u2|uVDuVD1,4=0， uVD2,3= -|u2|uVD3=0， uVD1,4= -|u2|Ud4.2 电容滤波的不可控整流4.2.1电容滤波的不可控整流电路图及波形电容滤波的不可控整流电路图电容滤波的不可控整流波形 4.2.2 电路原理分析该电路的基本工作情况是，在u2正半周过零点至=0期间，因u2ud,，故二极管均不导通，次阶段电容C向R放电，提供负载所需电流，同时ud下降。至=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。设VD1和VD4导通

10、的时刻与u2过零点相距角，则 （1-1） （1-2） （1-3） 在VD1和VD4导通期间，以下方程成立 式中，ud为VD1、VD4开始导通时刻直流侧电压值。将u2代入并求解得 （1-4）而负载电流为 （1-4） （1-5） 于是设VD1和VD4的导通角为，则=时，VD1和VD4关断。将代入式（1-5），得 （1-6）电容被充电到时，VD1和VD4关断。电容开始以时间常数RC按指数函数放电。当=，即放电经过角时，ud降至开始充电时的初值，另外一对二极管VD2和VD4导通，此后u2正半周的情况一样。由于二极管导通后u2开始向C充电时的ud与二极管管段后C放电结束时的ud相等，故下式成立： （1-

11、6）注意到为第2象限角，由式（1-6） （1-7） （1-8） 在已知时，即可由式（1-8）求出，进而由式（1-7）求出。显然和仅有乘积决定。4.2.3.主要的数量关系1）输出电压平均值 空载时，,放电是间常数为无穷大，输出电压最大，。整流电压平均值Ud可根据前述有关计算公式推导得出，但推导繁琐。空载时，重载时，R很小，电容放电很快，几乎失去储能作用。随复合的增加，Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于负载时的特性。通常在设计时根据负载情况选择电容C值，使，T为交流电源的周期，此时输入电压为 （1-9）2）电流平均值 输出电流平均值为 （1-10）在稳态时，电容C在一个周期内吸收的能量和释放的能量

12、相等，且电压平均值保持不变。相应的，流经电容的电流在一个周期内的平均值为零，又由得出 （1-11）在一个电源周期中，id有两个波头，、和、。反过来说，流过某个二极管的电流只有两个波头中的一个，故其平均值为 （1-12）3）二极管承受的电压 二极管承受的反向电压最大值为变压器二次侧电压的最大值，即。4.3 整流模块的计算及选型4.3.1整流电路的输出电压为 后级电路的输出相电压为 逆变电路输出侧负载为 （）逆变输出电流 （A）输出有功功率 0.871=3517.2W设逆变过程中有功功率不变，则整流输出电流为 （A）整流输出侧阻抗值为 又 解得； R= 15.01 L=0.027(H)由得 C=1

13、666.62776.0考虑到电网电压波动10%，则电容所承受的最高电压为 故电容耐压值为 上网查询可以选择东莞市山田科技有限公司生产的550v3300的电解电容。4.3.2二极管的主要参数的计算：流过整流二极管的平均电流为 电流有效值为： 整流二极管的最大反向电压为; 选择整流二极管的参数为故正向平均电流 反向重复峰值电压 4.3.3整流二极管选择由算出的二极管参数，上网查询找出以下两个型号的管子符合要求；型号正向直流最高反向电压供应商MUR3010030A1000V深圳市凯城电子有限公司MUR3012030A1200V深圳市凯城电子有限公司 第五章 逆变电路的设计5.1逆变电路工作原理及波形

14、三相电压型桥式逆变电路（1）基本工作方式180导电方式（2）每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 。（3）任一瞬间有三个桥臂同时导通。（4）每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。工作波形三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路（2）负载线电压uUV、uVW、uWU可由下式求出（1）对于U相输出来说，当桥臂1导通时，uUN=Ud/2，当桥臂4导通时，uUN=-Ud/2，uUN的波形是幅值为Ud/2的矩形波，V、W两相的情况和U相类似。（3）负载各相的相电压分别为 （4）把上面各式相加并整理可求得 设负载为三相对称负载，则有uUN+uVN+uWN

15、=0，故可得 （5）负载参数已知时，可以由uUN的波形求出U相电流iU的波形，图4-10g给出的是阻感负载下时iU的波形。 （6）把桥臂1、3、5的电流加起来，就可得到直流侧电流id的波形，如图4-10h所示，可以看出id每隔60脉动一次。 tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud35.2IGBT和二极管参数选择5.2.1 IGBT参数选择额定电压 IGBT的额定电压由逆变器（交-直-交逆变器）的交流输入电压决定，因为它决定了后面的环节可能出现的最大电压峰值。再考虑两倍裕量，即；额定电压=由于IGB

16、T是工作在开关状态，故计算其电流额定值时，应考虑其在整个运行过程中可能承受的最大峰值电流为：10.8321.2=36.76(A)式中，K1为过载系数（裕量），取K1=2；K2为考虑电网电压波动等因素，取K2=1.2。IGBT参数的选择原则是适当留有余地，这样才能确保长期、可靠、安全运行。工作电压50%-60%，结温70-80%在这条件下器件是最安全的。上网查询，选择日本富士公司的2MB150N-120型号的IGBT;型号最高耐压（V）最大电流功耗P(w)2MB150N-1201200504005.2.2 快恢复二极管参数选择正向平均电流F( AV ) I(额定电流)。在该电流下管子的正向压降造

17、成管子有损耗，结温升高不超过最高允许结温。该值是按电流的发热效应定义的，因此，在计算时按有效值相等条件来选取二极管的电流定额，并留有1.52倍的裕量。计算公式如下，其中为流过管子的额定电流有效值，即二极管额定电压为:正向平均电流为:反向重复峰值电压 : 上网查询可选如下型号的管子型号最高耐压最大电流生产厂商MUR8208A1200V60A聚星国际贸易（上海）有限公司第六章 SPWM逆变电路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，既可以改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变逆变输出频率。PWM基本原理：冲

18、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。冲量指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。 SPWM波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。要改变等效输出正弦波幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。本文使用PWM控制方式来驱动逆变电路，电路图如下：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

19、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。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

20、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 ，其波形图如上图所示。 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，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通驱动电路如下图:第七章 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，才能使IGBT管子正常地开通和关断。IGBT的驱动电路必须具备2个功能

21、：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。 根据设计要求，采用芯片M57962L及其附件组成的驱动电路，其电路图如图8.1所示：第八章MATLAB软件仿真整流电路仿真电路图如下输入电压电流波形整流输出电压 逆变输出线电压 负载相电压一号二极管电流输出 IGBT电流 一号桥臂整合后输出电压电流波形； 整流输出电压 逆变输出线电压 负载相电压一号二极管电流输出 IGBT电流 一号桥臂第九章 参考文献电力电子应用技术 莫正康 机械工业出版社 第三版电力电子技术题例与电路设计指导 石玉 栗书贤 机械工业出版社 电力

22、电子变流技术 作者:黄俊等 机械工业出版社电力电子技术及应用陈坚，赵玲 北京：中国电力出版社，2006.1电力电子技术 王兆安 刘进军 机械工业出版社 第五版通用变频器及其应用 韩安荣 机械工业出版社，2001第十章 心得体会两周的电力电子交直交变频电路的课程设计转眼之间已经接近尾声，刚开始那种期待的心情一扫而去，才明白自己所学的知识与运用的差距有多么的大。再次拿起书本不断地翻看，终于有了切入点，渐渐知道该怎么下手了。做的过程中逐渐的发现原来课设不仅需要对专业知识的灵活运用，更需要我们具有动脑创新的能力，团队合作的能力。在设计过程中问题频出，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查问题终能解决

23、。我们这样不断改正，不断领悟，不断获取，最终一个完整的电路图终于出现在我的电脑上。每次改正一个错误，我都特别特别开心。经过努力，课设终于完成了。我深深地感觉到课设诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等。从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。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，才能真正为社会服务。遗憾的是我们只能通过计算机仿真来完成实验，没有把我们的理论成果真正的投入实践当中。希望学校支持我们这样的行动，从而提高我们真正的实践能力。