无源三相PWM逆变器控制电路设计说明.doc

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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。二、课程设计的要求1须知控制框图设计装置（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控制原理输出交流：电流为正弦交流波形

2、，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=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创造性的思维方式以与创造能力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. 课题设计的主要容是主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以与控制电路设计。报告最后给出所设计的主电路和控制电路标准电路图。5. 课程设计用纸和格式统一三 设计容： 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根

3、据要求，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与其波形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开始同时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VD1开始同时导通，

4、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t+=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

5、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与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：（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所承受的最大反向电压均为v2的最大值，即

6、 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VBR VRM 。 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3.11.1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

7、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相与W相的控制方式都相同。电路波形如下图。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3.2所示。图3.2（2） U相的控制规律当urUuc时，给V1导通信号，给V4

8、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2IGBT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15V10%的正栅极电压，可产生完全饱和，而且开关

9、损耗最小，当20V时难以实现过流与短路保护。（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正确值约为-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311V电压（5） 饱和压降直接关系到通态损耗与结温大小，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与设计要求，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，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变逆变输出频率。

10、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）理论基础: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PWM波形可等效的各种波形，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；还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理 。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波的方法：正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替

11、，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等。这样就可得到PWM 波形。由上方法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，也可用同样的方法得到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。2控制方法调制信号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的半个周期三角波载波只在正极性或负极性一种极性围变化，所得到的PWM波形也只在单个极性围变化的控制方式称为单极性PWM控制

12、方式。和单极性PWM控制方式相对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，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的一个周期，输出的PWM波只有Ud两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。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同。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，根据设计要求，确定其电路图如图5.1所示，在图5.1中，用双联电位器同时改变R7和R12，就可以改变正弦参考信号的频率，从而实现了变频功能。在本设计中，我用一个三相变频正弦参考信号发生电路代替了

13、生成SPWM信号的专用芯片。它是控制电路的核心部分，采用的是一个特殊结构的RC移相正弦波发生器。其中，正弦波振荡的频率由下式确定：f= 所以由=20，可以确定参数为：R7=1K, C1=5Uf.同时通过对其他参数的调整确定正旋波的幅值为1v。所以三相正弦参考信号分别表示为：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：一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离； 二是提供适宜的栅极驱动脉冲。实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器与光电耦合器。 根据设计要求，采用芯片M57962L与其附件组成的驱动电路，其电路图如图9.1所示：图9.114 / 14