畢業(yè)設(shè)計三相橋式pwm逆變電路的設(shè)計

1、<p>　　三相橋式PWM逆變電路的設(shè)計</p><p>　　系 （院） 物理與電氣工程學(xué)院</p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　日 期 2015年05月20日</p><p>　　成 績　　 　 　</p>

2、<p><b>　　學(xué)生誠信承諾書</b></p><p>　　本人鄭重承諾：所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得安陽師范學(xué)院或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。&l

3、t;/p><p>　　簽名：　　　　　　　　　　日期：　　　　　　　　</p><p><b>　　論文使用授權(quán)說明</b></p><p>　　本人完全了解安陽師范學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。</p>

4、;<p>　　簽名：　　　　　　　　導(dǎo)師簽名：　　　　　　日期：</p><p>　　三相橋式PWM逆變電路的設(shè)計</p><p>　　(安陽師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院 河南 安陽 455002)</p><p>　　摘 要：本文設(shè)計了一個三相橋式PWM控制的逆變電路。PWM控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù),如果脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而

5、和正弦波等效的PWM波形,也稱為SPWM波形。該設(shè)計包括主電路、驅(qū)動電路、SPWM信號產(chǎn)生電路、過流保護等方面的設(shè)計。該逆變器主電路采用的是功率型器件MOSFET；驅(qū)動電路采用的是現(xiàn)在大功率MOSFET、IGBT專用驅(qū)動芯片IR2110；PWM信號產(chǎn)生電路采用的是CD4538芯片控制產(chǎn)生的；過流保護采用的是用電流互感器檢測保護的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：三相橋式；主電路；IR2110；CD4538</

6、p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，正弦波輸出變壓變頻電源已被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中，與此同時對變壓變頻電源的輸出電壓波形質(zhì)量也提出了越來越高的要求。對逆變器輸出波形質(zhì)量的要求主要包括兩個方面：一是穩(wěn)態(tài)精度高；二是動態(tài)性能好。因此，研究開發(fā)既簡單又具有優(yōu)良動、靜態(tài)性能的逆變器控制策略，已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點之一。&

7、lt;/p><p>　　正弦逆變電源作為一種可將直流電能有效地轉(zhuǎn)換為交流電能的電能變換裝置被廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟生產(chǎn)生活中，其中有：針對計算機等重要負載進行斷電保護的交流不間斷電源UPS (Uninterruptle Power Supply)；針對交流異步電動機變頻調(diào)速控制的變頻調(diào)速器;針對智能樓宇消防與安防的應(yīng)急電源EPS ( Emergence Power Supply)；針對船舶工業(yè)用電的岸電電源 SPS(S

8、hore Power Supply)；還有針對風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等而開發(fā)的特種逆變電源等等.隨著控制理論的發(fā)展與電力電子器件的不斷革新，特別是以絕緣柵極雙極型晶體管IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor)為代表的自關(guān)斷可控型功率半導(dǎo)體器件出現(xiàn)，大大簡化了正弦逆變電源的換相問題，為各種 PWM 型逆變控制技術(shù)的實現(xiàn)提供了新的實現(xiàn)方法，從而進一步簡化了正弦逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制。

9、 </p><p>　　IGBT最大的優(yōu)點是無論在導(dǎo)通狀態(tài)還是短路狀態(tài)都可以承受電流沖擊。它的并聯(lián)不成問題，由于本身的關(guān)斷延遲很短，其串聯(lián)也容易。盡管IGBT模塊在大功率應(yīng)用中非常廣泛，但其有限的負載循環(huán)次數(shù)使其可靠性成了問題，其主要失效機理是陰極引線焊點開路和焊點較低的疲勞強度，另外,絕緣材料的缺陷也是一個問題。</p><p>　　在現(xiàn)有的正弦波輸出變壓變頻電源產(chǎn)品中，為了得到S

10、PWM波，一般都采用雙極性調(diào)制技術(shù)。該調(diào)制方法的最大缺點是它的6個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，從而產(chǎn)生了較大的開關(guān)損耗，開關(guān)頻率越高，損耗越大。本文針對正弦波輸出變壓變頻電源SPWM調(diào)制方式及數(shù)字化控制策略進行了研究，以CD4538為主控芯片，以期得到一種較理想的調(diào)制方法，實現(xiàn)逆變電源變壓、變頻輸出。</p><p>　　2 三相橋式SPWM逆變器的設(shè)計內(nèi)容及要求</p><p>

11、　　2.1 對三相橋式PWM逆變電路的主電路及控制電路進行設(shè)計，參數(shù)要求如下：直流電壓為100 V。三相阻感負載，負載中R=2 ,L=1mH，要求頻率范圍：10Hz～100Hz。</p><p>　　理論設(shè)計：了解掌握三相橋式PWM逆變電路的工作原理，設(shè)計三相橋式PWM逆變電路的主電路和控制電路。包括：</p><p>　　（1）IGBT電流，電壓額定的選擇</p><

12、p>　　（2）驅(qū)動保護電路的設(shè)計</p><p>　?。?）畫出完整的主電路原理圖和控制原理圖</p><p>　　2.2 仿真試驗：利用MATLAB仿真軟件對三相橋式PWM逆變電路的主電路及控制電路進行仿真建模，元件管腳數(shù)，并進行仿真試驗。</p><p>　　3 SPWM逆變器的工作原理</p><p>　　由于期望的逆變器輸出是一

13、個正弦電壓波形，可以把一個正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦波每一等分的中點重合。這樣，由N個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形為正弦的半周等效。同樣，正弦波的負半周也可用相同的方法來等效。</p><p>　　這一系列脈沖波形就是所期望的逆變器輸出SPWM波形。由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，也就是說，

14、這種交一直一交變頻器中的整流器采用不可控的二極管整流器就可以了(見圖1， 2， 3 )。逆變器輸出脈沖的幅值就是整流器的輸出電壓。當(dāng)逆變器各開關(guān)器件都是在理想狀態(tài)下工作時，驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)器件的信號也應(yīng)為與形狀相似的一系列脈沖波形，這是很容易推斷出來的。</p><p>　　從理論上講，這一系列脈沖波形的寬度可以嚴(yán)格地用計算方法求得，作為控制逆變器中各開關(guān)器件通斷的依據(jù)。但較為實用的辦法是引用通信技術(shù)中的“調(diào)制”這一

15、概念，以所期望的波形(在這里是正弦波)作為調(diào)制波(Modulation Wave )，而受它調(diào)制的信號稱為載波(Carrier Wave )。在SPWM中常用等腰三角波作為載波，因為等腰三角波是上下寬度線性對稱變化的波形，當(dāng)它與任何一個光滑的曲線相交時，在交點的時刻控制開關(guān)器件的通斷，即可得到一組等幅而脈沖寬度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這正是SPWM所需要的結(jié)果。</p><p>　　圖1 可控整流器調(diào)壓、六

16、拍逆變器變頻</p><p>　　圖2 不控整流、斬波器調(diào)壓、六拍逆變器變頻</p><p>　　圖3 不控整流、PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻</p><p><b>　　3.1工作原理</b></p><p>　　圖4是SPWM變頻器的主電路，圖中VTl～VT6是逆變器的六個功率開關(guān)器件(在這里畫的是三極管)，各由一個續(xù)流二極

17、管反并聯(lián)，整個逆變器由恒值直流電壓U供電。它的控制電路中一組三相對稱的正弦參考電壓信號由參考信號發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率，應(yīng)在所要求的輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)。參考信號的幅值也可在一定范圍內(nèi)變化，決定輸出電壓的大小。三角載波信號是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波 作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制信號。</p><p><b>　　圖4 主

18、電路</b></p><p>　　當(dāng)時，給V4導(dǎo)通信號，給V1關(guān)斷信號給V1(V4)加導(dǎo)通信號時，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通。和的PWM波形只有±Ud/2兩種電平。當(dāng)時，給V1導(dǎo)通信號，給V4關(guān)斷信號，。波形可由得出，當(dāng)1和6通時，=，當(dāng)3和4通時，=－，當(dāng)1和3或4和6通時，=0。輸出線電壓PWM波由±和0三種電平構(gòu)成負載相電壓PWM波由(±2

19、/3) 、(±1/3) 和0共5種電平組成。</p><p>　　防直通的死區(qū)時間同一相上下兩臂的驅(qū)動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時間決定。死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。</p><p><b>　　3.2控制方式</b></p>&l

20、t;p>　　脈寬調(diào)制的控制方式從調(diào)制脈沖的極性上看，可分為單極性和雙極性之分:參加調(diào)制的載波和參考信號的極性不變，稱為單極性調(diào)制;相反，三角載波信號和正弦波信號具有正負極性，則稱為雙極性調(diào)制。</p><p>　　3.2.1 單極性正弦脈寬調(diào)制</p><p>　　單極性正弦脈寬調(diào)制用幅值為的參考信號波與幅值為,頻率為的三角波比較，產(chǎn)生功率開關(guān)信號。</p><p

21、>　　參考波頻率決定了輸出頻率，每半周期的脈沖數(shù)P決定于載波頻率。即:</p><p>　　P= (1) </p><p>　　用參考電壓信號的幅值Ur，與三角形載波信號的幅值Uc的比值，即調(diào)制度m = Ur/Uc，來控制輸出電壓變化。當(dāng)調(diào)制度由0~1變化時，脈寬由0～π/p變化，輸出電壓由0～E變化。如果每

22、個脈沖寬度為θ，則輸出電壓的傅里葉級數(shù)展開式為:</p><p><b>　　(2) </b></p><p>　　系數(shù)An和Bn由每個脈寬為θ，起始角為α的正脈沖來決定和對應(yīng)的負脈沖起始角π+α來決定。</p><p>　　如果第j個脈沖的起始角為則有 (3) </p><

23、;p><b>　　(4) </b></p><p>　　由式(2-3a)、式(2-3b)可計算輸出電壓的傅里葉級數(shù)的系數(shù)</p><p><b>　　(5)</b></p><p><b>　　(6)</b></p><p>　　3.2.2 雙極性正弦脈寬調(diào)制</

24、p><p>　　雙極性正弦脈寬調(diào)制原理輸出電壓（t）波形在0～2π區(qū)間關(guān)于中心對稱、在0～π區(qū)間關(guān)于軸對稱，其傅里葉級數(shù)展開式為</p><p><b>　　(7) </b></p><p>　　式(7)中輸出電壓（t）可看成是幅值為E，頻率為的方波與幅值為2E、頻率為的負脈沖序列(起點和終點分別為的疊加。因此</p>&l

25、t;p><b>　　(8)</b></p><p><b>　　則輸出電壓為</b></p><p><b>　　(9)</b></p><p>　　輸出電壓基波分量 為</p><p><b>　　(10)</b></p><p

26、>　　需要注意的是，從主回路上看，對于雙極性調(diào)制，由于同一橋臂上的兩個開關(guān)元件始終輪流交替通斷，因此容易引起電源短路，造成環(huán)流。為防止環(huán)流，就必須增設(shè)延時觸發(fā)環(huán)節(jié)，設(shè)置死區(qū)。</p><p>　　3.3 正弦脈寬調(diào)制的調(diào)制算法</p><p>　　三角波變化一個周期，它與正弦波有兩個交點，控制逆變器中開關(guān)元件導(dǎo)通和關(guān)斷各一次。要準(zhǔn)確的生成SPWM波形，就要精確的計算出這兩個點的時間

27、。開關(guān)元件導(dǎo)通時間是脈沖寬度，關(guān)斷時間是脈沖間隙。正弦波的頻率和幅值不同時，這些時間也不同，但對計算機來說，時間由軟件實現(xiàn)，時間的控制由定時器完成，是很方便的，關(guān)鍵在于調(diào)制算法。調(diào)制算法主要有自然采樣法、規(guī)則采樣法、等面積法等。</p><p>　　3.3.1 自然采樣法</p><p>　　按照SPWM控制的基本原理，在正弦波與三角波的交點進行脈沖寬度和間隙的采樣，去生成SPWM波形，成

28、為自然采樣法。</p><p>　　3.3.2 規(guī)則采樣法</p><p>　　為使采樣法的效果既接近自然采樣法，沒有過多的復(fù)雜運算，又提出了規(guī)則采樣法。其出發(fā)點是設(shè)法使SPWM波形的每個脈沖都與三角波中心線對稱。</p><p>　　3.3.3 雙極性正弦波等面積法</p><p>　　正弦波等面積算法的基本原理為:將一個正弦波等分成H，個

29、區(qū)段，區(qū)段數(shù)一定是6的整數(shù)倍，因為三相正弦波，各項相位互差，要從一相正弦波方便地得到其他兩相，必須把一個周期分成6的整數(shù)倍。由圖(10)可見，越大，輸出波形越接近正弦波。在每一個區(qū)段，等分成若干個等寬脈沖(N)，使這N個等寬脈沖面積等于這一區(qū)段正弦波面積。采用這種方法既可以提高開關(guān)頻率，改善波形，又可以減少計算新脈沖的數(shù)量，節(jié)省計算機計算時間。</p><p>　　輸出頻率f與區(qū)段數(shù)、每個區(qū)段脈沖數(shù)及脈沖周期之間

30、的關(guān)系為</p><p>　　4 MATLAB仿真設(shè)計</p><p><b>　　4.1 主電路</b></p><p>　　整個三相橋式PWM逆變電路的設(shè)計分為兩塊——主電路部分和控制電路部分。據(jù)原理圖1，在Simulink中搭建系統(tǒng)主電路如下圖所示。主要用到了simpower systems工具箱和Simulink工具箱。圖中的逆變主電路

31、用Universal Bridge 則更加簡單。圖中的變壓器起到隔離作用，使得SPWM波和負載波形同時能測取。</p><p><b>　　主電路原理圖如下：</b></p><p>　　圖5 主電路原理圖</p><p>　　4.2 控制電路設(shè)計</p><p>　　控制電路原理如下：據(jù)自然采樣法，三個互差120o的

32、正弦波與高頻三角載波進行比較，每路結(jié)果再經(jīng)反相器產(chǎn)生與原信號相反的控制波，分別控制上下橋臂IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷。這樣產(chǎn)生的六路SPWM波分別控制六個IGBT的通斷，從而在負載端產(chǎn)生與調(diào)制波同頻的三相交流電。圖中的三角載波用S函數(shù)產(chǎn)生。</p><p>　　圖6 三相橋式PWM逆變電路中的控制部分電路MATLAB仿真模型</p><p>　　4.3 仿真結(jié)果與分析</p>&

33、lt;p>　　產(chǎn)生頻率為30HZ時的實驗</p><p>　　將控制電路中的三相正弦波函數(shù)發(fā)生器Sine Wave的頻率調(diào)為30HZ，即在頻率參數(shù)欄中輸入60*pi，則系統(tǒng)輸出頻率也應(yīng)為30HZ。</p><p>　　仿真運行系統(tǒng)，顯示如圖7所示。</p><p>　　圖7 頻率為30HZ仿真模型</p><p>　　從圖7可以看出，

34、系統(tǒng)輸出正弦波周期為0.033s左右，即頻率約為30HZ.前三路波形分別為uUN’ ，uVN’ ，uWN’ 。第四路為濾波前的uVW，第五路為濾波后的uVW。</p><p>　　產(chǎn)生頻率為50HZ時的實驗</p><p>　　圖8 頻率為50HZ的仿真模型</p><p>　　從圖8可以看出，系統(tǒng)輸出正弦波周期為0.02s，即頻率為50HZ。</p>

35、<p>　　產(chǎn)生頻率為100HZ時的實驗</p><p>　　圖9 頻率為100HZ的仿真模型</p><p>　　從圖9可以看出，系統(tǒng)輸出正弦波周期為0.01s，即頻率為100HZ。</p><p>　　圖10 LC濾波裝置</p><p>　　L為工頻電感，電感量可選為1～2mH。為減小噪聲，選閉合鐵芯，如OD型硅鋼鐵芯

36、（400Hz）或鐵粉芯鐵芯C為工頻電容，可以選CBB61-10µF-250VAC.</p><p>　　帶濾波頻率為Hz，三正弦波源電壓幅值0.8V時逆變波形圖</p><p>　　圖11 帶濾波的電流,電壓</p><p>　　帶濾波，為Hz，三正弦波源電壓幅值0.8V時逆變波形圖</p><p>　　圖12 帶濾波的電流,電壓圖

37、</p><p>　　加LC濾波裝置后發(fā)現(xiàn)輸出電流,電壓為標(biāo)準(zhǔn)正弦波.通過調(diào)節(jié)信</p><p>　　調(diào)節(jié)信號波波的, 影響SPWM的頻率和脈寬改變IGBT導(dǎo)通時間，從而可改變輸出電壓電流頻率幅值。</p><p>　　5 總結(jié)

38、 </p><p>　　回顧此次電力電子技術(shù)畢業(yè)設(shè)計，至今我們?nèi)愿锌H多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在整整一星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，比如有時候被一些小的，細的問題擋住前進的步伐，讓我

39、們總是為了解決一個小問題而花費很長的時間。最后還要查閱其他的書籍才能找出解決的辦法。自己看起來多完美的設(shè)計在實踐下就漏洞百出了。并且我在做設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)有很多東西，也知道自己的很多不足之處，知道自己對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固.以前認為學(xué)了沒用的課程現(xiàn)在也用到了。比如《電工基礎(chǔ)》、《電力電子器件》、《開關(guān)電源技術(shù)》等課程，看起來不是很有用的東西現(xiàn)在去都集中在一塊兒了。</p><p>　　所

40、謂“態(tài)度決定一切”，于是偶然又必然地收獲了諸多，概而言之，大約以下幾點：</p><p>　　溫故而知新。課程設(shè)計開始的時候思緒全無，舉步維艱，對于理論知識學(xué)習(xí)不夠扎實的我們深感“書到用時方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實驗手冊，對知識系統(tǒng)而全面進行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請教，終于熟練掌握了基本理論知識，而且領(lǐng)悟諸多平時學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識，學(xué)會了如何思考的思維方式，找到

41、了設(shè)計的靈感。</p><p>　　思路即出路。當(dāng)初沒有思路，誠如舉步維艱，茫茫大地，不見道路。在對理論知識梳理掌握之后，茅塞頓開。這次畢業(yè)設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在努力下終于迎刃而解。同時發(fā)現(xiàn)了還有很多工具及理論以后亟待學(xué)習(xí)。它培養(yǎng)了我們嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的思維，通過它架起理論與實踐橋梁。</p><p><b>　　6 致謝</b></p>

42、;<p>　　作了7周的畢業(yè)設(shè)計，使我有了很多的心得體會，可以說這次三相橋式逆變電路的設(shè)計是在郭季老師的精心指導(dǎo)下完成的。以前總是覺得理論結(jié)合不了實際，但通過這次設(shè)計使我認識到了理論結(jié)合實際的重要性。但由于我知識的限制，設(shè)計還有很多不足之處，希望老師指出并教導(dǎo)。畢業(yè)設(shè)計是鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。很感激學(xué)校給了我們這次動手實踐的機會，讓我們學(xué)生有了一個共同學(xué)習(xí)，增長見識，開拓視野的機

43、會。同時也感謝陳永超老師對我無私忘我的指導(dǎo)，我會以這次畢業(yè)設(shè)計作為對自己的激勵，繼續(xù)學(xué)習(xí)。</p><p><b>　　7 參考文獻：</b></p><p>　　【1】《電力電子技術(shù)》王兆安,黃俊,西安.機械工業(yè)出版社</p><p>　　【2】《電力電子技術(shù)》 王云亮主編,第一版.北京.電子工業(yè)出版社.2004.8</p>&

44、lt;p>　　【3】《大功率IGBT瞬態(tài)保護研究電力電子技術(shù)》田健，郭會軍，王華民</p><p>　　【4】《電力電子技術(shù)手冊》(精)/國外電氣工程名著譯叢 機械工業(yè)出版社 (2004-01出版) </p><p>　　Three-phase bridge PWM inverter circuit </p><p>　　Zhang YongJie</p

45、><p>　　(Anyang Normal University, Institute of Physics and Electrical Engineering, Anyang, Henan 455002 )</p><p>　　Abstract: This paper designed a three-phase PWM controlled inverter bridge circuit

46、. PWM control is on the pulse width modulation technology, if the pulse width changes according to sine law and the sine wave PWM waveform equivalent, also known as SPWM waveform. The design includes the main circuit, dr

47、iver circuit, SPWM signal generation circuit, over-current protection and other aspects of design. The inverter main circuit uses a power type devices MOSFET; driver circuit is now used in high-powe</p><p>