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毕业设计:三相桥式PWM逆变电路的设计

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安阳师范学院本科学生毕业论文三相桥式PWM逆变电路的设计

系(院)物理与电气工程学院

专业电气工程及其自动化

日期 2015年05月20日

成绩

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学生诚信承诺书

本人郑重承诺:所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

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论文使用授权说明

本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

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三相桥式PWM逆变电路的设计

(安阳师范学院物理与电气工程学院河南安阳455002)

摘要:本文设计了一个三相桥式PWM控制的逆变电路。PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,如果脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称为SPWM波形。该设计包括主电路、驱动电路、SPWM信号产生电路、过流保护等方面的设计。该逆变器主电路采用的是功率型器件MOSFET;驱动电路采用的是现在大功率MOSFET、IGBT专用驱动芯片IR2110;PWM信号产生电路采用的是CD4538芯片控制产生的;过流保护采用的是用电流互感器检测保护的。

关键词:三相桥式;主电路;IR2110;CD4538

1 引言

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。

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 (Uninterruptle Power Supply);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 ( Emergence Power Supply);针对船舶工业用电的岸电电源 SPS(Shore Power Supply);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( Insulated Gate Bipolar Transistor)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。

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。

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CD4538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。

2 三相桥式SPWM逆变器的设计内容及要求

2.1 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100 V。三相阻感负载,负载中R=2 ,L=1mH,要求频率范围:10Hz~100Hz。

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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:

(1)IGBT电流,电压额定的选择

(2)驱动保护电路的设计

(3)画出完整的主电路原理图和控制原理图

2.2 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 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1, 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(Modulation Wave ),而受它调制的信号称为载波(Carrier Wave )。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。

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图1 可控整流器调压、六拍逆变器变频

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图3 不控整流、PWM逆变器调压调频

3.1工作原理

图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

,各由一个续流二极管反并联,整个逆变器由恒值直流电压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。 3.2.1 单极性正弦脉宽调制

单极性正弦脉宽调制用幅值为r U 的参考信号波r U 与幅值为o f ,频率为o f 的三角波c U 比较,产生功率开关信号。

参考波频率o f 决定了输出频率o f ,每半周期的脉冲数P 决定于载波频率c f 。即:

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P = (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:

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(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j α则有

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(3)

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(4)

由式(2-3a)、式(2-3b)可计算输出电压的傅里叶级数的系数

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(5)

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(6)

3.2.2 双极性正弦脉宽调制

双极性正弦脉宽调制原理输出电压o u (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

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(7)

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式(7)中输出电压o u (t )可看成是幅值为E ,频率为o f 的方波与幅值为2E 、频率为c f 的负脉冲序列(起点和终点分别为

123212,,,...,,p p

ααααα-的叠加。因此

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(8)

则输出电压为

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(9)

输出电压基波分量为

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(10)

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。

3.3 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。 3.3.1 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。 3.3.2 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。 3.3.3 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t H 一定是6的整数倍,因为三相正弦波,各项相位互差120?,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(10)可见,t H 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。

输出频率f 与区段数1H 、每个区段脉冲数N 及脉冲周期()T s μ之间的关系为

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6

1

1

10

f

H NT-

=

4 MATLAB仿真设计

4.1 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simpower systems工具箱和Simulink工具箱。图中的逆变主电路用Universal Bridge 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:

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图5 主电路原理图

4.2 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。

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图6 三相桥式PWM逆变电路中的控制部分电路MATLAB仿真模型

4.3 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Sine Wave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7所示。

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图7 频率为30HZ仿真模型

从图7可以看出,系统输出正弦波周期为0.033s左右,即频率约为30HZ.前三路波形分别为u UN’,u VN’,u WN’。第四路为滤波前的u VW,第五路为滤波后的u VW。

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图8 频率为50HZ的仿真模型

从图8可以看出,系统输出正弦波周期为0.02s,即频率为50HZ。

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图9 频率为100HZ的仿真模型

从图9可以看出,系统输出正弦波周期为0.01s,即频率为100HZ。

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图10 LC 滤波装置

L 为工频电感,电感量可选为1~2mH 。为减小噪声,选闭合铁芯,如OD 型硅钢铁芯

(400Hz )或铁粉芯铁芯C 为工频电容,可以选CBB61-10μF -250VAC.

带滤波频率为100πHz ,三正弦波源电压幅值0.8V 时逆变波形图

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图11 带滤波的电流c i ,电压,ab aN U U

带滤波,为50πHz ,三正弦波源电压幅值0.8V 时逆变波形图

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U U图

图12 带滤波的电流c i,电压,ab aN

U U为标准正弦波.通过调节信加LC滤波装置后发现输出电流c i,电压,ab aN

调节信号波波的o f,o u影响SPWM的频率和脉宽改变IGBT导通时间,从而可改变输出电压电流频率幅值。

5 总结

回顾此次电力电子技术毕业设计,至今我们仍感慨颇多,的确,从选题到定稿,从理论到实践,在整整一星期的日子里,可以说得是苦多于甜,但是可以学到很多很多的的东西,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。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,难免会遇到过各种各样的问题,比如有时候被一些小的,细的问题挡住前进的步伐,让我们总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。自己看起来多完美的设计在实践下就漏洞百出了。并且我在做设计的过程中发现有很多东西,也知道自己的很多不足之处,知道自己对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固.以前认为学了没用的课程现在也用到了。比如《电工基础》、《电力电子器件》、《开关电源技术》等课程,看起来不是很有用的东西现在去都集中在一块儿了。

所谓“态度决定一切”,于是偶然又必然地收获了诸多,概而言之,大约以下几点:温故而知新。课程设计开始的时候思绪全无,举步维艰,对于理论知识学习不够扎实的我们深感“书到用时方恨少”,于是想起圣人之言“温故而知新”,便重拾教材与实验手册,

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对知识系统而全面进行了梳理,遇到难处先是苦思冥想再向同学请教,终于熟练掌握了基本理论知识,而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识,学会了如何思考的思维方式,找到了设计的灵感。

思路即出路。当初没有思路,诚如举步维艰,茫茫大地,不见道路。在对理论知识梳理掌握之后,茅塞顿开。这次毕业设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多问题,最后在努力下终于迎刃而解。同时发现了还有很多工具及理论以后亟待学习。它培养了我们严谨科学的思维,通过它架起理论与实践桥梁。

6 致谢

作了7周的毕业设计,使我有了很多的心得体会,可以说这次三相桥式逆变电路的设计是在郭季老师的精心指导下完成的。以前总是觉得理论结合不了实际,但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。但由于我知识的限制,设计还有很多不足之处,希望老师指出并教导。毕业设计是锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。很感激学校给了我们这次动手实践的机会,让我们学生有了一个共同学习,增长见识,开拓视野的机会。同时也感谢陈永超老师对我无私忘我的指导,我会以这次毕业设计作为对自己的激励,继续学习。

7 参考文献:

【1】《电力电子技术》王兆安,黄俊,西安.机械工业出版社

【2】《电力电子技术》王云亮主编,第一版.北京.电子工业出版社.2004.8

【3】《大功率IGBT瞬态保护研究电力电子技术》田健,郭会军,王华民

【4】《电力电子技术手册》(精)/国外电气工程名著译丛机械工业出版社 (2004-01出版)

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Three-phase bridge PWM inverter circuit

Zhang YongJie

(Anyang Normal University, Institute of Physics and Electrical Engineering, Anyang, Henan

455002 )

Abstract:This paper designed a three-phase PWM controlled inverter bridge circuit. 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, driver 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-power MOSFET, IGBT dedicated driver chip IR2110; PWM signal generation circuit controlled by the CD4538 chip produced; over-current protection is used Protection of current transformer testing.

Key words: three-phase bridge; main circuit; IR2110; CD4538