三相逆变器的设计 .docx

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1、精品名师归纳总结湖南文理学院课程设计报告课程名称：专业综合课程设计专业班级： 自动化 10102 班同学姓名：指导老师：完成时间：2021 年 6 月 15 日报告成果：评阅看法：评阅老师日期 2021.6.20可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结摘 要本次课程设计题目要求为三相PWM 逆变器的设计 .设计过程从原理分析、元器件的选取，到方案的确定以及 Matlab 仿真等，巩固了理论学问，基本达到设计要求.本文将依据设计思路对过程进行剖析，并进行相应的原理讲解，包括逆变电路的理 论基础以及 Matlab 仿真软件的简介、运用等，此外，仍会清楚的介绍各个环节的设计，比如触发电路、掌

2、握电路、主电路等，其中部分电路的绘制采纳Proteus 软件，最终结合Matlab Simulink 仿真，建立了三相全控桥式电压源型逆变电路的仿真模型，进而通过软件得到较为抱负的试验结果 .关 键 词 ： 三 相PWM逆变电路Matlab仿 真可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结AbstractThe curriculum design subject requirements for the design of the three-phase PWM inverter.Design process from the principle of analysis, selectio

3、n of components, to scheme and the Mat- lab simulation, etc., to consolidate the theoretical knowledge, basic meet the design requirements.This article will be carried out in accordance with the design of process analysis, and the corresponding principles, includingthe theoretical foundation ofthe i

4、nvertercircuitand introduction, using Matlab simulation software, etc., in addition, will also clearly introduces the design of every link, such as trigger circuit, control circuit, main circuit, etc., some of the drawing ofthe circuitusing Proteus software, finallycombined withMatlabSimulink, estab

5、lished a three-phase fully-controlled bridge voltage source type inverter circuit simulation model, and then through the software to get the ideal results.Keywords: Matlab simulation, three-phase ,PWM, inverter circuit可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结前 言随着掌握技术的进展和对设备性能要求的不断提高，很多行业的用电设备不再直接 接入沟通电网，而是通过电力电子功率变

6、换得到电能，它们的幅值、频率、稳固度及变 化形式因用电设备的不同而不尽相同. 如通信电源、电弧焊电源、电动机变频调速器、加热电源、绿色照明电源、不间断电源、充电器等等，它们所使用的电能都是通过对电网 能进行整流和逆变变换后所得到的. 因此，高质量的逆变电路已成为电源技术的重要讨论对象.采样掌握理论中有一个重要结论：冲量相等而外形不同的窄脉冲加在具有惯性的环 节上时，其成效基本相同 .PWM 掌握技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行掌握，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按肯定的规章对各脉冲的宽度进行调制，既可转变逆变

7、电路输出电压的大小，也可转变输出频率.PWM掌握的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件进展水平的制约，在上世 纪 80 岁月以前始终未能实现 . 直到进入上世纪 80 岁月，随着全控型电力电子器件的显现和快速进展， PWM掌握技术才真正得到应用 . 随着电力电子技术、微电子技术和自动掌握技术的进展以及各种新的理论方法，如现代掌握理论、非线性系统掌握思想的应用，PWM掌握技术获得了空前的进展 .PWM掌握技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻. 现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路 . 可以说 PWM掌握技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才进展得比较成熟

8、，才确定了它在电力电子技术中的重要位置.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结目 录摘 要 .I.AbstractII前 言 .I.I.I. 第一章 三相 PWM 逆变器设计目的及要求 .1. 1.1 课程设计目的 .1.1.2 课程设计的要求 .1.其次章 三相 PWM 逆变器的总体设计 .2.2.1 PWM 掌握的基本原理 .2.2.1.1 理论基础 .2.2.1.2 面积等效原理 .2.2.2 PWM 逆变电路及其掌握方法 .3.2.1.1 运算法 .4.2.1.2 调制法 .4.2.3 PWM 逆变电路的谐波分析 .5.2.3.1 三相的分析结果 .5.第三章 双闭环系统的设

9、计 .7.3.1 电流内环采纳比例积分调剂器时的双环掌握技术7.3.2 试验结果 .7.3.2.1 稳态试验波形 .7.3.2.2 动态试验波形 .8.3.3 结论 .9.第四章由 IGBT 构成的驱动电路设计 .1 04.1 门极驱动 IGBT 简介及分析 .1 04.1.1 IGBT 简介.1 0.4.1.2 IGBT 的动态特性分析 .1 14.1.3 IGBT 的特性和参数特点 .1 1第五章 掌握电路的设计 .1 3.5.1 掌握方式 .1.3.5.2 给定积分器 .1.5.5.3 电压调剂器 .1.6.5.3 电流调剂器 .1.7.5.4 触发电路 .1.8.第六章 系统软件 .2

10、 1.6.1 Matab简介 .2 1.6.2 Protel简介.2 1.总 结.2.3.参考文献 .2.4.致 谢 .2.5.附录一： MATlAB 仿真设计 .2 6.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结第一章 三相 PWM 逆变器设计目的及要求1.1 课程设计目的1、培育文献检索的才能，特殊是如何利用Internet检索需要的文献资料 .2、培育综合分析问题、发觉问题和解决问题的才能.3、培育运用学问的才能和工程设计的才能.4、培育运用仿真工具的才能和方法 .5、提高课程设计报告撰写水平 .1.2 课程设计的要求设计一个三相软 pwm逆变器，包括主电路和掌握回路 .主电路由

11、IGBT 构成，掌握回路包括给定积分器，电压调剂器，电流调剂器，触发电路，检测电路与爱护电路等.要求：1、设计双闭环系统（电压闭环和电流闭环）2、设计触发电路。3、输出电压范畴为 0380v 可调，输出电流最大为 40A ，超过 40A 关闭触发器。4、系统能稳固运行 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结其次章 三相 PWM 逆变器的总体设计2.1 PWM 掌握的基本原理PWM掌握技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM，PWM掌握技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要位置.本文主要以逆变电路为掌握对象来介绍PWM掌握技术 .2.1.1

12、 理论基础冲量相等而外形不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其成效基本相同. 冲量指窄脉冲的面积 . 成效基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同. 低频段特别接近，仅在高频段略有差异 .图 2-1 外形不同而冲量相同的各种窄脉冲2.1.2 面积等效原理分别将如图 2-1 所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（ R-L 电路）上，如图 2-1a 所示. 其输出电流 it对不同窄脉冲时的响应波形如图2-1b 所示. 从波形可以看出，在 it 的上升段， it的势状也略有不同，但其下降段就几乎完全相同. 脉冲越窄，各 it响应波形的差异也越小 . 假如周期性的施加上述脉冲，就响应it也是周期性的 .

13、用傅里叶级数分解后将可看出，各it在低频段的特性将特别接近，仅在高频段有所不同.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 .上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM掌握技术的重要理论基础 .下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波. 图 2-3 可以看到把半波分成 N等份，就可以把正弦半波看成 N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，然后把脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使它们面积相等，就可以得到脉冲序列. 依据面积等效原理， P

14、WM波形和正弦半波是等效的 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 2-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形图 2-3 用 PWM波代替正弦半波要转变等效输出正弦波幅值，按同一比例转变各脉冲宽度即可2.2 PWM 逆变电路及其掌握方法可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结目前中小功率的逆变电路几乎都采纳PWM技术. 逆变电路是 PWM掌握技术最为重要的应用场合 .PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前有用的几乎都是电压型.2.1.1 运算法依据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，精确运算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此掌握逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形.缺

15、点：繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化2.1.2 调制法输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波。通常采纳等腰三角波或锯齿波作为载波。等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称。与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点掌握器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合 PWM的要求 .调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波。调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的 PWM波.结合 IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作时 V1和 V2通断互补， V3 和 V4 通断也互补 .掌握规律：u0 正半周，

16、 V1通， V2 断， V3 和V4 交替通断，负载电流比电压滞后，在电压u 正半可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，V1 和V4 导通时，u0 等于U d ， V4 关可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结断时，负载电流通过V1和VD3 续流，u0 =0，负载电流为负区间，i0 为负，实际上从VD1 和可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结VD 4 流过，仍有两种电平 .u0 =U d ， V4 断， V3 通后，i

17、0 从V3 和VD 1 续流，u0 =0， u0总可得到U d 和零可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结u0 负半周，让V2 保持通，V1保持断，V3 和V4 交替通断，u0 可得-U d 和零两种电平 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 2-4 单相桥式 PWM逆变电路2.3 PWM 逆变电路的谐波分析使用载波对正弦信号波调制，产生了和载波有关的谐波重量. 谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一.分析方法：不同信号波周期的 PWM波不同，无法直接以信号波周期为基准分析，以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出 PWM波的傅里叶级数表达式，分析过程相

18、当复杂，结论却简洁而直观 .2.3.1 三相的分析结果三相桥式 PWM逆变电路采纳公用载波信号时不同调制度a 时的三相桥式PWM逆变电路输出线电压的频谱图如图 2-5. 在输出线电压中，所包含的谐波角频率为nckr式中， n=1， 3，5， 时， k=32m-1 1， m=1，2， 。6m +1， m =0， 1，。 n =2 ， 4， 6，时， k =6m -1， m =1， 2， .和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区分是载波角频率c 整数倍的谐波被消去了，谐波中幅值较高的是c2r 和 2 cr.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 2-5 三相桥式 PWM逆变

19、电路输出线电压频谱图当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结第三章 双闭环系统的设计3.1 电流内环采纳比例积分调剂器时的双环掌握技术在逆变器双环掌握方案中，电压外环采纳PID调剂器，电流内环采纳 PI调剂器，下文简称双环 PID-PI掌握方式 .其中电流调剂器 Gi的比例环节用来增加逆变器的阻尼系数，使整个系统工作稳固，并且保证有很强的鲁棒性。电流调剂器的积分环节用来削减电流环稳态误差。电压外环采纳 PID调剂器，电压调剂器的作用是使得输出电压波形瞬时

20、跟踪给定值.这种电流内环电压外环双环掌握的动态响应速度特别快，并且静态误差很小.以滤波电感电流为内环被控量的电感电流内环电压外环掌握并不具备很好的抑制负载扰动性能，因此可将电感电流内环改为电感电流瞬时反馈掌握和负载扰动前馈补偿相结合的掌握方式，从而得到如图 2.1所示的逆变器电感电流内环电压外环 PID-PI掌握系统框图.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Gkpki1 Tkd1Z 1Gkpki 2T可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结v其中，11Z 1i为电压调剂器，211Z为电流调剂器 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 - - - 欢迎下

21、载精品名师归纳总结r1uu1iGvGi1/L1/Sio-1/Cuo1/S可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结-r/L可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 3-1 带负载前馈电感电流内环电压外环掌握系统框图电压电流调剂器掌握参数的设计有两种方法：一种是模拟化方法，即在模拟域下进行参数设计然后将其离散化，处理方法为：将其中的两个极点配置为一对共轭极点，另外两个极点设置在距离虚轴很远的的方 .假设该系统的期望闭环主导极点为sj12sn可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1,2rrrr，闭环非主导极点为 3rr，n取5-10.将连续系统中的极点离可编辑资料 - -

22、 - 欢迎下载精品名师归纳总结散化，得到数字掌握系统中所需要的极点 .另一种是直接数字法 .模拟化掌握器设计方法只是一种近似处理，而且也不能实现只有数字掌握特有的掌握策略 .直接数字法在保持系统稳固的同时可得到更宽的掌握带宽，这个优点在多环系统或采样周期比较大时变得更为显著，所以数字掌握器最好实行直接数字化方法设计 .3.2 试验结果3.2.1 稳态试验波形可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 3-2 双环 PID-PI 掌握逆变器空载输出电压波形（ 100V/div ， 10ms/div）图 3-3 双环 PID-PI 掌握逆变器带30A 阻性负载输出电流电压波形（ 100V/

23、div ，10ms/div ）图 3-4 双环 PID-PI 掌握逆变器带满载（ 50A） 输出电流电压波形（ 100V/div ， 10ms/div）3.2.2 动态试验波形为了考察该逆变器的动态性能，对逆变器进行突加线性负载试验，试验波形如图3-5所示.图 3-4 为逆变器双环 PID-PI 掌握系统突加26A 负载时的响应波形 .可以看出，突加26A 阻性负载时，电压跌落到284V,瞬时电压跌落与电压峰值的比为8.68%，复原时间为0.8ms，动态性能较好 .可见该系统具有瞬态跌落小和复原时间快的特点.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 3.-5 双环 PID-PI 掌握

24、逆变器突加 25A 负载响应波形（100V/div ，10ms/div）3.3 结论试验结果说明，基于状态观测器的双环掌握方法能输出高质量的正弦波，对整流性负载具有较好的抑制才能。动态调剂速度较快，系统拥有较好的动态性能，掌握器的设计简洁易行，是较为抱负的掌握方法。能有效补偿各种误差影响.各种负载时输出电压稳态误差不超过 0.5%，突加阻性半载时电压变化率为8.68%，即使带非线性负载输出电压也能保持较好的正弦度 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结第四章 由 IGBT 构成的驱动电路设计4.1 门极驱动 IGBT 简介及分析4.1.1 IGBT 简介绝缘门极双极型晶体管（ IG

25、BT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个 P 型层.依据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名 .IGBT 的结构剖面图如图 4-1 所示.它在结构上类似于 MOSFET ，其不同点在于 IGBT 是在 N 沟道功率 MOSFET 的 N+ 基板（漏极）上增加了一个 P+ 基板（ IGBT 的集电极），形成 PN 结 j1 ，并由此引出漏极、栅极和源极就完全与MOSFET 相像.图 4-1 IGBT 结构剖面图由图可以看出， IGBT 相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区 GTR ，图中Rdr 是厚基区 GTR 的扩展电阻 .IGBT 是以

26、 GTR 为主导件、 MOSFET 为驱动件的复合结构 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结4.1.2 IGBT 的动态特性分析可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结90%10%90%10%U G EU G EMI CMtt d o n t rt d o f ft ft fi1t fi2t o nU CEMt o fftt fv 1t fv 2U CEon U G EMU G EM0I CI CMI CM0可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结U CEOt图 4-1IGBT 的动态图与 MOSFET 的相像，由于开通过 程中 IGBT 在大部分时间作为 MOS

27、FET 运行uCE 的下降过程分为 tfv1 和 tfv2 两段.tfv1 IGBT 中 MOSFET 单独工作的电压下降过程。 tfv2 MOSFET 和 PNP晶体管同时工作的电压下降过程.电流下降时间又可分为 tfi1 和 tfi2 两段.tfi1 IGBT 内部的 MOSFET 的关断过程， iC 下降较快。 tfi2 IGBT 内部的 PNP 晶体管的关断过程， iC 下降较慢IGBT 中双极型 PNP 晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而 IGBT 的开关速度低于电力 MOSFET.4.1.3 IGBT 的特性和参数特点1、 IGBT 开关速度快

28、，开关损耗小，开关损耗只有GTR 的 1/10，与电力MOSFET 相当,无二次击穿现象 .2、在相同电压和电流定额的情形下， IGBT 的安全工作区比 GTR 大，而且具有耐脉冲电流冲击的才能 .3、IGBT 的通态压降比 VDMOSFET 低，特殊是在电流较大的区域。4、与电力 MOSFET 和 GTR 相比， IGBT 的耐压和通流才能仍可以进一步提高，同时可以保持开关频率高 .5、 输入阻抗高，输入特性与 MOSFET 类似.由于三相桥式电压型逆变电路中采纳的IJBT 管，它在使用的时候需要驱动电可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结路，才能使 IGBT 管子正常的开通和关断

29、 .IGBT 的驱动电路必需具备 2 个功能：一是实现掌握电路与被驱动IGBT 栅极的电隔离。 二是供应合适的栅极驱动脉冲 .实现电隔离可采纳脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器 .依据设计要求，采纳芯片 M57962L 及其附件组成的驱动电路，其电路图如图 4-2 所示：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结+5V4OCITLP521-11210k5V MUR4100EC1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3OVCUG1+C125可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结VIVR1Vout0VccM57962LV1n05/ F0u+30V12VC11k+91Vn+

30、24V-1Vin可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结SPWM1VinVee0C111n18VE1C11nGNDGND1MC7809T可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 4-2 驱动电路可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结第五章 掌握电路的设计5.1 掌握方式脉宽调制的掌握方式从调制脉冲的极性上看，可分为单极性和双极性之分:参与调制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，就称为双极性调制.(1) 单极性正弦脉宽调制可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结单极性正弦脉宽调制用幅值为Ur 的参考信号波U r 与幅值为fo ,频率为fo 的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结三角波 Uc 比较，产生功率开关信号 .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 ，来掌握输出电压变化 .当调制度由 01 变化时，脉宽由 0/p变化，输出电压由 0 E 变化.假如每个脉冲宽度为，就输出电压的傅里叶级数绽开式为:（5-2系数 An 和 Bn 由每个脉