三相电压型逆变电路orcadpspice文档.pdf

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1、 1 摘要 本次课程设计题目要求为三相电压源型SPWM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，巩固了理论知识，基本达到设计要求。本文将按照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，还会清晰的介绍各个部分电路以及元器件的取舍，比如驱动电路、抗干扰电路、正弦信号产生电路等，其中部分电路的绘制采用了 Proteus 软件，最后结合 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理想的实验结果。关键词：三相 电压源型 逆变电路

2、 Matlab 仿真 2 目录 摘要1 1 设计原理3 1.1 SPWM 控制原理分析.3 1.1.1 PWM 的基本原理 3 1.1.2 SPWM逆变电路及其控制方法.3 1.2 IGB T简介.4 1.3 逆变电路5 1.4 三相电压型桥式逆变电路6 2 设计方案9 2.1 逆变器主电路设计9 2.2 脉宽控制电路的设计10 2.2.1 SG3524芯片10 2.2.2 利用 SG3524 生成 SPWM信号.11 2.3 驱动电路的设计13 2.3.1 IR2110芯片.13 2.3.2 驱动电路14 3 软件仿真14 3.1 Matlab软件14 3.2 建模仿真15 4 心得体会19

3、 参考文献20 附录21 3 三相电压源型 SPWM逆变器的设计 1 设计原理 1.1 SPWM 控制原理分析 1.1.1 PWM 的基本原理 PWM(Pulse Width Modulation)控就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术最重要的理论基础是面积等效原理，即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。SPWM控制技术是 PWM控制技术的主要应用，即输出脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效。1.1.2 SPWM逆变电路及其控制方法 SPWM逆变电路属于电力电子器件的应用系统，因此，一个完整的

4、SPWM逆变电路应该由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断，来完成整个系统的功能。目前应用最为广泛的是电压型 PWM 逆变电路,脉宽控制方法主要有计算机法和调制法两种，但因为计算机法过程繁琐，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位发生变化时，结果都要变化，而调制法在这些方面有着无可比拟的优势，因此，调制法应用最为广泛。所为调制法，就是把希望输出的波形作为调制信号tu，把接收调制的信号作为载波cu，通过信号波的调制得到所期望的 PWM波形。本次课程设计任务要求 4 设计

5、三相电压源型 SPWM逆变电路，输出 PWM电压波形等效为正弦波，因而信号波采用正弦波，载波采用最常用的等腰三角形。单相桥式电路既可以采取单极性调制，也可以采用双极性调制，而三相桥式PWM逆变电路，一般采用双极性控制方式。所为单极性控制方式，就是在信号波tu的半个周期内三角波载波cu只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的 PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式，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tu的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得到的 PWM波也是有正有负。在tu的一个周期内，输出的 PWM波只有dU两种电平，而不像单极

6、性控制时还有零电平。仍然在调制信号tu和载波信号cu的交点时刻控制各开关器件的通断。在tu的正负半周，对各个开关器件的控制规律相同。1.2 IGB T简介 绝缘栅双极晶体管（IGBT）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。根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 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、栅极和源极则完全与MOSFET 相似。图 1 IGB

7、T 结构剖面图 5 由图可以看出，IGBT相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区 GTR，其简化等效电路如图 3所示。图中 Rdr是厚基区 GTR的扩展电阻。IGBT是以 GTR 为主导件、MOSFET 为驱动件的复合结构。IGBT的特性和参数特点可以总结为：1）IGBT开关速度高，开关损耗小；2）在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比 GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力；3）IGBT的通态压降比 VDMOSFET 低，特别是在电流较大的区域；4)与电力 MOSFET 和 GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可以保持开关频率高。1.3 逆变电路 逆变电

8、路的作用是将直流电压转换成梯形脉冲波，经低通滤波器滤波后，从而使负载上得到的实际电压为正弦波，逆变电路是由 4个 IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）组成的全桥式逆变电路组成，如图 2所示。图 2 逆变电路 当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。此外，逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型 6 逆变电路。本次课程设计任务要求为电压型逆变电路的设计。电压型逆变电路有以下主要特点：1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻

9、态。2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗角情况不同而不同。3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。1.4 三相电压型桥式逆变电路 用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。采用 IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图 3所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。图 3 三相电压型桥式逆变电路 电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便

10、分析，画作串联的两个电容器并标出假想中点N。和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180 导电方式，即每个桥臂的导电角度为180，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度以此相差120。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上 7 下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。对于 U相输出来说，当桥臂1 导通时，2UNduU，当桥臂 4 导通时，2UNduU。因此，UNu的波形是幅值为/2dU的矩形波。V、W 两相

11、的情况和 U 相类似，VNu、WNu的波形形状和UNu相同，只是相位依次差120。负载线电压可由下式求出：UNWNWUWNVNVWVNUNUVuuuuuuuuu 设负载中点 N 与直流电源假想中点N之间的电压为NNu，则负载各相的相电压分别为：NN WNWN NN VNVN NN UNUNuuuuuuuuu 三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图4所示。图 4 三相电压型桥式逆变电路的工作波形 O O O O O O O O 23dU6dU3dU2dUdUVNuWNuUVuNNuUNuUidiUNuttttttt 8 下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出线电压 展开成傅里叶级数得

12、：2 3111(sinsin 5sin 7sin11.)5711dUVUutttt 2 31sin(1)sinkdnUtn tn 式中，61nk，k为自然数。输出线电压有效值UVU为 22010.8162UVUVdUud tU 基波幅值1UV mU和基波有效值1UVU分别为 12 31.1dUV mdUUU；1160.782UV mUVddUUUU 接下来，我们再对负载相电压UNu进行分析。把UNu展开成傅里叶级数得 2111(sinsin 5sin 7sin11.)5711dUNUutttt 21=sinsinndnUttn（）式中，61nk，k为自然数。负载相电压有效值UNU为 22010

13、.4712UNUNdUud tU 基波幅值1UN mU和基波有效值1UNU分别为 120.637dUN mdUUU；110.452UN mUNdUUU 9 2 设计方案 2.1 逆变器主电路设计 图 5是 SPWM逆变器的主电路设计图。图中 Vl V6是逆变器的六个功率开关器件，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压 U 供电。一组三相对称的正弦参考电压信号 由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内变化，决定输出电压的大小。三角载波信号cU是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产

14、生 SPWM脉冲序列波。daU，dbU，dcU作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。当ru2undUUU 时，给 V4导通信号，给 V1关断信号un2dUU，给V1(V4)加导通信号时，可能是 V1(V4)导通，也可能是 VD1(VD4)导通。dU和wnU的 PWM波形只有/2dU两种电平。当cruUU时，给 V1导通信号，给 V4关断信号，/2undUU。uvU的波形可由vnunUU得出，当 1和 6通时，duvUU，当 3和 4通时，duvUU，当 1和 3或 4和 6通时，uvU=0。输出线电压 PWM波由dU和 0三种电平构成负载相电压 PWM波由(2/3)dU，(1/3)dU和 0共

15、 5种电平组成。图 5 SPWM 逆变器的主电路设计图 10 防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的 PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。2.2 脉宽控制电路的设计 2.2.1 SG3524芯片 SG3524 芯片是集成 PWM控制器，其引脚图和内部框图分别如图 6、图 7所示。图 6 SG3524引脚图 图 7 SH3524内部框图 SG3524 工作过程是这样的：11 直流电源 Vs从脚 15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入

16、端，产生稳定的5V基准电压。5V再送到内部（或外部）电路的其他元器件作为电源。振荡器脚 7须外接电容 CT，脚 6须外接电阻 RT。振荡器频率 f由外接电阻RT 和电容 CT 决定，f=1.18/RTCT。振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相端，比较器的反向端接正弦波调制信号，通过芯片内置的比较器完成载波和调制波的比较，产生SPWM信号。2.2.2 利用 SG3524 生成 SPWM信号 2.2.2.1 调制波及载波的产生 正弦波信号tu由函数发生器 ICL8038 产生。图 8 ICL8038用于正弦波信号发生 正弦波的频率

17、由1R、2R和 C来决定，120.15f=+R R（）C，为了调试方便，将1R、2R都用可调电阻，2R和 R是用来调整正弦波失真度用的。通过查询资料得知，当f=50 zH时，取12+=9.7R RK，其中=0.22FC。正弦波信号产生后，一路经过精密全波整流，得到正弦波ru，另外两路得到与正弦波同频率、同相位的方波和三角波。ICL8038 的引脚图如图 9所示。12 图 9 ICL8038引脚图 载波可以是等腰三角波或者锯齿波，由于 SH3524 可以直接产生锯齿波，所以，直接用 SG3524 本身产生的锯齿波作为载波即可。2.2.2.2 SPWM 信号的产生 ICL8038产生的正弦波ru与

18、 1V 基准经过加法器后得到du，du输入到SG3524 的脚 1，脚 2与脚 9相连，这样du和锯齿波将在 SG3524 内部的比较器进行比较产生 SPWM信号。左电桥的控制信号可以由正弦信号与直流电压通过电压比较器产生，本次课程设计采用 LM339 芯片，其引脚图如图 10所示。图 10 LM339 引脚图 LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，可以任意选用，该电压比较器主要有以下几个特点：13 1）失调电压小，典型值为 2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V 18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为 0（Ucc-1.5V）V；5）差动

19、输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。2.3 驱动电路的设计 2.3.1 IR2110芯片 由于 LM3S1138 产生的 SPWM信号不能直接驱动 IGBT，故逆变桥的驱动采用专用芯片 IR2110。IR2110是一种双通道、栅极驱动、高压高速、单片式集成功率驱动模块，具有体积小(DIP14)、集成度高(可驱动同一桥臂两路)、响应快(典型ton/toff=120/94ns)、偏置电压高(600 V)、驱动能力强等特点，同时还具有外部保护封锁端口，常用于驱动 MOSFET和 IGBT等电压驱动型功率开关器件。IR2110包括逻辑输入、电平转换、保护、上桥臂输出

20、和下桥臂输出。逻辑输入采用施密特触发电路，以提高抗干扰能力。由 IR2110 构成的驱动电路如图11所示。图 11 IR2110构成的驱动电路 14 2.3.2 驱动电路 IR2110 自身的保护功能非常完善：对于低压侧通道，利用 2片 IR2110 驱动全桥逆变电路的电路图如图 12所示。图 12 全桥驱动电路 为改善 PWM控制脉冲的前后沿陡度并防止振荡，减小 IGBT集电极的电压尖脉冲，一般应在栅极串联十几欧到几百欧的限流电阻。IR2110的最大不足是不能产生负偏压，由于密勒效应的作用，在开通与关断时，集电极与栅极间电容上的充放电电流很容易在栅极上产生干扰。针对这一点，本次课设在驱动电路

21、中的功率管栅极限流电阻 R1、R2上反向并联了二极管 D4、D5。3 软件仿真 3.1 Matlab 软件 Matlab 软件提供的仿真工具箱 Simulink 是一个功能十分强大的仿真软件，它可以根据用户的需要方便的为系统建立模型，并且十分直观，仿真精度高，结果准确。特别是其电力系统模块库 PSB中包含了大量的电力电子功能模块，为我们仿真提供了极大的便利。15 Matlab 提供了系统模型图形输入工具Simulink 工具箱。在 Matlab 中的电力系统模块库 PSB以 Simulink 为运算环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本原件和系统仿真模型。它由以下

22、 6个子模块组成：电源模块库、连接模块库、测量模块库、电力电子模块库、电机模块库、基本件模块库。在这 6个基本模块库的基础上，根据需要还可以组合出常用的、复杂的其他模块添加到所需的模块库中，为电力系统的研究和仿真带来更多的方便。3.2 建模仿真 SPWM控制方式下的三相逆变电路主电路如图13所示：图 13 三相逆变电路主电路 16 图 14 Discreat PWM Generator参数设置 设置参数，即将调制度 m设置为 1.2，调制波频率设为 40Hz，如图 14所示。载波频率设为基波的 30倍（载波比 N=30），即 1500Hz，仿真时间设为 0.04s，在 powergui中设置为

23、离散仿真模式，采样时间设为 1e-006s。根据设计任务要求，直流电源电压为 400V，要求输出三相 180V、40Hz 的交流电，带对称 RL负载（星形接法），其中 R的值为 2、L 的值为 1 0mH，其参数设置图如图 15所示。17 图 15 直流电压、三相负载参数设置 运行仿真图形，并点击示波器可得输出交流电压，交流电流波形如图 16、图 17所示：图 16 SPWM 方式下三相交流电压输出波形 18 图 16 SPWM 方式下三相电流输出波形 从仿真结果可以得出，本次课程设计基本达到任务要求，三相输出电压约为180V，40HZ，交流电为正弦波满足条件。19 4 心得体会 经过这次的电

24、力电子课程设计后，我从中学到了很多东西。在我们学了电路、电力电子技术基础之后，对专业课程基础知识已经有了最基本的掌握和接触。在经过独立设计，我成功的完成了本次设计。对于我个人而言，我熟练的掌握了设计三相电压型逆变电路的一般方法，还进一步熟悉了其原理。开始拿到课题难免会感到陌生，不过经过自己亲手实践后才发现，只有经过实践运用得来的知识，才是真正属于自己的东西。这其中还尤为深刻的就是要养成科学严谨的实验习惯，这样做起来才会更有条理性。要把所学的知识灵活运用，必须要翻阅大量的资料并且要多多请教同学和老师，有很多的知识是平时不会注意的，但到了实际操作时就会因为那么一点小欠缺而不能完成。我们需要有扎实的

25、知识基础，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。要有耐心和毅力。理论只有与实践结合才能把所学知识灵活运用，本次课程设计我收获很大，既把课本上的理论知识给巩固了，也在实际操作中把所学知识与实际的电路很好的联系起来，并且从客观上理解所学知识。这次设计中不但对以前的知识进行了巩固，而且还学会了更多的新知识，比如仿真软件 Matlab 软件、protues 软件，提高了思维、强化了动手能力，能够更好的适应独立自主完成任务的挑战，为以后的就业打下了基础。本论文基本是按照实际工作而作的，也记录了我在这期间进行探索的每一步。从开始的稚嫩到现在的自信，这都是经过本次课设之后带给我的

26、最大的改变。这很大程度上提高了我对专业的兴趣和掌握能力，也为以后的专业学习夯实了基础。20 参考文献【1】王兆安 刘进军 电力电子技术 北京：机械工业出版社 2009【2】康华光 电子技术基础数字部分 北京：高等教育出版社 2005【3】刘凤君 现代逆变技术及应用 北京：电子工业出版社 2006【4】李宏 王崇武 现代电力电子技术基础 北京：机械工业出版社 2009【5】陈国呈 PWM逆变技术及应用 北京：中国电力出版社 2007【6】陈国呈 PWM电力电子变换技术 北京：中国电力出版社 2007【7】洪乃刚 电力电子技术基础 北京：清华大学出版社 2008 21 附录 本科生课程设计成绩评定表 姓 名 汪鹏 性 别 男 专业、班级 自动化 0806 班 课程设计题目：三相电压源型 SPWM逆变器的设计 课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：设计方案和内容 （30分）制作与调试 （30分）说明书内容和 规范程度（20分）答 辩 （10分）考 勤 （10分）总 分 （100 分）最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：年 月 日