三相桥式spwm逆变电路的设计及仿真课程设计

.学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目三相桥式SPWM逆变电路的设计及仿真课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能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变换装置广泛地应用于正各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量的要求也越来越高。主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。设计任务及要求1、确定系统设计方案，各器件的选型；2、设计主电路、控制电路、驱动保护电路；3、各参数的计算；4、建立仿真模型，验证设计结果。5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数直流电压为100V，三相阻感性负载，电阻为2欧姆，电感为1mH，频率范围为：10Hz100Hz。进度计划1、布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天）2、系统功能分析（1天）3、系统方案确定（1天）4、主电路、触控制电路等设计（2天）5、各参数计算（1天）6、仿真分析与研究（2天）7、撰写、打印设计说明书（1天）8、答辩（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日院（系）：电气工程学院 摘 要根据三相桥式SPWM逆变电路的工作原理以及特点，采用Simulink中的相关模块建立仿真模型，仿真分析其典型电流、电压波形和工作过程，得到了三相桥式SPWM控制波、负载线电压、负载相电压、负载相电流、负载中性点电压、电源电流波形，解决了三相桥式SPWM逆变电路教学中的难点问题。利用该模型辅助三相桥式SPWM逆变电路教学，直观生动，交互性强，动态显示传真波形。论述了单项正弦波逆变器的工作原理，介绍了SG3524的功能及产生SPWM波的方法，对逆变器的控制及保护电路做了详细介绍，给出了输出电压波形的实验结果。关键词：三相桥式SPWM逆变；Simulink；仿真；波形； . 目 录第1章 绪论1第2章 课程设计的方案22.1 三相桥式SPWM逆变电路的设计内容及要求22.2 SPWM逆变器的工作原理2第3章 SPWM逆变器的工作原理4 3.1 工作原理4 3.2 控制方式53.2.1单极性正弦脉宽调制5 3.2.2双极性正弦脉宽调制6 3.3 正弦脉宽调制的调制算法7 3.3.1 自然采样法7 3.3.2 规则采样法7 3.3.3 双极性正弦波等面积法7第四章 MATLAB仿真设计8 4.1 主电路 8 4.2 控制电路设计9 4.3仿真结果与分析10第五章 课程设计总结15参考文献16 .第1章 绪论电力电子技术是跨越电力技术、电子技术和控制技术理论三个领域的一门新兴交叉学科，它主要研究应用了电路领域的各种电力半导体器件及其装置，以实现对电能的变换和控制。它可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。电力电子技术广泛应用于一般工业、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等。该课程已成为电气工程与自动化、自动化、电力系统自动化等电类专业的重要专业基础课。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，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SG3524为主控制芯片，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。 第2章 课程设计的方案2.1三相桥式SPWM逆变电路的设计内容及要求对于三相桥式SPWM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110V,三相阻感负载，负载中R=2.1，L=1.2mH,要求频率范围：10Hz100 Hz。设计要求：1.理论设计：了解掌握三相桥式SPWM逆变电路的工作原理，设计三相桥式SPWM逆变电路的主电路和控制电路。包括：IGBT电流，额定电压的选择驱动保护电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图列出主电路所用元器件的明细表2.仿真试验:利用MATLAB仿真软件对三相桥式SPWM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。2.2 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于横轴所包围的面积都用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-直-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。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。但较为实用的方法是引用通信技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形作为调制波，而受它调制的信号称为载波。在SPWM中常用等腰三角形作为载波。因为等腰三角形波是上下对称变化的波形，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。 图1 可控整流器调压、六拍逆变器变频 图2 不控整流、斩波器调压、六拍逆变器变频 图3 不控整流、PWM逆变器调压调频 第三章 SPWM逆变器的工作原理3.1工作原理图4是SPWM变频器的主电路，图中VTlVT6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。它的控制电路中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，产生SPWM脉冲序列波 作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。 图4 主电路当时，给V4导通信号，给V1关断信号给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。和的PWM波形只有Ud/2两种电平。当时，给V1导通信号，给V4关断信号，。波形可由得出，当1和6通时，=，当3和4通时，=，当1和3或4和6通时，=0。输出线电压PWM波由和0三种电平构成负载相电压PWM波由(2/3) 、(1/3) 和0共5种电平组成。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。3.2控制方式脉宽调制的控制方式从调制脉冲的极性上看，可分为单极性和双极性之分:参加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，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的参考信号波与幅值为,频率为的三角波比较，产生功率开关信号。参考波频率决定了输出频率，每半周期的脉冲数P决定于载波频率。即: P= 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01变化时，脉宽由0/p变化，输出电压由0E变化。如果每个脉冲宽度为，则输出电压的傅里叶级数展开式为: 系数An和Bn由每个脉宽为，起始角为的正脉冲来决定和对应的负脉冲起始角+来决定。如果第j个脉冲的起始角为则有 由式(2-3a)、式(2-3b)可计算输出电压的傅里叶级数的系数 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（t）波形在02区间关于中心对称、在0区间关于轴对称，其傅里叶级数展开式为 式中输出电压（t）可看成是幅值为E，频率为的方波与幅值为2E、频率为的负脉冲序列(起点和终点分别为的叠加。因此 则输出电压为 输出电压基波分量为 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，区段数一定是6的整数倍，因为三相正弦波，各项相位互差，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，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、每个区段脉冲数及脉冲周期之间的关系为 第四章 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：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。图6 三相桥式PWM逆变电路中的控制部分电路MATLAB仿真模型图7 频率为30HZ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。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uUN ，uVN ，uWN 。第四路为滤波前的uVW，第五路为滤波后的uVW。图8 频率为50HZ的仿真模型产生频率为50HZ时的实验，从图8可以看出，系统输出正弦波周期为0.02s，即频率为50HZ。图9 频率为100HZ的仿真模型产生频率为100HZ时的实验，从图9可以看出，系统输出正弦波周期为0.01s，即频率为100HZ。图10 LC滤波装置 L为工频电感，电感量可选为12mH。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CBB61-10F-250VAC.带滤波频率为Hz，三正弦波源电压幅值0.8V时逆变波形图图11 带滤波的电流,电压带滤波，为Hz，三正弦波源电压幅值0.8V时逆变波形图图12 带滤波的电流,电压图加LC滤波装置后发现输出电流,电压为标准正弦波.通过调节信号波波的, 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。第5章 课程设计总结这是上大学以来第二次课程设计，没了第一次的慌乱，但同样艰难。历时两个星期，这两个星期的学习，我发现了自己太多太多的不足，知识的漏洞，实践经验的缺乏，理论联系实际的能力更有待于提高。课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题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。随着科学技术发展的日新月异，电子技术已成为当今世界空前活跃的领域，在生活中可以说是无处不在。作为二十一世纪的大学生来说掌握电子的开发技术是非常重要的。回顾此次课设过程设计，至今我仍感慨万分。的确，从收到任务到定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说是苦大于甜，但同时我学到了很多东西，巩固了以前学到的知识，又学到了许多新的知识。在设计过程中遇到的困难可谓五花八门，比如有时被一些细小的问题挡住前进的步伐，让我总是为了一个小问题花费很长的时间。最后还是查阅了许多相关的书籍才找到了解决问题的方法。自己看起来完美的设计在实践中却漏洞百出，这让我发现了我以前所学的知识有多麽的不扎实。最后，我总结出如下几点，希望我能够谨记。态度决定一切。好的态度即是成功的开始，要认认真真的全身心投入，注意每一个细节。温故而知新。课程设计开始的思绪全无，举步维艰，对于理论知识学得不扎实的我深感无力。于是想起了温故而知新，便重拾教程和实验手册，对知识进行了系统而全面的梳理，遇到了困难先是苦事冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识。实践出真理。到今天课程设计基本完成，才切身领悟到“实践是检验真理的唯一标准。”由于SPWM控制信号的产生比较复杂，我查阅了很多的资料，尝试过用不同的方法设计产生。比如分立元件，集成芯片，最终选择了用SG3524集成芯片。电路接线虽复杂，但能实现的功能更为强大。以后还需进一步学习运用。最后我还用EWB软件设计画出部分的实际电路模板。课程设计终于顺利完成，我学会了很多，也发现了有太多的工具和理论知识有待学习。我会更努力的，用知识架起理论和实际的桥梁。参考文献 1 王兆安，黄俊. 电力电子技术M. 4版. 北京：机械工作出版社，2000.2 米契尔卡特，罗德尼马多克.合理预期理论.余永定译.北京：中国金融出版社，1993：43-853 张文中.论石油价格与石油工业发展.世界石油经济，1990（2）:14-214 齐中英，叶元煦.对我国能源问题的回顾与思考.邱大雄.市场经济与中国能源发展战略论文集.北京：原子能出版社，1992：53-585 黄良君.大庆地区经济发展战略研究.哈尔滨工业大学硕士学位论文.1994：23-306 李欣.世界石油市场发展趋势预测. 国务院发展研究中心信息网: 7 徐亲知，陈淑华.石油经济学.第二版.哈尔滨：黑龙江人民出版社，1988: 38-1358 Allamaraju Subrahmanyam.Professional Java Server Programming J2EE Edition.Wrox Press，20019 Harvard, Gareth. Thematic Network in teacher education in Europe. XXXJ Journal of Education for teaching, Vol.23, No.1,199710 Robert W. Erickson, Dragan Maksimovic. Fundamentals of power eletronicsM. 2nd edition. Kluwer Academic Publishers, 200111 Leo Lorenz. Power semiconductors and application ceiteriaC/Course lecture notes of Xian Jiaotong University, 2007 时光荏苒，感谢教给我人生道理的老师。结语：.