电力电子课设-三相逆变电路设计

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书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MatlabSimulink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Matlab仿真武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书2目录摘要................................................................................................................................11设计原理....................................................................................................................31.1SPWM控制原理分析......................................................................................31.1.1PWM的基本原理..................................................................................31.1.2SPWM逆变电路及其控制方法............................................................31.2IGBT简介.........................................................................................................41.3逆变电路..........................................................................................................51.4三相电压型桥式逆变电路..............................................................................62设计方案....................................................................................................................92.1逆变器主电路设计..........................................................................................92.2脉宽控制电路的设计....................................................................................102.2.1SG3524芯片........................................................................................102.2.2利用SG3524生成SPWM信号.........................................................112.3驱动电路的设计............................................................................................132.3.1IR2110芯片..........................................................................................132.3.2驱动电路..............................................................................................143软件仿真..................................................................................................................143.1Matlab软件....................................................................................................143.2建模仿真........................................................................................................154心得体会..................................................................................................................19参考文献......................................................................................................................20附录..............................................................................................................................21武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书3三相电压源型SPWM逆变器的设计1设计原理1.1SPWM控制原理分析1.1.1PWM的基本原理PWM(PulseWidthModulation)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。1.1.2SPWM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武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书4设计三相电压源型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。1.2IGBT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1IGBT结构剖面图武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书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。VT4VT2VT3VT1C直流电压负载+-L1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武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书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，