三相电压源型SPWM逆变器的设计

2011~2012学年第2学期《电力电子技术》课程设计报告题目：三相电压源型SPWM逆变器的设计专业：电气工程及其自动化班级：09电气工程及其自动化姓名：指导教师：电气工程系2012年5月12日任务书课题名称三相电压源型SPWM逆变器的设计指导教师（职称）执行时间2011~2012学年第2学期第12周学生姓名学号承担任务电气原理图绘制，排版设计目的1.培养文献检索的能力，特别是如何利用图书馆及Interne查阅需要的文献资料；2.培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；3.培养运用知识的能力和工程设计的能力；4.提高学生课程设计报告撰写水平。设计要求1.设计体现有源逆变在工程上的应用；2.有源逆变的主电路图使用Protel软件绘制；3.使用Matlab软件进行仿真；目录摘要................................................................................................错误!未定义书签。1设计原理...................................................................................................................21.1SPWM控制基本原理.....................................................................................21.2逆变电路..........................................................................................................21.3三相电压型桥式逆变电路..............................................................................32设计方案...................................................................................................................52.1逆变器主电路设计.........................................................................................52.2脉宽控制电路的设计.....................................................................................62.2.1SG3524芯片..........................................................................................62.2.2利用SG3524生成SPWM信号..........................................................72.3驱动电路的设计.............................................................................................92.3.1IR2110芯片...........................................................................................92.3.2驱动电路...............................................................................................93软件仿真.................................................................................................................103.1Matlab软件....................................................................................................103.2建模仿真........................................................................................................114心得体会.................................................................................................................12参考文献.....................................................................................................................15附录.............................................................................................................................16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Protel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。1.2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1所示。图1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。VT4VT2VT3VT1C直流电压负载+-L11.3三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2所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。图2三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，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：UN'WN'WUWN'VN'VWVN'UN'UVuuuuuuuuu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：'NNWN'WNNN'VN'VNNN'UN'UNuuuuuuuuu三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图3所示。图3三相电压型桥式逆变电路的工作波形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：23111(sinsin5sin7sin11......)5711dUVUutttt231sin(1)sinkdnUtntn式中，61nk，k为自然数。输出线电压有效值UVU为22010.8162UVUVdUudtU基波幅值1UVmU和基波有效值1UVU分别为1231.1dUVmdUUU；1160.782UVmUVddUUUUOOOOOOOO23dU6dU3dU2dUdUVNuWNuUVuNNuUNuUidiUNuttttttt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(sinsin5sin7sin11......)5711dUNUutttt21=sinsinndnUttn（）式中，61nk，k为自然数。负载相电压有效值UNU为22010.4712UNUNdUudtU基波幅值1UNmU和基波有效值1UNU分别为120.637dUNmdUUU；110.452UNmUNdUUU2设计方案2.1逆变器主电路设计图4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cU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wn'U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5种电平组成。图4SPWM逆变器的主电路设计图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