电力电子技术报告.

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书0目录1概述......................................................................12设计任务..................................................................23方案认证与比较............................................................33.1升压电路方案比较......................................................33.2逆变电路的选择........................................................33.3滤波电路的选择........................................................33.4PWM控制电路的选择....................................................33.5电路总体设计方案......................................................44电路具体设计..............................................................64.1升压斩波电路设计......................................................64.2三相桥式PWM逆变电路仿真建模..........................................75电路主要部分计算.........................................................105.1升压斩波电路部分计算.................................................105.2三相桥式PWM逆变电路计算.............................................106结束语...................................................................12参考文献...................................................................13武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书13KVA三相逆变电源设计1概述电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同，电力电子技术主要用于电力变换。电力电子技术的应用范围十分广泛，它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。本次设计采采用了具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点的IGBT。逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能、风力发电中的一个重要部件。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过直流电动机——交流发电机的旋转方式，发展到晶闸管逆变技术，而今的逆变技术多采用了MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器（DSP）控制。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了逆变电源。毋庸置疑，随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书22设计任务本次设计要求以初始条件为输入直流电压110V,送入之后要求完成的设计为实现一个逆变器的设计，目前电力电子技术是一门可广泛应用的技术，通过电力电子技术的设计完成对电能的控制和变换。本设计主要完成的设计任务是将初始送入的110V直流电压经过一系列的电路设计未完成一个容量为3KVA的逆变器的设计。此处设计到逆变器的容量的大小的要求，逆变电能转换又涉及到有功功率和无功功率，此处要求视在功率达到要求，也正可以确定计算设计达到要求其输出电压与电流有效值的乘积即为要达到的功率要求。然后为输出要求逆变要达到升压和直交变换两点最终得到的结果为输出为380V的三相交流电，其频率要求为50Hz。通过本次设计要达到对电力电子技术技术的进一步了解，并且可以熟练应用，进行设计，同时有需要熟练应用绘图软件。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书33方案认证与比较此设计要求为直流输入110V转换为380V，频率50Hz的三相交流电的设计，要求容量达到3KVA，并计算电路中的各元件的参数。由直流输入经过升压，并转换为三相交流电。整个过程可主要由两部分组成，变压电路和逆变电路组成。3.1升压电路方案比较方案一：直接利用变压器进行升压，然后利用整流电路、滤波电路以及逆变电路，实现设计要求。优点：设计思路简单，电路结构简单。缺点：变压器的应用利于升压部分进行灵活控制。方案二：通过升压斩波电路完成电路的升压部分，之后再进行滤波、逆变以完成设计要求。优点：通过计算可以通过对晶闸管的通断的控制，电压控制灵活。缺点：元器件相对较多，电路结果相对复杂。方案选择：为了实现参数的基本精确计算，以及方便控制选择第二种方案。3.2逆变电路的选择逆变电路采用三相桥式PWM逆变电路，根据直流侧电源性质不同，逆变电路可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路，这里的逆变电路属电压型。采用等腰三角波作为载波，用SPWM进行双极性控制。3.3滤波电路的选择该电路的输出含有谐波，需要专门的滤波电路进行滤波。滤波电路采用RC滤波电路。经过逆变电路和滤波电路就可以在三相电压输出侧得到题目要求的380V、50Hz三相交流电，不过容易受负载影响输出电压的值。3.4PWM控制电路的选择SPWM(SinusoidalPWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法是采样控制理论中的一个重要结论: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法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值.该方法的实现有以下几种方案.武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书4方案一：等面积法用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的。优点：此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波。缺点：其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制。方案二：硬件调制法把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形。优点：现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波。缺点：这种模拟电路结构复杂,难以实现精确的控制。方案三：规则采样法用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法.当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的。优点：是计算简单,便于在线实时运算。缺点：是直流电压利用率较低,线性控制范围较小。方案选择：经过综上阐述和比较选着方案二。3.5电路总体设计方案综上，整体设计方案为直流斩波电路采用pwm斩波控制的升压斩波电路，输出的直流电流送往逆变电路。你变电路采用三相桥式PWM逆变电路，采用SPWM作为调制信号，输出pwm波形，再经过滤波电路得到380V、50Hz三相交流电，在电压输出侧进行电压采样进而与理想输出值进行比较转换之后产生需要的PWM波，控制输出的稳定与准确。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书5三相逆变器的总体框图如下图所示：图3-1系统总体框图PWM升压斩波电路SPWM调制信号滤波电路三相逆变电路pwm控制信号武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书64电路具体设计根据系统总体设计电路设计可分为升压斩波电路，三相逆变电路（含滤波电路）和闭环反馈电路，下面为各部分电路的设计。4.1升压斩波电路设计升压斩波电路可以选用基本的升压斩波电路，升压斩波电路原理图如图2所示。该电路的基本工作原理是：假设L和C值很大，当V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电，因为C值很大，基本保持输出电压Uo恒定。当V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。电路输出的电压还要经逆变后滤波，故对波形的要求不是很高，与负载并联的电容C取很大，可以达到滤波的目的，因此不需另外添加滤波电路。图4-1直流升压斩波电路原理PWM控制波武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书74.2三相桥式PWM逆变电路仿真建模逆变电路可参考三相桥式PWM型逆变电路，其电路图如图4所示。该电路采用双极性控制方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角载波cu，三相的调制信号rUu、rVu和rWu依次相差120°。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。当rUucu时，给上桥臂1V以导通信号，给下桥臂4V以关断信号，则U相相对于直流电源假想中点N'的输出电压'/2UNdu=U。当rUucu时，给4V以导通信号，给1V以关断信号，则'/2UNdu=−U。1V和4V的驱动信号始终是互补的。当给1V（4V）加导通信号时，可能是1V（4V）导通，也可能是二极管D1V（D4V）续流导通，这要由阻感负载中电流的方向来决定。V相和W相的控制方式都和U相相同。电路的波形如图4-3所示。图4-2三相桥式PWM型逆变电路采用双极性方式时，在ur的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得的PWM形也是有正有负。在ur的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud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ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关的通断。在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同，如下图4-2所示。武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书8图4-3双极性PWM控制方式波形图4-4三相桥式PWM逆变电路波形武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书9uUN´、uVN´和uWN´的PWM波形只有±Ud/2两种电平，uUV波形可由uUN´-uVN´得出，当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=－Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。波形见图3-4。输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成，负载相