電力電子課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告目錄一 基本現(xiàn)狀及意義1.1 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢：1.2 三相逆變器研究設(shè)計(jì)的意義： 二 任務(wù)書要求、設(shè)計(jì)目的：、設(shè)計(jì)任務(wù)： 三基本原理. 三相電壓型逆變電路工作原理. 控制電路的設(shè)計(jì) 四系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體介紹系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算 五 仿真電路 六仿真波形分析 七實(shí)驗(yàn)總結(jié)一基本現(xiàn)狀及意義 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 ?逆變技術(shù)的發(fā)展可以分為如下兩個(gè)階段： ?1956-1980 年為傳統(tǒng)發(fā)展階段，這個(gè)階段的特點(diǎn)是，開關(guān)器件以低速 器件為主，逆變器的開關(guān)頻率較低，波形改善以多重疊加法為主，體積重 量較大，逆變效率低。1980 年到現(xiàn)在為高頻化新技術(shù)階段， 開關(guān)器件以高速器件為主， 逆

2、變 器開關(guān)頻率高，波形改善以脈寬調(diào)制為主，體積重量小，逆變效率高。在PWM逆變器中，為了減小其體積重量，提高其功率密度，高頻化是主要發(fā)展方向之一，但高頻化也存在一些問題，如增加開關(guān)損耗和電磁干 擾。為此提出兩個(gè)解決辦法，一是提高開關(guān)器件的速度，二是使逆變開關(guān) 工作在軟開關(guān)狀態(tài)。 20 世紀(jì) 80 年代初，美國弗吉尼亞電力電子技術(shù)中心 提出了準(zhǔn)諧振變換技術(shù)，使軟幵關(guān)與 PWM技術(shù)的結(jié)合成為可能。它的研究 對(duì)于逆變器性能的提高和進(jìn)一步推廣應(yīng)用，以及電力電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 都有十分重要的意義，是當(dāng)前逆變器的發(fā)展方向之一?？傊孀兗夹g(shù)的發(fā)展是在提高波形質(zhì)量的背景下，隨著電力電子技 術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)

3、代控制理論的發(fā)展而發(fā)展，進(jìn)入二十一世紀(jì)，逆變技 術(shù)正朝著高功率密度、高變換效率、高可靠性、無污染、智能化和集成化 的方向發(fā)展。三相逆變器研究設(shè)計(jì)的意義1）促進(jìn)新能源的開發(fā)和利用 ?隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，逆變技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、航天、航 海等國防領(lǐng)域和電力系統(tǒng)，交通運(yùn)輸、郵電通信、工業(yè)控制等民用領(lǐng)域。 特別是隨著石油、煤和天然氣等主要能源日益緊張，新能源的開發(fā)和利用 越來越受到人們的重視。利用新能源的關(guān)鍵技術(shù) 逆變技術(shù)，能將蓄電池、太陽能電池和燃料電池等其他新能源轉(zhuǎn)化的直流電能變換成交流電能 與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。因此，逆變技術(shù)在新能源的開發(fā)和利用領(lǐng)域有著至關(guān)重 要的地位。（ 2）提高供電質(zhì)量

4、? 國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和國內(nèi)外能源供應(yīng)日益緊張，電能的開發(fā)和利用 顯得更為重要。目前，國內(nèi)外都在大力開發(fā)新能源，如太陽能發(fā)電、風(fēng)力 發(fā)電、潮汐發(fā)電等。一般情況下，這些新型發(fā)電裝置輸出不穩(wěn)定的直流電， 不能直接供給需要交流電的用戶使用。 為此，需要將直流電變換成交流電， 需要時(shí)可并入市電電網(wǎng)。這種 DC-AC變換需要逆變技術(shù)來完成。用電設(shè)備對(duì)市電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染，反過來，被污染的市電電網(wǎng)也 會(huì)使用電設(shè)備工作不正常，用電設(shè)備之間通過市電電網(wǎng)相互干擾。為解決 此問題，必須提高市電電網(wǎng)的供電質(zhì)量，以逆變技術(shù)為基礎(chǔ)的電力有源濾 波器和電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器可以凈化市電電網(wǎng)，使其為用電設(shè)備提供高質(zhì) 量電能。

5、逆變器是一種重要的 DC/AC變換裝置，而衡量其性能的一個(gè)重要指標(biāo)就是輸出電壓波形質(zhì)量，通過本項(xiàng)目的研究與實(shí)踐，研究逆變器波形產(chǎn)生 的方法、調(diào)制規(guī)律、以及其波形的評(píng)價(jià)指標(biāo)，尋求高質(zhì)量的脈寬波形的獲 得方法，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行縱深挖掘，加深相關(guān)知識(shí)的理解二任務(wù)書要求、設(shè)計(jì)目的：要求圖 1 出了三相逆變器主電路，通過本課題的分析設(shè)計(jì)，可以加深學(xué)生 對(duì)三相逆變電路的認(rèn)識(shí)和理解。要求學(xué)生掌握三相逆變電路基本工作原理， 功率器件、LC濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)并學(xué)會(huì)分析該電路的各種工作模態(tài)， 學(xué)生熟悉三相逆變器的 SPW碉制方案，并且學(xué)會(huì)用模擬電路或單片機(jī)實(shí) 現(xiàn)三相逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出，熟悉橋式逆變器的驅(qū)動(dòng)電路，建

6、立硬件 電路并進(jìn)行開關(guān)調(diào)試。輸入：220V DC,輸出：100Vac/、設(shè)計(jì)任務(wù)：1、給出符合輸入輸出要求的電路方案，給出各個(gè)模塊的基本框圖，并能 設(shè)計(jì)其主要參數(shù)；2、根據(jù)輸入輸出的參數(shù)指標(biāo)， 計(jì)算功率電路中半導(dǎo)體器件電壓電流等級(jí)， 并給出所選器件的型號(hào)，設(shè)計(jì)變換器的脈沖變壓器及濾波電容。3、給出控制電路的設(shè)計(jì)方案，能夠輸出頻率和占空比可調(diào)的脈沖源。4、應(yīng)用 protel 軟件作出線路圖，建立硬件電路并調(diào)試。圖 1 三相逆變器主電路三基本原理 三相電壓型逆變電路工作原理逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源的性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源 的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。在本文

7、中，我們主要討論三相電壓型逆變電路的基本構(gòu)成、工作原理和特性，圖 為其電路。三相電壓型逆變電路 下面，我們討論一下三相全橋電壓型逆變電路。在圖 所示電路中，電路的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了 方便分析，畫作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想中點(diǎn) N 。和單相半橋、全橋 逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為 180，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè) 臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度以此相差 120。這樣，在任一瞬間， 將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。可能是上面一個(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩 個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂

8、之間 進(jìn)行，因此也被稱為縱向換流。控制電路的設(shè)計(jì)spwM空制的基本原理如圖（a）所示，我們將一個(gè)正弦波半波電壓分成N等分，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個(gè)與其面積相等的等幅矩形脈沖來代 替，且矩形脈沖的中點(diǎn)與相應(yīng)正弦等份的中點(diǎn)重合，得到如圖 （b） 所示得 脈沖列，這就SPWI波形。正弦波得另外半波可以用相同得辦法來等效。 可以看出，該P(yáng)WM波形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化，稱為SPWI波形。根據(jù)采樣控制理論，脈沖頻率越高， SPWM波形便越接近正弦波。逆變 器的輸出電壓為SPW波形時(shí)，其低次諧波得到很好地抑制和消除，高次 諧波又能很容易濾去，從而可得到崎變率極低的正弦波輸出電壓。SPW

9、控制方式就是對(duì)逆變電路幵關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或者其 他所需要的波形。從理論上講，在給出了正弦半波頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后， 脈沖波形的寬度和間隔便可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。然后按照計(jì)算的結(jié)果控制電 路中各幵關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的波形。但在實(shí)際應(yīng)用中，人 們常采用正弦波與等腰三角波相交的辦法來確定各矩形脈沖的寬度。等腰三角波上下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑曲線相交時(shí)，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈 沖，這種方法稱為調(diào)制方法。希望輸出的信號(hào)為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的 三角波稱為載波

10、。當(dāng)調(diào)制信號(hào)是正弦波時(shí)，所得到的便是SPW波形。當(dāng)調(diào)制信號(hào)不是正弦波時(shí)，也能得到與調(diào)制信號(hào)等效的PWM波形。單極性是指載波和調(diào)制波始終保持同極性的關(guān)系，在調(diào)制波信號(hào)的一 個(gè)周期里，同一橋臂的上下兩個(gè)功率管工作狀態(tài)相互切換，分別工作在正 弦調(diào)制波的半個(gè)周期。單極性SPW碉制原理圖如圖所示:圖單極性調(diào)制原理圖雙極性SPW的載波極性隨時(shí)間而正負(fù)變化，和調(diào)制波的極性變化沒 有關(guān)系，載波信號(hào)的一個(gè)周期里，同一橋臂的上下兩個(gè)功率管互相切換， 在調(diào)制波的半個(gè)周期里始終處于按正弦脈寬調(diào)制規(guī)律互補(bǔ)開關(guān)的工作狀 態(tài)。雙極性SPW碉制原理圖如圖所示:圖雙極性調(diào)至原理圖四系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體介紹本次設(shè)計(jì)的目的是研制一

11、種輸入為 220V的直流穩(wěn)定電壓，輸出為100V, 的交流穩(wěn)定電壓，輸出功率較大的三相穩(wěn)壓電源?？紤]到所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為 大功率電源，所以我們?cè)谶@考慮使用SPWM逆變技術(shù)，下圖為所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖直流輸入全橋逆少輸出A交A流輸出L控制電路驅(qū)動(dòng)電路該系統(tǒng)的工作原理是輸入 220V的直流電壓，然后經(jīng) SPW全橋逆變， 變成100V的SPWNfe壓，再經(jīng)輸出濾波電路濾波為 100V,正弦波交流電壓 輸出，另外，系統(tǒng)中CPU根據(jù)輸出采樣電壓值來控制 SPWM波發(fā)生器輸出 的SPW波形參數(shù)，SPW發(fā)生器產(chǎn)生的SPW波經(jīng)四個(gè)驅(qū)動(dòng)隔離電路去驅(qū)動(dòng) 逆變電路，從而把整流濾波后得到的直流電逆變成穩(wěn)定交流電。系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

12、五. 仿真電路MATLAB件語言系統(tǒng)是當(dāng)今流行的第四代計(jì)算機(jī)語言，由于它在科學(xué) 計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)建模與仿真、圖形圖像處理等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用 以及自身的獨(dú)特優(yōu)勢，目前 MATLA受到個(gè)研究領(lǐng)域的推崇和關(guān)注。本文也采用MATLAE軟件對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證結(jié)果是否正確。建立仿真模型的步驟：1）建立主電路的仿真模型2）構(gòu)造控制部分3）完成波形觀測及分析部分最終完成仿真模型如下圖所示：500W三相逆變器開環(huán)主電路相開環(huán)控制電路500W三相逆變器閉環(huán)電路六. 仿真波形分析上圖為電路開環(huán)輸入時(shí)輸出的交流電壓為110V上圖為電路開環(huán)輸入時(shí)輸出有效值上圖為電路閉環(huán)輸入時(shí)輸出的交流電壓為 110V七實(shí)

13、驗(yàn)總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)，主要是進(jìn)行仿真，做實(shí)物，學(xué)習(xí)了MATLAB件構(gòu)圖,提升理論知識(shí)。在這次課程設(shè)計(jì)中，通過理論的學(xué)習(xí)理解和對(duì)原理圖的仿 真，自己對(duì)逆變器有一定的了解。在構(gòu)造原理圖時(shí)候，原件的不熟悉給我 帶來了很大的困擾，我一個(gè)個(gè)在百度上查找，最終構(gòu)成了原理圖，當(dāng)然收 獲也是巨大的，明白了一些原件在哪里可以尋找，也為以后能熟練使用 MATLA有了很大的幫助。制作完原理圖，最難得莫過于計(jì)算參數(shù)，查閱了 各種資料，慢慢知道了基本公式，參數(shù)算出來后，我們幵始在MATLAB?真，而參數(shù)值還是需需要有點(diǎn)調(diào)整， 經(jīng)過調(diào)整后， 輸出的波形也接近完美。經(jīng)過了這些天，我明白了要去做好一個(gè)東西最重要的是心態(tài)，也許在

14、 你拿到題目時(shí)會(huì)覺得很困難，但是只要你充滿信心，認(rèn)真去思考，一步一 個(gè)腳印去實(shí)現(xiàn)它，你就肯定會(huì)完成課程實(shí)踐的。在實(shí)踐的過程中，我也遇 到了很多困難，發(fā)現(xiàn)我自己在學(xué)習(xí)課本上知識(shí)的時(shí)候并沒有深刻的去理解， 掌握的只是很淺顯的東西，所以在時(shí)遇到很多以前在書本上沒有遇到過的 實(shí)際的問題，我就不知道該如何做了，尤其是畫圖的時(shí)候，只要一個(gè)小小 的錯(cuò)誤，就無法成功的完成實(shí)踐的要求。我在以后的學(xué)習(xí)過程中一定會(huì)注 意不能僅僅局限于書本上的知識(shí)，要懂得知識(shí)的擴(kuò)展。同時(shí)我也認(rèn)識(shí)到了 理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，只有把所學(xué)的理論知識(shí)成功的應(yīng)用到實(shí)踐中 去，我們才能學(xué)到很多課本上沒有的知識(shí)，才能了解的更多的知識(shí)，那么 我

15、們的知識(shí)面才會(huì)拓寬，我們才能成功的提高自己的實(shí)際應(yīng)用能力。在這次課程設(shè)計(jì)中，我也真正體會(huì)到合作的是非常重要的，當(dāng)遇到問 題時(shí)，可以找同學(xué)討論一下，如果太難的問題還可以去問老師，我們會(huì)有很大收獲的。我覺得做每一件事一定要持之以恒，不能遇到困難就輕易放棄，半途而廢，我們要正視這些困難，用科學(xué)的態(tài)度去解決這些困難，獲 得屬于自己的成功。在原題仿真無誤的情況下我們也嘗試的焊了電路，但是實(shí)物并不是很理想。附錄：SA4828與單片機(jī)接口的原理圖如圖所示，采用ARM單片機(jī)編程具體程序如下：#include #include #include #include #include u32 pin=1800;fl

16、oat zhan;float adcy;float adcx;float temp0;float temp1;/* Private typedef */GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;/* Private define/* Privat

17、e macro*/*/* Private variables*/u16 TimerPeriod = 3600; u16 DutyFactor = 50;/* Private function prototypes*/* Private functions*/void RCC_Configure(void); void GPIO_Configure(void);void PWM_Configure(void);* brief Main program.* param None* retval None*/void RCC_Configure()RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC

18、_APB2Periph_GPIOA |RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4 |RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);void GPIO_Configure()/* GPIOA 配置：通道和為 輸出引腳 */= GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;= GPIO_Mode_AF_PP;= GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);= GPIO_Pin_

19、0 | GPIO_Pin_1;= GPIO_Mode_AF_PP;= GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);void PWM_Configure()/*通道1, 2和3配置在PWM模式*/= TIM_OCMode_PWM1;= TIM_OutputState_Enable;/ = TIM_OutputNState_Enable;互補(bǔ)輸出使能，主要用于高級(jí)定時(shí)器= DutyFactor * 7200 / 100; /設(shè)置占空比=TIM_OCPolarity_High;這里的4行代碼就是設(shè)置 PWM勺空閑電平、波形方式的！一開

20、始自己一不小心搞成了都高的死區(qū)，這里是都 低電平的死區(qū) / = TIM_OCNPolarity_High;互補(bǔ)輸出端/ = TIM_OCIdleState_Set;/ = TIM_OCIdleState_Reset;TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);/ 初始化通道 1TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);/ 初始化通道 2TIM_OC3Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); /初始化通道 3/*自動(dòng)輸出使能，中斷，死區(qū)相關(guān)的設(shè)置 */= TIM_OSSRState_Enable;

21、= TIM_OSSIState_Enable;= TIM_LOCKLevel_1;= 12; / 死區(qū)時(shí)間為= TIM_Break_Disable; /品中最好加入這個(gè)保護(hù)，蠻好用的。= TIM_BreakPolarity_High;= TIM_AutomaticOutput_Enable; /TIM_BDTRConfig(TIM3, &TIM_BDTRInitStructure);TIM_CtrlPWMOutputs(TIM3, ENABLE); /*/PWM輸出使能12/SYSTEMCLK (ns) 關(guān)閉外部 break 功能，當(dāng)然在產(chǎn)/ 中斷時(shí)配置端口輸出高電平自動(dòng)輸出使能主輸出啟用 */int main(void)u32 ad_zhigh=500;u32 ad_phigh=7200;u32 p_high=3600;RCC_Configure(); delay_init(72);GPIO_Configure();TIM_Configure(3600);PWM_Configure();NVIC_Configure();TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); /* TIM3的計(jì)數(shù)器使能 */TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); /* TIM4的計(jì)數(shù)器使能 */DMA_INIT();ADC_INIT();