電力電子課設(shè)交直交PWM變頻電源

1、目錄一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)21.1設(shè)計(jì)目的21.2設(shè)計(jì)要求31.3設(shè)計(jì)內(nèi)容3二、方案論證32.1整流電路方案32.2中間濾波電路方案42.3逆變電路方案5三、主回路系統(tǒng)組成5四、元件參數(shù)計(jì)算及選擇6五、單元電路設(shè)計(jì)65.1驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)65.2保護(hù)電路設(shè)計(jì)65.3緩沖電路設(shè)計(jì)65.4輸出濾波設(shè)計(jì)65.5逆變變壓器選擇6六、PWM控制策略7七、總結(jié)7八、參考文獻(xiàn)7附錄7附錄一 元件清單7附錄二 原理圖7一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)1.1設(shè)計(jì)目的電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是電氣自動(dòng)化工程專業(yè)學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中一項(xiàng)綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)，復(fù)習(xí)和鞏固本課程及其他課程的有關(guān)內(nèi)容，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力的培養(yǎng)和實(shí)踐技能分訓(xùn)練具有相當(dāng)重要的意義

2、。通過設(shè)計(jì)使得獲得電力電子技術(shù)必要的基本理論、基本分析方法以及基本技能的培養(yǎng)和訓(xùn)練，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從事與電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)有關(guān)的技術(shù)工作和科學(xué)研究打下一定的基礎(chǔ)，也便于學(xué)生加深理解和靈活運(yùn)用所學(xué)的理論，提高學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力，為畢業(yè)后的工程實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。1.2設(shè)計(jì)要求要求交流輸出額定相電壓220V,額定相電流為240A，頻率變化范圍250Hz，其交流輸入相電壓為380V，電壓波動(dòng)頻率為為±10。1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容(1) 變頻電源方案論證及設(shè)計(jì)(2) 主回路元件選擇(3) 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)(4) 保護(hù)電路設(shè)計(jì)(5) 緩沖電路設(shè)計(jì)(6) PWM控制策略(7) 濾波電路

3、設(shè)計(jì)(8) 逆變變壓器設(shè)計(jì)二、方案論證2.1整流電路方案整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟姡瑢?shí)現(xiàn)AC/DC的轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用中，一般使用橋式整流電路。常用的橋式整流電路可以分為：不可控整流、全控整流、半控整流。所以有以下兩種種方案：方案一：不可控整流。三相橋式不可控整流電路中整流器件是普通的二極管，是不可控器件，當(dāng)它承受正向電壓時(shí)會(huì)立即自然導(dǎo)通，承受反向電壓時(shí)會(huì)立即阻斷電路。其特點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡單，功耗較小。缺點(diǎn)是輸出電壓不可變。方案二：可控整流。三相橋式可控整流電路的整流器件為晶閘管，利用晶閘管的特性來控制晶閘管的通斷，要求在整流時(shí)要附加脈沖觸發(fā)電路，改變延遲觸發(fā)角可以改變整流輸出電壓的平均值。其特

4、點(diǎn)是可以方便的改變輸出電壓平均值，缺點(diǎn)是要附加觸發(fā)電路，控制復(fù)雜。綜合以上三種整流電路，橋式不可控整流電路設(shè)計(jì)比較簡單，功耗小。而半控和全控整流電路控制方式復(fù)雜，晶閘管在導(dǎo)通后功耗相對(duì)較大，觸發(fā)角控制不好的情況下會(huì)使電路出現(xiàn)斷續(xù)的現(xiàn)象，所以本課程設(shè)計(jì)采用簡單的橋式不可控整流電路。三相橋式不可控整流電路2.2中間濾波電路方案三相全波整流后的電壓波形脈動(dòng)較大，為了保證逆變電路能夠獲得較高質(zhì)量的直流電流或電壓，需要進(jìn)行濾波。由于下面逆變電路為電壓型逆變，所以中間通過大容量的電容進(jìn)行濾波。由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制，濾波電路通常由若干個(gè)電容器并聯(lián)成一組，又由兩個(gè)電容器組串聯(lián)而成。因?yàn)殡娊?/p>

5、電容器的電容量有較大的離散型。故兩個(gè)電容器組的電容量通常不能完全相等，這將導(dǎo)致它們承受的電壓不相等，承受電壓較高的電容器組將容易損壞。為了使電壓相等，在電容器組旁各并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻R1和R2。其電路圖如圖所示：圖2-2 中間電容濾波電路2.3逆變電路方案逆變電路實(shí)現(xiàn)DC/AC的變換。根據(jù)直流測(cè)電源的性質(zhì)可以分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路。方案一：電流型逆變電路。其特點(diǎn)是中間電路采用大電感作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來緩沖無功能量。即扼制電流的變化，使輸出電壓波形為正弦波。適用于大功率的場(chǎng)合。方案二：電壓型逆變電路。其特點(diǎn)是中間電路采用大電容作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來緩沖無功能量，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)

6、節(jié)內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源。電路中一般采用全控型器件IGBT。比較以上兩種方案，由于實(shí)際中直流電流源并不多見，因而變頻電源中電壓型逆變電路用的更多?？紤]到電壓型逆變電路的通用性及其優(yōu)點(diǎn)，我們選用電壓型逆變電路。其電路圖如圖所示：圖2-3 電壓型逆變電路原理圖2.4控制模塊方案方案一：利用分立元件搭接模擬電路。這種模擬電路構(gòu)成三角波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定他們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻確定功率開關(guān)器件的通斷。但是這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精度的控制，而且調(diào)試?yán)щy，穩(wěn)定性差。方案二：采用SPWM集成電路。利用這種集成芯片只需要加上少量的外圍器件就能生成SPWM波形。利用專用芯片配合微處理器可

7、以方便的產(chǎn)生SPWM。比較上述兩種方案，采用分立元件構(gòu)成的電路穩(wěn)定性差，精度低。而采用SPWM集成芯片具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。所以，本課程設(shè)計(jì)采用方案二。本課程設(shè)計(jì)選用專用集成芯片SA4828作為核心主控芯片，配合使用微控制器AT89C52為核心。SA4828芯片具有如下特點(diǎn)：1) 載波頻率最高可達(dá)24kHz，輸出頻率范圍014 kHz，輸出頻率控制精度16位。2) 通過像控制寄存器寫值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出頻率實(shí)時(shí)控制和三廂輸出電壓幅值實(shí)時(shí)、獨(dú)立控制。3) 內(nèi)部ROM存有三種可選的輸出波形（純正弦型、三次諧波增強(qiáng)型和帶死區(qū)增強(qiáng)型）；4) 可設(shè)最小脈沖寬度、脈沖取消時(shí)間和死區(qū)

8、時(shí)間。圖2-4. SPWM波生成電路三、主回路系統(tǒng)組成系統(tǒng)框圖如圖：根據(jù)上述的設(shè)計(jì)方案，作出主電路原理圖：四、元件參數(shù)計(jì)算及選擇4.1整流電路元件選擇二極管額定電壓的選擇考慮到輸入電壓有的波動(dòng)，所以輸入電壓的范圍=(277V420V)二極管承受的的最大反向電壓為線電壓的峰值，即考慮到安全裕量，選取二極管的額定電壓為所以選擇二極管的額定電壓為1500V。二極管額定電流的選擇一個(gè)電源周期內(nèi)，流過每一個(gè)二極管的電流為負(fù)載電流的1/3，即考慮到安全裕量，選擇二極管的額定電流為所以選擇二極管的額定電流為150A。4.2中間濾波電路元件選型不可控整流橋輸出電壓平均值為考慮到關(guān)斷浪涌電壓，選取電容的額定電壓

9、為800V。電容的容值主要取決于直流電壓的脈動(dòng)大小，根據(jù)工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)有以下計(jì)算公式：式中，為逆變器的額定輸出電流均方根值(A)，為直流電壓平均值，為逆變器的最低輸出頻率，為允許直流電壓頻率低峰值紋波因數(shù)，為負(fù)載位移因數(shù)角有關(guān)系數(shù)，由上式各計(jì)算出直流側(cè)電容容值為10000uF，由4個(gè)額定電壓為470V的10000電容兩串兩并構(gòu)成。4.3逆變電路元件選型三相橋式逆變電路中，直流測(cè)電壓平均值為，IGBT承受的最大電壓即為，考慮到安全裕量，選取額定電壓為所以選擇IGBT的額定電壓為1500V。逆變橋輸出的相電壓有效值為根據(jù)功率守恒條件，逆變橋輸出端的最大電流為IGBT的電流平均值為考慮安全裕量，選取

10、IGBT的額定電流為(23)=(160A240A)。反饋二極管的選擇。五、單元電路設(shè)計(jì)5.1驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)由于三相橋式逆變電路采用IGBT作為開關(guān)器件，IGBT的驅(qū)動(dòng)多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器。本設(shè)計(jì)中我們采用M579652L芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片。它的內(nèi)部具有退飽和檢測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時(shí)能快速響應(yīng)但慢關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號(hào)。M579652L輸出的正驅(qū)動(dòng)電壓均為+15V左右，負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓為-10V。其峰值輸出電流為5A，并有短路保護(hù)。電路圖連線圖如下圖：5.2保護(hù)電路設(shè)計(jì)過電流保護(hù)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過電流。過電流分過載和短路兩種情況。一般電力電子裝置

11、均同時(shí)采用幾種過電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。1) 功率主電路中串聯(lián)快速熔斷器。當(dāng)由于濾波電容器、IGBT電路的短路等原因造成主電路直流部分形成短路時(shí)，將形成很大的短路電流，這時(shí)熔斷器起保護(hù)作用。2) 由電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、比較器、接觸器等構(gòu)成過流保護(hù)電路。正常情況下，過電流保護(hù)電路的輸出為高電平。一旦出現(xiàn)過電流，比較器的輸出狀態(tài)將翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而切斷交流接觸器KM的控制線圈通電回路，使交流接觸器斷開，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與主電路的完全分?jǐn)唷?) 集成驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片M57962L具有過電流保護(hù)的功能， M57962L通過檢測(cè)IGBT的飽和壓降來判斷IGBT是否過流，一旦過流，

12、M57962L將對(duì)IGBT實(shí)行軟關(guān)斷，并輸出過流故障信號(hào)，起到了IGBT過流保護(hù)。4) 當(dāng)變頻電源剛接通時(shí)，濾波電容器上的電壓為0V。而電源電壓為380V，且為了提高濾波效果，濾波電容器的電容量又很大。所以，在剛接通電源的瞬間，將產(chǎn)生很大的沖擊電流，有可能損害整流二極管。解決辦法：在三相整流橋和濾波電容器之間，接入限流電阻R,將濾波電容器的充電電流限制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，當(dāng)濾波電容器已經(jīng)充電完畢后，由接觸器KM2將電阻R短接。5) 死區(qū)補(bǔ)償。在三相電壓型逆變電路180°導(dǎo)電方式逆變器中，由于開關(guān)器件固有存儲(chǔ)時(shí)間的影響，其關(guān)斷時(shí)間一般長于其開通時(shí)間，因此為了防止同一相上下兩開關(guān)器件同時(shí)

13、導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源的短路，通常設(shè)置開關(guān)時(shí)滯兀，這就是人們通常所說的“死區(qū)”。即先給應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留一定的時(shí)間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號(hào)，即在兩者之間留一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間。通常利用軟件來設(shè)置死區(qū)時(shí)間，即延時(shí)程序。圖5-2-1 過電流保護(hù)電路過電壓保護(hù)過電壓產(chǎn)生的原因主要來自電擊、電網(wǎng)中的電壓浪涌尖峰，以及電路內(nèi)部開關(guān)器件開通關(guān)斷引起的電壓尖峰。阻容吸收電路實(shí)現(xiàn)過電壓保護(hù)。阻容吸收電路的作用是利用電容來吸收尖峰過電壓，利用與電容相串聯(lián)的電阻來消耗過電壓的能量，從而抑制引起的震蕩。通常阻容吸收電路就直接并聯(lián)與電力電子裝置的兩端，不僅可以抑制開關(guān)換流引起的尖峰電壓，還可

14、以吸收母線上的浪涌電壓。圖5-2-2過電壓保護(hù)5.3緩沖電路設(shè)計(jì)緩沖電路實(shí)際上是一種開關(guān)輔助電路，利用它可以減少器件在開關(guān)過程中產(chǎn)生的過電壓、過電流、過熱、du/dt、di/dt，確保器件的可靠運(yùn)行。所以緩沖吸收電路設(shè)計(jì)對(duì)于電力電子器件是十分重要的。圖5-3-1目前IGBT的緩沖電路主要采用鉗位式RCD吸收電路，通常有如圖5-3-1所示的三種形式。1. 低電感吸收電容構(gòu)成的緩沖電路，如圖5-3-1(a)。該緩沖電路適用于小功率IGBT模塊，其端電壓穩(wěn)定時(shí)間過長，而且緩沖電路容易產(chǎn)生震蕩。2. RCD緩沖，如圖5-3-1(b)。緩沖電路跨接于IGBT模塊的正、負(fù)電源之間來抑制過電壓；當(dāng)上、下橋臂

15、的任意一個(gè)IGBT由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷時(shí)，線路雜散電感的能量經(jīng)二極管VD沖向電容C，模塊正、負(fù)極之間的電壓被鉗在電容電壓上來抑制過電壓。該緩沖電路方式適用于較大功率的IGBT模塊。其中緩沖二極管的反向恢復(fù)特性雖不影響關(guān)斷過程的峰值電壓，但會(huì)使端電壓穩(wěn)定時(shí)間過長，因此，要選擇反向恢復(fù)時(shí)間短的二極管。3. P型RCD和N型RCD共同構(gòu)成的緩沖電路，如圖5-3-1(c)。該緩沖電路適用于大功率IGBT模塊，其功能類似于圖5-3-1(b)緩沖電路，但其回路電感更小。其優(yōu)點(diǎn)是吸收電容的取值為RCD緩沖電路的一半，降低了損耗。綜合以上三種緩沖電路，本設(shè)計(jì)選擇第三種緩沖電路。緩沖二極管的選擇緩沖二極管必須選擇過渡

16、正向電壓低、逆向恢復(fù)時(shí)間短、逆向恢復(fù)特性較軟的快恢復(fù)二極管。對(duì)于額定電流，至少不小于主電路器件的1/10。根據(jù)上面計(jì)算，選擇二極管的額定電壓為800V，額定電流為緩沖電容的選擇緩沖電容的取值可實(shí)驗(yàn)確定或參考工程手冊(cè)。緩沖電容要選用高頻特性優(yōu)良的電容如薄膜電容器等。額定電壓的選擇。有上面的計(jì)算可知，直流側(cè)的平均電壓為514.8V，考慮到浪涌沖擊，選擇額定電壓為800V的電容。電容值的選取。緩沖電容的容量值根據(jù)下式簡單估算：式中：L是主電路的分布電感；是IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極電流；是緩沖電容電壓的最終值；U是直流母線電壓。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇電容的電容值為40。緩沖電阻的選擇對(duì)緩沖電阻性能的要求是：

17、在IGBT進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)，能將緩沖電容上聚積的電荷及時(shí)放掉。IGBT關(guān)斷時(shí)，以放電90%的積聚電荷為條件，可以用下式簡單估算出緩沖電阻值：式中：f為功率器件的開關(guān)頻率。帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，可以估算出為100。5.4輸出濾波設(shè)計(jì)逆變器的輸出波形是SPWM方波，含有諧波成分，為了使輸出波形正弦化，必須采用輸出濾波器。由于本系統(tǒng)要求輸出的頻率為250Hz，所以在輸出端采用LC低通濾波器濾除高次諧波。電感阻抗值，頻率升高而升高；電容阻抗值，隨頻率升高而降低。所對(duì)應(yīng)的頻率為截止頻率。與L、C對(duì)應(yīng)的關(guān)系：本課程設(shè)計(jì)中逆變器輸出電壓基波頻率可在2Hz50Hz變化，載波頻率可為1000Hz，一般確定輸出濾波器中電感

18、和電容的截止頻率位于中間頻段，使之滿足。其中f和分別表示逆變器輸出的最大頻率和PWM載波頻率。因此假如截止頻率為1kHz?？梢钥闯鰂，則，此時(shí)對(duì)基波信號(hào)的阻力很小，允許基波信號(hào)暢通；又，則，此時(shí)對(duì)低次諧波的阻力很大，因此濾波器不允許諧波信號(hào)通過。因此當(dāng)我們將LC振蕩電路的振蕩頻率設(shè)計(jì)為就能有效的濾除高次諧波。現(xiàn)在計(jì)算L，C的值，我們知道令為特性阻抗，則L=所以得 C=綜合以上幾式可得由上式可知，只要知道，的值，便可計(jì)算出L，C特性阻抗與負(fù)載阻抗的關(guān)系是因電感值大的電感體積大，因此在實(shí)際中，可以將電容取得大些，而將電感取得相對(duì)小些。最終我們?cè)O(shè)計(jì)選取的輸出濾波器電感為0.5mH，電容為60。5.5

19、逆變變壓器選擇首先，確定變壓器的額定容量。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸出交流額定相電壓為220V，額定相電流為240A，則最大負(fù)載功率為選擇變壓器的容量為200KW。確定變壓器的變比：逆變橋的輸出電壓有效值為：所以變壓器的變比為：六、PWM控制策略SPWM的控制分為計(jì)算法和調(diào)制法。如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，PWM波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確的計(jì)算出來。但是計(jì)算法相當(dāng)繁瑣、當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。調(diào)制法是把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。在調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。在實(shí)際應(yīng)用中可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)功率開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波形。但這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。因此，目前SPWM波形的生成和控制多用集