无源三相PWM逆变器控制电路设计

无源三相PWM逆变器控制电路设计一、课程设计的目的通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。

2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。

3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。

4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。

5、提高学生课程设计报告撰写水平。

二、课程设计的要求1注意事项控制框图设计装置（或电路）的主要技术数据主要技术数据输入交流电源：三相380V，f=50Hz交直变换采用二极管整流桥电容滤波电路，无源逆变桥采用三相桥式电压型逆变主电路，控制方法为SPWM控制原理输出交流：电流为正弦交流波形，输出频率可调，输出负载为三相异步电动机，P=5kW等效为星形RL电路，R=10Ω，L=15mH2.在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力3.在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力4.课题设计的主要内容是主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。

报告最后给出所设计的主电路和控制电路标准电路图。

5.课程设计用纸和格式统一三设计内容：整流电路的设计和参数选择滤波电容参数选择三相逆变主电路的设计和参数选择IGBT电流、电压额定的选择三相SPWM驱动电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图根据要求，整流电路采用二极管整流桥电容滤波电路， 其电路图如图2.1所示：图2.1 考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形a ）电路原理图b ）轻载时的交流侧电流波形c ）重载时的交流侧电流波形1. 其工作原理如下所示：该电路中，当某一对二级管导通时，输入直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。

当没有二级管导通时，由电容向负载放电，u d 按指数规律下降。

设二极管在局限电路电压过零点δ角处开始导通，并以二极管VD 6和VD 1开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为u ab =6U 2sin （ωt+δ）a)c)R462i i而相电压为u a =2U 2sin(ωt+δ－6π)在ωt=0时，二极管VD 6和VD 1开始同时导通，直流侧电压等于u ab ；下一次同时导通的一对管子是VD 1和VD 2，直流侧电压等于u ab 。

这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在VD 1和VD 2同时导通之前VD 6和VD 1是关断的，交流侧向直流侧的充电电源i d 是断续的；另一种是VD 1一直导通，交替时由VD 6导通换相至VD 2导通，i d 是连续的。

介于二者之间的情况是，VD 1和VD 6同时导通的阶段与VD 1和VD 2同时导通的阶段在 ωt+δ=32π出恰好连接起来，i d 恰好连续。

由 “电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。

假设在wt +d =2p /3的时刻“速度相等”恰好发生，则有可得 wRC =这就是临界条件。

wRC > 和 wRC < 分别使电流i d 断续和连续的条件。

对一个确定的装置来讲，通常只有R 是可32=+t )]-32(-t [RC 1m 32=+t mt)(32sin E )()]+t sin([E πθωθπωωπθωωπωθωd e d t d d ⎭⎬⎫⎩⎨⎧=-333变的，它的大小反映了负载的轻重。

因此可以说，在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R=wC。

考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况：电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。

随着负载的加重，电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。

2．由电容滤波电路的原理分析可知，该电路的特点如下所示：（1）二极管的导电角θ<π，流过二极管的瞬时电流很大电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。

在纯电阻负载时，变压器副边电流的有效值I2 = 1.11I L，而有电容滤波时（2）负载平均电压V L升高，纹波（交流成分）减小，且R越大，电容放电速度越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。

为了得到平滑的负载电压，一般取≥(3～5)式中T为电源交流电压的周期。

（3）负载直流电压随负载电流增加而减小。

V L随I L的变化关系称为输出特性或外特性，如图1所示。

C值一定，当，即空载时当C=0，即无电容时在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足式≥(3～5) 的关系时，电容滤波电路的负载电压V L V2的关系约为V L=(1.1～1.2)V2总之，电容滤波电路简单，负载直流电压V L较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

2.3 二极管的选择在选择整流二极管时，主要考虑两个参数，即最大整流电流和反向击穿电压。

在桥式整流电路中，二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为在选择整流管时应保证其最大整流电流I F > I D。

二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从桥式整流电路的工作原理中得出。

在v2正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止。

此时D2、D4所承受的最大反向电压均为v2的最大值，即同理，在v2的负半周，D1、D3也承受到同样大小的反向电压。

所以，在选择整流管时应取其反向击穿电压V BR > V RM。

根据要求，逆变电路采用三相桥式电压型逆变电路，其电路图如图3.1所示：图3.11.1其工作原理如下：（1）该电路是采用双极性控制方式。

U,V,W三相的PWM 控制通常公用一个三角载波u c,三相的调制信号u rU,u Rv和u rW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u rU大于u c时，给上桥臂V1导通信号，给下桥臂V4以关断信号，则U相相对于直流电源假象中点N’的输出电压u Un’=U d/2。

当u rU小于u c时，给V4一导通信号，给V1上桥臂关断信号时，则u UN=2d U。

V1和V4的驱动信号始终是互补的。

当给V1（V4）以导通信号，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通这要由阻感负载中电流方向来决定。

这是因为阻感负载中电流的方向来决定的。

V相及W相的控制方式都相同。

电路波形如图所示。

可以得出，的PWM波形都只有两种电平，当臂1臂6导通时u UV=U d，当臂3和臂4导通时u UV=－U d，当臂1和臂3或臂4和臂6导通时u UV=0。

因此，逆变器的输出线电压PWM波由 U d和0三种电平构成。

而且负载相电压PWM 波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成，其波形图如图3.2所示。

图3.2（2）U相的控制规律当u rU>u c时，给V1导通信号，给V4关断信号，u UN’=U d/2当u rU<u c时，给V4导通信号，给V1关断信号，u UN’=-U d/2 当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通2．IGBT的选择参数的选择一条原则是适当留有余地，这样才能确保长期、可靠、安全地运行。

工作电压≤50%-60%，结温≤70-80%在这条件下器件是最安全的。

制约因素如下：（1）在关断或过载条件下，IC要处于安全工作区，即小于2倍的额定电流值；IGBT峰值电流是根据200%的过载和120%的电流脉动率下来制定的；结温一定<150℃以下，指在任何情况下，包括过载时。

（2 ）开通电压15V±10%的正栅极电压，可产生完全饱和，而且开关损耗最小，当<12V时通态损耗加大，>20V时难以实现过流及短路保护。

（3）关断偏压-5到-15V目的是出现噪声仍可有效关断，并可减小关断损耗最佳值约为-10V。

（4） IGBT不适用线性工作，只有极快开关工作时栅极才可加较低3—11V电压（5）饱和压降直接关系到通态损耗及结温大小，希望越小越好，但价格就要大。

所以根据IJBT的制约因素，主电路的电流电压值及设计要求，采用的IJBT管是GTl53101。

第四章 PWM逆变电路的工作原理PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变逆变输出频率。

1．PWM控制的基本原理PWM控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）理论基础: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。

冲量指窄脉冲的面积。

这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同PWM波形可等效的各种波形，例如：直流斩波电路可以等效直流波形；PWM波可以等效正弦波形；还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM 控制相同，也基于等效面积原理。

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波的方法：⑴正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；⑵用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等。

这样就可得到PWM 波形。

由上方法可知各脉冲的幅值相等，而宽度按正弦规律变化。

对于正弦波的负半周，也可用同样的方法得到PWM波形。

像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM波形。

要改变等效输出正弦波幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。

2．控制方法调制信号ur 为正弦波,载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur 的负半周为负极性的三角波。

在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。

在ur的半个周期内三角波载波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称为单极性PWM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u r 的一个周期内，输出的PWM 波只有±U d 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u r 和载波信号u c 的交点时刻控制各开关的通断。

在u r 的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。

第五章 三相正弦交流电源发生器本设计需要三相正弦交流电源发生器，根据设计要求，确定其电路图如图5.1所示，在图5.1中，用双联电位器同时改变R 7和R 12，就可以改变正弦参考信号的频率，从而实现了变频功能。

在本设计中，我用一个三相变频正弦参考信号发生电路代替了生成SPWM 信号的专用芯片。