逆變電源設(shè)計(jì)

1、等級(jí):湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱電力電子技術(shù)課題名稱逆變電源專 業(yè)班 級(jí)電 氣學(xué)號(hào)姓名指導(dǎo)教師蔡斌軍2013年 6月30日湖南工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱 電力電子技術(shù)課 題逆變電源設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào)指導(dǎo)老師蔡斌軍審 批蔡斌軍任務(wù)書下達(dá)日期2013年5月 31日任務(wù)完成日期2013年6月10日設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)內(nèi)容：1 理論設(shè)計(jì)：根據(jù)所學(xué)的理論知識(shí)，了解 DC AC電路的工作原理，設(shè)計(jì)整流電路的主電路和控制電路。2 仿真實(shí)踐：根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，利用仿真軟件MATLAB建立模型，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析系統(tǒng)所得到的波形。3 動(dòng)手實(shí)踐：在仿真所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的

2、基礎(chǔ)上，利用PROTE軟件繪出原理圖，結(jié)合具體所用元器件管腳數(shù)、外型尺寸、考慮散熱和抗干 擾等因素，設(shè)計(jì)PCB印刷電路板，復(fù)雜電路板通過(guò)外協(xié)完成，簡(jiǎn)單 電路板可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室自制，最后在電力電子實(shí)驗(yàn)室完成系統(tǒng) 電路的組裝、調(diào)試，分析所得到的結(jié)果。設(shè)計(jì)要求：1 完整的設(shè)計(jì)方案，計(jì)算過(guò)程。2 設(shè)計(jì)說(shuō)明書應(yīng)規(guī)范。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)與仿真結(jié)果基本一致。4. 每班可以選三組，每組2人，要求選用不同型式的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （單極式、雙極式、受限單極式），采用不同的SPWM成方法（如 自然采樣法、規(guī)則采樣法、S函數(shù)實(shí)現(xiàn)等）。主要設(shè)計(jì)條件1設(shè)計(jì)一逆變電源，輸入為 40CV直流電壓，輸出三相電壓正弦，相 電壓范圍1

3、00220V可以調(diào)節(jié)。2、提供試驗(yàn)和仿真條件。說(shuō)明書格式1. 封面2. 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書3. 目錄4. 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)5. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)6. 軟件設(shè)計(jì)（包括流程圖）7. 系統(tǒng)的安裝調(diào)試說(shuō)明8 總結(jié)9、參考文獻(xiàn)10、附錄11、課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)分表。進(jìn)度安排第一周 星期一：課題內(nèi)容介紹和查找資料；星期二:總體電路方案確定星期三:主電路設(shè)計(jì)星期四:控制電路設(shè)計(jì)星期五:控制電路設(shè)計(jì)；第二周 星期一：控制電路設(shè)計(jì)星期二：電路原理及波形分析、實(shí)驗(yàn)調(diào)試及仿真等星期四:寫設(shè)計(jì)報(bào)告，打印相關(guān)圖紙；星期五:答辯及資料整理參考文獻(xiàn)1石玉 栗書賢電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計(jì)指導(dǎo)機(jī)械工業(yè)出版社，19982王兆安 黃俊電力電

4、子技術(shù)（第4版）.機(jī)械工業(yè)出版社，20003浣喜明 姚為正電力電子技術(shù)高等教育出版社，20004莫正康電力電子技術(shù)應(yīng)用（第 3版）.機(jī)械工業(yè)出版社，20005 鄭瓊林耿學(xué)文電力電子電路精選機(jī)械工業(yè)出版社，19966劉定建，朱丹霞實(shí)用晶閘管電路大全機(jī)械工業(yè)出版社，19967 劉祖潤(rùn) 胡俊達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)機(jī)械工業(yè)出版社，19958劉星平電力電子技術(shù)及電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)校內(nèi)，1999一 緒論錯(cuò)誤!未定義書簽。二系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)7三逆變功率器件的選擇8四逆變電路的設(shè)計(jì)94.1逆變電路的介紹94.2 三相電壓源型逆變電路 10五主電路的設(shè)計(jì)115.1主電路115.2整流電路12六控制電路的設(shè)計(jì)12七驅(qū)動(dòng)

5、電路設(shè)計(jì)14八總結(jié)16九附錄169.1總電路圖169.2參考文獻(xiàn)16一緒論電源設(shè)備廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防設(shè)施及人民生活等各個(gè)方面，是電子設(shè)備和機(jī)電設(shè)備的基礎(chǔ)，她與國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門相關(guān)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用得最為廣泛。 可以說(shuō)，凡是涉及電子和電工技術(shù)的一切 領(lǐng)域都要用到電源設(shè)備。逆變技術(shù)，逆變技術(shù)就是電力電子技術(shù)上的使直流變成交流（DC/AC）的一門技術(shù)，是電力電子學(xué)四種變換技術(shù)中最主要的一種。它了基本功能是是使交流電能（AC）與直流電能（DC）進(jìn)行相互變換.它是電力電子技術(shù) 領(lǐng)域中最為活躍的部分.逆變器就是通過(guò)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件（SCR GTQ GTR IGBT和功率MOSFE模塊等

6、）開(kāi)通和關(guān)斷作用,實(shí)現(xiàn)逆變的電能轉(zhuǎn)換 裝置。逆變電源具有各種保護(hù)和運(yùn)行控制功能，具有完善的運(yùn)行參數(shù)顯示和實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊能力，具體如下：1）通用性：不僅可以作為獨(dú)立電源使用，還可以實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓的相位同頻，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓的相互切換，作為后備式正弦波UPS使用，不可以廣泛應(yīng)用于電力、郵電鐵路等領(lǐng)域。2）智能化：系統(tǒng)有實(shí)時(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)，可以隨時(shí)對(duì)對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控，對(duì) 工作參數(shù)進(jìn)行修改調(diào)節(jié)。3）高性能：立足于產(chǎn)品化設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)合理的控制策略，實(shí)現(xiàn)逆 變電源的咼效率、咼可靠性、咼品質(zhì)。本次課程設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)輸入為 400V直流電壓，輸出三相電壓正 弦，相電壓范圍100220V可以調(diào)節(jié)的逆變電源

7、。二系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)三相電壓型PWMK變電源系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示，它可以分為四個(gè) 功能模塊：逆變電路、輸出濾波器、驅(qū)動(dòng)電路和SPWM脈寬調(diào)制電路。整流電路是一個(gè)三相DC/AC變換電路，功能是把DC400V勺電源進(jìn)行三相逆 變后轉(zhuǎn)換成可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電壓的電源電路。 逆變電路是該電源的關(guān) 鍵電路，其功能是實(shí)現(xiàn)DC/AC的功率變換，即在逆變電路的控制下把直流 電源轉(zhuǎn)換成三相SPW波形供給后級(jí)濾波電路，形成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。輸出 濾波器是由L、C組成，濾去SPW波中高頻成分。圖2-1系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖三逆變功率器件的選擇絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是一種新發(fā)展起來(lái)的復(fù)合型功率開(kāi)關(guān)器件， 它既有單極型

8、電壓驅(qū)動(dòng)的 MOSO F的優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合了雙極型開(kāi)關(guān)器件 BJT 耐高壓，電流大的優(yōu)點(diǎn)。其開(kāi)關(guān)速度顯然比功率 MOSFE低，但遠(yuǎn)高于BJT， 又因?yàn)樗请妷嚎刂破骷?，故控制電路?jiǎn)單、穩(wěn)定性好。IGBT的最高電壓為1200V,最大電流為1000A工作頻率高達(dá)1000kHz。它具有電壓控 制和開(kāi)關(guān)時(shí)間（約為300ns）極短的優(yōu)點(diǎn)。其正向壓降約為 3V。在現(xiàn)代的UPS中IGBT普遍被用作逆變器或整流器開(kāi)關(guān)器件。它是全 控型開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)數(shù)控技術(shù)控制IGBT的通斷，能有效地將輸入電壓與 輸入電流保持同步，是功率因數(shù)等于 1,從而減小了 UPS整流器對(duì)市電電 源的干擾。本設(shè)計(jì)選用IGBT場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為逆

9、變器用功率開(kāi)關(guān)器件。下面就 對(duì)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）做簡(jiǎn)單的介紹。IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路和電氣符號(hào)如圖3-1示。圖（a）為IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與MOSFE比較，IGBT是在MOSFE的漏極下又增加了一個(gè) P區(qū)， 多了一個(gè)卩“結(jié)（Ji）。IGBT的等效電路如圖3-1 （b）所示。它是有MOSOFT 和雙極型功率晶體管復(fù)合而成的。IGBT的電氣符號(hào)如圖（c）。內(nèi)饕絡(luò)構(gòu)cm 琴妊田尿既城再號(hào)圖3-1 IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路和電氣符號(hào)IGBT具有正反向阻斷電壓高、 通態(tài)電壓大及通過(guò)電壓來(lái)控制其導(dǎo)通或關(guān)斷等特 點(diǎn)。同時(shí)，由于采用MOS柵，其控制電路的功耗小， 導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的靜態(tài)功耗也很 小

10、，只是在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在一定的動(dòng)態(tài)損耗。這種動(dòng)態(tài)損耗也可以通過(guò)軟開(kāi)關(guān) 即使使其達(dá)到最小。由于 IGBT具有這些特點(diǎn)，才使其被廣泛地作為功率開(kāi)關(guān)期間 用于開(kāi)關(guān)和逆變電路中。四逆變電路的設(shè)計(jì)4.1逆變電路的介紹逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(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。 當(dāng)交流側(cè) 接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時(shí)，稱為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載鏈接時(shí)，稱為無(wú)源逆變。1）器件換流：利用全控型器件自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。2）電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供換流電壓。3）負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓。4）強(qiáng)迫換流：設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管施加反向電

11、 壓或反向電流的換流方式。通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，也 稱為電容換流。電壓型逆變電路有以下主要特點(diǎn)：1）直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓 基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。2）由于支路電壓源的箝位作用，交流側(cè)輸出電壓波形位矩形波，并 且與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不 同而不同。3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú) 功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋 各臂都并聯(lián)了反饋二極管。4.2三相電壓源型逆變電路用三個(gè)單相逆變電路可以組合成一個(gè)三相逆變電路 ，本課題設(shè)計(jì)就采 用IGBT作為

12、開(kāi)關(guān)器件的電壓型三相橋式逆變電路,其基本工作方式是180度導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電度數(shù)為 180度,同一相上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，個(gè)相導(dǎo)電的角度依次相差120度,這樣,在任一瞬間，將三個(gè)橋臂 同時(shí)導(dǎo)通。可能上面一個(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂導(dǎo) 通。因?yàn)闆](méi)次換流都是在同一上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，因此也被稱為縱 向換流。通過(guò)圖示三相電壓型逆變電路來(lái)說(shuō)明其最基本的工作原理。圖2-8中Vdi、Vd 2、Vd3、Vd 4、Vd5、Vd6是橋式電路的6個(gè)臂，它們由電力電子 器件及其輔助電路組成。當(dāng)Vdi、Vd2、Vd3閉合Uao為正，Vd4、Vd5、Vd6 閉合Uao為負(fù)。其他兩相類似。這樣，

13、就把直流電變成了交流電，改變?nèi)?組開(kāi)關(guān)的切換頻率，即可改變交流電的頻率。這就是逆變的電路的最基本 的工作原理。五主電路的設(shè)計(jì)5.1主電路設(shè)計(jì)要求的參數(shù)如下：直流側(cè)輸入電壓:DC-400V輸出交流電壓:AC-100V220V可調(diào)輸出頻率：50Hz系統(tǒng)主電路圖如下:如圖5-1所示主電路,1圖5-1 主電路圖，本系統(tǒng)首先通過(guò)直土，將輸入的 400V直流電斬波為3波信為 50Hz電路將該信壓。最終通過(guò)變'為 100V壓咨ov交流電,逆變成10V頻率成的三相電壓型橋式逆變50Hz 的=r號(hào)后,信號(hào) 通過(guò)由gBt紐壓濾波后供給負(fù)載使5.2整流電路整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種 ，它將交 流

14、變?yōu)橹绷麟姡?應(yīng)用十分廣泛。本論文設(shè)計(jì)中采用三相不可控整流電路，如圖3-4所示:該電路圖中，由六個(gè)二極管組成三相整流橋，將電源的三相交流電全波整 流成直流電。電源的線電壓為Ul，則三相全波整流后平均直流電壓 Ud的大小是Ud二極管不可控三相整流電路輸出的直流電含有輸入交流電6倍頻率的紋波，通過(guò)大電容將帶有紋波的電壓波形濾得比較平滑。六控制電路的設(shè)計(jì)SPWM波的實(shí)現(xiàn)逆變電源控制電路的核心是SPW發(fā)生器。SPWM的實(shí)現(xiàn)寶庫(kù)分立電路、集 成芯片和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。他們的電氣性能和成本有所不同， 各有自己的優(yōu)勢(shì) 和不足之處。逆變電源SPWMfe路的調(diào)制頻率固定為50Hz不變，為了降低 成本。下圖為分立電路的

15、組成：圖6-1 SPWM逆變電源控制電路其中正弦波發(fā)生器和三角波發(fā)生器分別由下圖所示uo正弦波輸出圖6-2正弦波發(fā)生器IM圖6-3三角波發(fā)生器以標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)為參考，將輸出電壓的反饋信號(hào)與之相比較，經(jīng) 由IC1以及外圍電路組成的PI型誤差放大器調(diào)節(jié)后得到一個(gè)控制信號(hào)， 送IC2去調(diào)制三角波，即可得到 SPWM波形。IC3和IC4分別為正負(fù)值 比較器，他們的輸出信號(hào)分別是IC5和IC6，從而將SPWM腳踢的分成 兩路，各自放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管對(duì)，控制主回路完成SPWM逆變。需要注意的是，驅(qū)動(dòng)電路要將沒(méi)一個(gè)信號(hào)分成相互隔離的兩路，分別驅(qū)動(dòng)處理對(duì)角位置上的兩只開(kāi)關(guān)管。以上控制的電路的特點(diǎn)是不僅能

16、控制正弦波輸出有效值，還能調(diào)節(jié)輸出電壓的瞬時(shí)值，優(yōu)化波形，減小諧波失真，提高帶負(fù)載能力。過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流保護(hù)采用電流互感器作為電流控制元件， 其具有足夠快的響應(yīng) 速度，能夠在IGBT允許的過(guò)載時(shí)間將其關(guān)斷，起到保護(hù)作用。當(dāng)同相輸入端流過(guò)電流，檢測(cè)信號(hào)比反相輸入端參考電平高時(shí)， 比較 器輸出高電平，使D1從原來(lái)的反向偏置狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎驅(qū)?，并把同?端電位提升為高電平，使電壓比較器一直穩(wěn)定輸出高電平同時(shí)， 該過(guò)流信 號(hào)還送到SG3525的腳10，當(dāng)SG3525的腳10為高電平時(shí)，其腳11及腳*15?EXB84C簡(jiǎn)介:為混合集成電路，能驅(qū)動(dòng)高達(dá) 150A叭】4-127圖6-4寸過(guò)電流保護(hù)電路14上

17、的輸出的脈寬條紙脈沖就會(huì)立即消失而成為零600V IGBT 和高達(dá)75A 的1200V IGBT。由于驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)延遲時(shí)間小于 1.5卩s,所以此混合集成電路適用于大約40kHz的開(kāi)關(guān)操作。它僅需20V電源供電，內(nèi)置光 耦合器，高絕緣耐壓，內(nèi)置過(guò)電流保護(hù)電路，附帶過(guò)電流檢測(cè)輸出端子， 可實(shí)現(xiàn)高密度安裝的SIL封裝。EXB84C芯片各引腳功能如下表:端子編號(hào)功能連接用于反向偏置電源的濾波電容電源（+20V）驅(qū)動(dòng)輸出用于連接外部電容，以防止過(guò)流保護(hù)電路誤動(dòng)作（絕大部分場(chǎng)合不需要電容。）過(guò)流保護(hù)輸出集電極電壓監(jiān)視不接電源（0V）11不接14驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（-）15驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（+）EJCB：8-4a

18、八總結(jié)逆變電源設(shè)備廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防設(shè)施及人民生活等各個(gè)方 面，是電子設(shè)備和機(jī)電設(shè)備的基礎(chǔ)。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)逆變電源主電路、 控制電路等電氣控制電路環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)以及對(duì)電路元件參數(shù)的計(jì)算與選擇，了解了逆 變電源設(shè)計(jì)的全過(guò)程，鞏固和加強(qiáng)了本專業(yè)的專業(yè)理論知識(shí)，同時(shí)設(shè)計(jì)也滿足了現(xiàn) 代工程設(shè)計(jì)的要求，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)課程電力電子技術(shù) 理論知識(shí)的理 解，特別是有關(guān)逆變電路方面的知識(shí)。同時(shí)也培養(yǎng)了以下幾點(diǎn)能力：第一：提高了自己完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告水平， 提高了自己的書面表達(dá)能 力。具備了文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用In tel網(wǎng)檢索需要的文獻(xiàn)資 料。第二：提高了運(yùn)用所學(xué)的各門知識(shí)解決問(wèn)題的能力，在本次課程設(shè)計(jì)中，涉及到很多學(xué)科，包括：電力電子技術(shù)