電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告交-直-交PWM變頻電源設(shè)訃第一章 交-直-交PWM變頻電源設(shè)計(jì)方案1. 設(shè)計(jì)要求輸出交流額定相電壓220V,額定相電流240A,頻率變化范圍2-50HZ,其交流 輸入線(xiàn)電壓為380V,電壓波動(dòng)率為?10%o2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容(1) 變頻電源方案論證及設(shè)計(jì)(2) 主回路元件設(shè)計(jì)(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策略(7) 濾波電路設(shè)計(jì)(8) 逆變變壓器設(shè)計(jì)3. 交-直-交PWM變頻電源方案三ill交1?電»邂三可沆I三相竹弍所設(shè)計(jì)的交-直-交PWM變頻電源的總體框圖如上所示，其中，各部分如下:對(duì)于AC-DC部分，山于三相交流

2、輸入線(xiàn)電壓為380W電壓波動(dòng)率為?10%,故此 采用電容濾波的三相不可控整流電路，電路圖如下:交-直-交PWM變頻電源設(shè)計(jì)加入電容C,濾平全波整流后的電壓紋波，另外當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使直流電壓保 持平穩(wěn)。對(duì)于DC-AC部分，山于指定用PWM控制技術(shù)進(jìn)行逆變，故此采用三相橋式PWM電壓型逆變電路，電路圖如下:電路中的兩個(gè)電容即為總體框圖中的C和C。ab驅(qū)動(dòng)電路如下：山于本交-直-交PW變頻電源的逆變電路采用三相橋式PWM電壓型逆變電路， 根據(jù)其特點(diǎn)，要求逆變電路中釆用全控型電力電子器件，然而電力電子器件中的全 控型器件種類(lèi)較多，有電力MOSFET. GTR、GTO等。其中GR、GTO的關(guān)斷速度較 差

3、，會(huì)影響輸出波形，效果會(huì)很差。而IGBT則綜合了電力MOSFET以及GTR的特 點(diǎn)，所以本設(shè)訃中選擇IGBT作為逆變電路中的開(kāi)關(guān)器件。從而驅(qū)動(dòng)電路為IGBT的 驅(qū)動(dòng)電路。2交-直-交PWM變頻電源設(shè)訃笫二章主回路元件的設(shè)計(jì)與選擇交一直一交變頻電源電路主要由兩部分組成:交流變直流（一一）為整流部分， uUid采用電容濾波三相橋式不可控整流電路，直流側(cè)用電容進(jìn)行濾波，可得到平 直的中間直流電壓;直流變交流（一一）為逆變部分,采用三相橋式PWM型逆變電路。 Uudi2.1電容濾波的三相不可控整流電路VTd VT>3 V»5數(shù)量關(guān)系：(1) 輸出電壓平均值-6空載時(shí)，輸出電壓平均值最大

4、，為U二錯(cuò)誤未找到引用源。U二2.45U。隨著負(fù) d22載加重，輸出電壓平均值減小，至wRC二錯(cuò)誤未找到引用源。進(jìn)入i連續(xù)情況 后，輸d出電壓波形成為線(xiàn)電壓的包絡(luò)線(xiàn)，其平均值為U二2.34U?？梢?jiàn)，U在2. 34U 到 2. 45U 之 d2d22 間變化。V3(2) 電流平均值輸出電流平均值I為RI二U/R Rd與單相電路情況一樣，電容電流i平均值為零，因此，C1=1 dR在一個(gè)電源周期中，i有六個(gè)波頭，流過(guò)每一個(gè)二極管的是其中的兩個(gè)波頭， 因此二d極管電流平均值為1=1/3 VDd(3) 二極管承受的電壓二極管承受的最大反向電壓為線(xiàn)電壓的峰值，為錯(cuò)誤 未找到引用源。U2。器件參數(shù)的確定(1

5、) 電容的選定對(duì)于電容濾波的三相不可控整流電路，負(fù)載電流存在著連續(xù)與不連續(xù)的問(wèn)題， 本設(shè)計(jì)中確定負(fù)載電流連續(xù)，即滿(mǎn)足條件wRC二錯(cuò)誤未找到引用源。由于交流 輸入電源的V33交-直-交PWM變頻電源設(shè)訃工頻為50HZ,所以w=314rad/s, R取IKQ （本濾波整流電路右側(cè)為三相橋式 PWM型逆變電路，其輸入電阻比較大，故整定本濾波整流電路負(fù)載為1 KQ）。所 以，電容C=5.516nFo電容的電壓值以及電流值選?。河捎赨在2. 34U到2. 45U之間變化，故此電容兩端的電壓值的范圍也為2. 34U 到d2222. 45U之間。因此,可以得到2V32. 34X（380/錯(cuò)誤未找到引用源o

6、）V?U?2. 45（380/錯(cuò)誤未d找到引用源。）V vf3514. 8V?U?550V d在整個(gè)整流過(guò)程中，電容的電流平均值為零。根據(jù)上面計(jì)算，選擇電容參數(shù)如下：型號(hào):鋁電解電容CD71C品牌:雅斯特參數(shù):額定電壓750Y ,電容值:100UF（2）二極管的選定電壓值選取本電容濾波的三相不可控整流電路中各個(gè)二極管承受的最大反向電壓為錯(cuò)誤 未找到引用源。U即537. 40Vo , 2vr6選取一定的安全裕量，即取U為所承受的最大反向電壓的1到2倍VDU二537. 401074. 8V VD電流值選取I=I=U/R=0. 5148A dRd考慮到安全裕量，取i二1A c1=1/3二0. 171

7、6A VDd考慮到安全裕量，取i=0. 2A c根據(jù)上述il算，所以選擇二極管參數(shù)如下：型號(hào):2CP29峰值電流:0. 3A最大電壓:1000V數(shù)量:62. 2雙極性調(diào)制控制方式的三相橋式PWM電壓型逆變電路相關(guān)器件的選擇：(l) IGBT的選擇山于逆變電路直流側(cè)電壓為左側(cè)整流電路i連續(xù)時(shí)的電壓，即U二2. 34U二514. 8V。在dd2IGBT導(dǎo)通時(shí)，管壓降可忽略不訃，電感在充放電的過(guò)程中 平均電流為零，因此，電路中流過(guò)的電流為I=U/R=514. 8?1000=0. 5148A d4交-直-交PWM變頻電源設(shè)訃考慮一定的裕量，則IGBT的耐流值取I的1. 5倍，即0. 7722AIGBT

8、承受的電壓為U/2,即257. 4V,考慮一定的裕量，則IGBT的耐壓值 772.2V。d根據(jù)上述計(jì)算，選擇IGBT參數(shù)如下：型號(hào):GT153101最高耐壓值:1000V最高電流值；200A數(shù)量:6個(gè)2）二極管的選擇（二極管承受的電壓同為257. 4V,考慮一定的裕量，則二極管耐壓值取1.5倍， 即386. IV;二極管流過(guò)的電流為0. 5148A,考慮一定的裕量，則二極管耐流值取 1.5 倍，即 0. 7722A。根據(jù)上述計(jì)算，選擇二極管參數(shù)如下：型號(hào):BY550-1000峰值電流：1A額定最大電壓：1000V（3）電阻電容電感的選擇選擇三個(gè)1千歐姆的CF50碳膜電阻器，兩個(gè)鋁電解電容CD7

9、1C,三個(gè)SDRH62 繞線(xiàn)貼片功率電感。5交-直-交PWM變頻電源設(shè)訃笫三章驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動(dòng)多采用專(zhuān)用的混合集成驅(qū)動(dòng)器。常用的有三菱公司的M379系列（如 M57962L 和 M37939L）和富士公司的 WXB 系列（如 EXB840. EXB841、EXB850 和 EXB851）O同一系列的不同型號(hào)其引腳和接線(xiàn)基本相同，只是適用被驅(qū)動(dòng)器件的容 量和開(kāi)關(guān)頻率以及輸入電流幅值等參數(shù)有所不同。這些混合集成驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部都具有 退飽和監(jiān)測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT,并向外部 電路給出故障信號(hào)。本設(shè)計(jì)中采用三菱公司的M57962L型，其峰值輸出電流為5A,并有

10、短路保護(hù)電(1) 3個(gè)2DW110型穩(wěn)壓二極管型號(hào)的穩(wěn)壓二極管，其功率為0. 5W,最大鉗位壓 降為47Vo(2) 2個(gè)ST品牌的ST-LH鋁電解電容，其額定容量為47 uF,額定電壓為400V,耐壓值為450Vo(3) 1個(gè)4. 7千歐姆的CF100碳膜電阻器。6交-直-交PWM變頻電源設(shè)訃第四章保護(hù)電路4. 1短路保護(hù)利用死區(qū)生成電路進(jìn)行短路保護(hù)，其作用是防止逆變橋同一相上下兩個(gè)橋臂直通而造成短路。電路形式如下:UIIW1R1DKV2OUTC器件選擇：在電壓型逆變電路的PWM控制中，同一相上下兩個(gè)臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都是互補(bǔ)的。但實(shí)際上為了防止上下兩個(gè)臂直通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時(shí)要留一小

11、段 上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要山功率開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷時(shí) 間來(lái)決定。這個(gè)死區(qū)時(shí)間將會(huì)給輸出的PWM波形帶來(lái)一定影響，使其稍微偏離正弦 波。山于死區(qū)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間，而經(jīng)過(guò)滯回比較器輸出的信號(hào)最大幅值 約為5V,低電平為0.5V-t/RC根據(jù)電容充放電特性U二U(l-e) U=5V CSCmax-6令t=7Ms,則兩邊同時(shí)取 對(duì)數(shù)，得出結(jié)果為 RC二4. 3X10s,取 C=104pF, R二394. 6KQ所以選擇一個(gè)5OV-1O4PF-Z瓷片電容，一個(gè)394. 6 KQ的CF5O碳膜電阻器。4.2過(guò)電壓保護(hù)1、在IGBT中加上緩沖電路，吸收浪涌電圧。在緩沖電路的電

12、容器中使用薄膜電容，并配置在IGBT附近，使其吸收高頻浪涌電壓。具體方案在笫六章 緩沖電路的設(shè)計(jì)中將會(huì)說(shuō)明。2、調(diào)整IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的-和，減小di/dt VRGGE3、為了減小主電路和緩沖電路的配線(xiàn)電感，配線(xiàn)要更粗、更短。在配線(xiàn)中使 用銅條。另外進(jìn)行并列平板配線(xiàn)（分層配線(xiàn)），使用配線(xiàn)低電感化將有很大的效果。7交-直-交PWM變頻電源設(shè)計(jì)笫五章緩沖電路設(shè)計(jì)電力電子器件的緩沖電路（snubber circuit） 乂稱(chēng)吸收電路，它是電力電子器 件的一種重要的保護(hù)電路，不僅用于半控型器件的保護(hù)，而且在全控型器件（如 GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等）的應(yīng)用技術(shù)中起著重要的作用。本設(shè)計(jì)

13、中只設(shè)計(jì)到全控型器件IGBT, IGBT的緩沖電路功能更側(cè)重于開(kāi)關(guān)過(guò)程 中過(guò)電壓的吸收與抑制，這是由于IGBT的工作頻率可以高達(dá)3050kHz;因此很小 的電路電感就可能引起頗大的Ldi/dt,從而產(chǎn)生過(guò)電壓，危及IGBT的安全。C圖2 ）和圖2是PWM逆變器中IGBT在關(guān)斷和開(kāi)通中的和波形。III圖2 （a）可 見(jiàn)，iUCEC在下降過(guò)程中IGBT上出現(xiàn)了過(guò)電壓，其值為電源電壓UCC和Ld/dt兩者的疊 加。iiCC圏23«i5中IGBT關(guān)斷和幵通時(shí)IWiS：於圖2（b）為開(kāi)通時(shí)的和波形，圖中增長(zhǎng)極快的iC出現(xiàn)了過(guò)電流尖峰，當(dāng)回 iiiUCCPCPCE落到穩(wěn)定值時(shí)，過(guò)大的電流下降率同

14、樣會(huì)引起元件上的過(guò)電壓而須加以吸收（如圖所示）。逆變器中IGBT開(kāi)通時(shí)出現(xiàn)尖峰電流，其原因是曲于在剛導(dǎo)通的IGBT 負(fù)載電流上疊加了橋臂中互補(bǔ)管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，所以在此 二極管恢復(fù)阻斷前，剛導(dǎo)通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時(shí)貫穿短路，使出現(xiàn)尖 峰，為此需要串入抑流電感，即串iC聯(lián)緩沖電路，或放大IGBT的容量。本次用到的IGBT型號(hào)為T(mén)153101,高耐壓值為1000V,高電流值為200A,根據(jù)情況選擇緩沖電路結(jié)構(gòu)如下所示：8交-直-交PWM變頻電源設(shè)計(jì)如圖所示，逆變電路中采用了充放電型RCD緩沖電路。在無(wú)緩沖電路的情況下，逆變電路中的IGBT開(kāi)通時(shí)電流迅速上升，di/dt

15、很 大，關(guān)斷時(shí)du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過(guò)電壓。在有沖放型RCD緩沖電路的情況 下，開(kāi)通時(shí)緩沖電容先通過(guò)R向IGBT放電，使電流先上一個(gè)臺(tái)階，以后因?yàn)橛?di/dt抑制電路的緣故，電流上升速度減慢。緩沖電路中的電阻和二極管是在IGBT 關(guān)斷時(shí)提供放電回路而設(shè)置的。9交-直-交PWM變頻電源設(shè)計(jì)笫六章PWM策略PWM控制技術(shù)簡(jiǎn)介PWM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要波形（含形狀和幅值）。在采樣控制理論中有一條重要的結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有 慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。效果基本相同是指環(huán)節(jié) 的輸出響應(yīng)

16、波形基本相同。上述原理稱(chēng)為面積等效原理。以正弦PWM控制為例。把正弦半波分成'等份，就可以把其看成是'個(gè)彼此相 連的脈沖列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于，但幅值不等且脈沖頂部 不是水平直線(xiàn)而是曲線(xiàn)，各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖列利用相同 數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn) 重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積相等，就得到PWM波形。各PWM脈沖 的幅值相等而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波 是等效的。可見(jiàn)，所得到的PWM和期望得到的正弦波等效，也稱(chēng)為SPWM。本交-直 -交PWM變頻電源

17、的PWM逆變電路的控制方法采用雙極性調(diào)制方式。調(diào)制法的特點(diǎn)是:輸出波形作調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行調(diào)制得到期望的PWM波;通常采用 等腰三角波或鋸齒波作為載波;等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點(diǎn)水平寬度和高度成 線(xiàn)性關(guān)系且左右對(duì)稱(chēng);與任一平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交，在交點(diǎn)控制器件通斷， 就得寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，符合PWM的要求。調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，得 到的就是SPWM波;調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需波形時(shí)，也能得到等效的PWM 波。,主體框圖如下:二相正弦漩比較電路本設(shè)計(jì)中利用三角波發(fā)生器所生成的三角波作為載波信號(hào)。三角波發(fā)生器電路如下:10交-直-交PWM變頻電源設(shè)計(jì)比較器電路如下：選用滯回比較器

18、，因?yàn)闇乇容^器具有滯回特性，即慣性特性，有一定的抗干擾能力：死區(qū)生成電路的作用主要是是防止逆變橋同一相上下兩個(gè)橋臂直通而造成短 路。其結(jié)構(gòu)和器件已經(jīng)在笫五章保護(hù)電路中分析過(guò)了，這里不再重復(fù)。交-直-交PWM變頻電源設(shè)計(jì)第七章逆變電壓器的選擇逆變電壓器用于將PWM三相逆變電路輸出的電壓轉(zhuǎn)換為我們所需要的220V的 電源電壓，其主要結(jié)構(gòu)如下：逆變電壓T逆變電路輸出酔分 |交-直-交電漁輸出山于要求輸出交流額定相電壓為220V,而逆變電路輸出相電壓為U二514. 8V, 則變壓1器的匝數(shù)比為n二514. 8?220二2. 34。山于逆變變壓器是變換SPWM電壓波形，其基波成分山2HZ-50HZ,所

19、以選擇 400HZ的CD型硅鋼鐵芯。選擇原邊和副邊電壓比為600V/300V,由于副邊電壓可以根據(jù)需要訂做，所以 選取型號(hào)9-0. 6/0. 3型變壓器。即可，選擇SGL巧外，逆變變壓器副邊三相線(xiàn)路分別接一個(gè)1 QCF50碳膜電阻器，一個(gè)SDRH62 繞線(xiàn)貼片功率電感。12交-直-交PWM變頻電源設(shè)汁結(jié)論要實(shí)現(xiàn)交直交PW變頻電源下面的每一個(gè)步驟都是缺一不可的：1)變頻電源方 案論證及設(shè)計(jì)(2) 主回路元件設(shè)計(jì)(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策略(7) 濾波電路設(shè)計(jì)(8) 逆變變壓器設(shè)計(jì)以上的每一步保證了電路的正常工作。13交-直-交PWM變頻電源設(shè)訃設(shè)計(jì)體會(huì)我做的是一個(gè)交-直-交PWM變頻電源的設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)過(guò)程中我學(xué)到了很多東西。首先，通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我加深了在課堂上所學(xué)的電力電子知識(shí)的理解，同時(shí)掌 握了電力電子設(shè)計(jì)的思路和步驟，更重要的是所學(xué)的理論知識(shí)很好的運(yùn)用到了實(shí)際 工程當(dāng)中。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，涉及了很多知識(shí)，有許多是我們課堂上所沒(méi)有 的，我通過(guò)圖書(shū)館找資料和網(wǎng)上的搜索，學(xué)到了很多以前沒(méi)有的東西。因此本次設(shè) 計(jì)不但使我對(duì)所學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化，也鍛煉了我查找資料，分析信息，選擇判斷的能 力。另外，開(kāi)始做課程設(shè)計(jì)時(shí)，根本不知從哪下手，現(xiàn)在想想，其根本原因是沒(méi)有 整理好思路。所以一個(gè)很深的感