電力電子課程設(shè)計(jì)三相變頻電源的設(shè)計(jì)

1、電力電子課程設(shè)計(jì)學(xué)院：電氣與動(dòng)力工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程和其自動(dòng)化班級(jí):姓名:學(xué)號(hào):指導(dǎo)老師:寸錄第一章：課程設(shè)計(jì)的目的和要求 11.1課程設(shè)計(jì)的目的 11.2課程設(shè)計(jì)的要求 11.3課程設(shè)計(jì)報(bào)告基本格式 3第二章：三相變頻電源介紹 3第三章 MATLAB軟件的介紹 4第四章：整流電路的設(shè)計(jì) 54.1整流電路工作原理 54.2電容濾波的不可控整流 64.3整流模塊的計(jì)算和選型 10第五章：逆變電路的設(shè)計(jì) 135.1逆變電路的工作原理和波形 135.2二極管和IGBT參數(shù)選擇 16第六章：SPWM逆變電路18第七章：驅(qū)動(dòng)電路 22第八章：MATLAB軟件仿真22第九章：附錄和參考文獻(xiàn) 25第十章：

2、課程設(shè)計(jì)的心得體會(huì) 26第一章：課程設(shè)計(jì)的目的和要求1、課程設(shè)計(jì)的目的通過電力電子計(jì)術(shù)的課程設(shè)計(jì)達(dá)到以下幾個(gè)目的：1）培養(yǎng)文獻(xiàn)檢索的能力， 特別是如何利用 Internet 檢索需要 的文獻(xiàn)資料。2）培養(yǎng)綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。3）培養(yǎng)運(yùn)用知識(shí)的能力和工程設(shè)計(jì)的能力。4）培養(yǎng)運(yùn)用工具的能力和方法。5）提高課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫水平。2、課程設(shè)計(jì)的要求題目：三相變頻電源的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：1）根據(jù)規(guī)定題目進(jìn)行電力電子裝置設(shè)計(jì)2）通過圖書館和 Internet 廣泛檢索和閱讀自己要設(shè)計(jì)的題目 方向的文獻(xiàn)資料，確定適應(yīng)自己的課程設(shè)計(jì)方案。首先要明確自己 課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容。設(shè)計(jì)裝置（或電路）的

3、主要技術(shù)數(shù)據(jù)主要技術(shù)數(shù)據(jù)輸入交流電源：單相 220V ，f=50Hz 。 交直變換采用二極管整流橋電容濾波電路，無源逆變橋采用三 相橋式電壓型逆變主電路，控制方法為 SPWM 控制原理輸出交流：電流為正弦交流波形， 輸出頻率可調(diào)， 輸出負(fù)載為三相星形 RL 電路，R=10 Q, L=15mH3、設(shè)計(jì)內(nèi)容：1 ）整流電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算和選擇 （整流電路工作原理、 輸 出波形分析、整流模塊的計(jì)算和選型、濾波電容參數(shù)計(jì)算和選型）2 ）三相逆變主電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇 （結(jié)合負(fù)載闡述三相電壓 型無源逆變電路的工作原理，分析輸出相電壓、線電壓波形；對(duì)開 關(guān)器件和快恢復(fù)二極管進(jìn)行計(jì)算選擇和選型）3）三相

4、SPWM 控制和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)：根據(jù) SPWM 調(diào)制原 理分析逆變電路的輸出相電壓、線電壓波形；設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路；選擇 控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊。 （SPWM 集成控制芯片或分立元件構(gòu)成。驅(qū) 動(dòng)模塊有：日本富士 EXB 系列或三菱 M579 系列）4）畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖， 并進(jìn)行仿真研 究和分析。3、在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)靈活運(yùn)用所學(xué)的電力電子技術(shù)知識(shí) 和創(chuàng)造性的思維方式以和創(chuàng)造能力要求具體電路方案的選擇必須有論證說明，要說明其有哪些特 點(diǎn)。主電路具體電路元器件的選擇應(yīng)有計(jì)算和說明。課程設(shè)計(jì)從確 定方案到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須在檢索、閱讀和分析研究大量的相 關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上， 經(jīng)過剖析、

5、 提煉，設(shè)計(jì)出所要求的電路 （或裝置） 課程設(shè)計(jì)中要不斷提出問題，并給出這些問題的解決方法和自己的 研究體會(huì)。設(shè)計(jì)報(bào)告最后給出設(shè)計(jì)中所查閱的參考文獻(xiàn)最少不能少 于 5 篇，且文中有引用說明，否則也不能得優(yōu)） 。4 、在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)獨(dú)立分析和獨(dú)立解決問題的能力 要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，獨(dú)力完成所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主電路、控 制電路等詳細(xì)的設(shè)計(jì)（包括計(jì)算和器件選型） 。嚴(yán)禁抄襲，嚴(yán)禁兩篇 設(shè)計(jì)報(bào)告基本相同，甚至完全一樣。5 、課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是主電路的確定， 主電路的分析說明， 主電路元器件的計(jì)算和選型，以和控制電路設(shè)計(jì)。報(bào)告最后給出所設(shè)計(jì)的主電路和控制電路標(biāo)準(zhǔn)電路圖，不同頻 率下輸出電壓電流波

6、形，驅(qū)動(dòng)控制電路中驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形以和其它主要波形，6 、課程設(shè)計(jì)用紙和格式統(tǒng)一 課程設(shè)計(jì)用紙?jiān)趯W(xué)校印刷廠統(tǒng)一購買和裝訂，封面為學(xué)校統(tǒng)一 要求。要求圖表規(guī)范，文字通順，邏輯性強(qiáng)。設(shè)計(jì)報(bào)告不少于 20 頁第二章：三相變頻電源介紹三相變頻電源以 MPWM 方式制作，用主動(dòng)元件 IGBT 模塊設(shè) 計(jì)使本機(jī)容量可達(dá) 200KVA ，以隔離變壓器輸入和輸出，來增加整 機(jī)穩(wěn)定性，特別適應(yīng)感性，容性和特殊負(fù)載，負(fù)載測(cè)試和壽命試驗(yàn) 可靠性高。三相變頻電源特點(diǎn) :1）高頻 MPWM 設(shè)計(jì)， IGBT 功率推動(dòng)，體積小、可靠性高、 噪音低。2）效率達(dá) 85% 以上3）反應(yīng)快速，對(duì) 100% 除載/加載，穩(wěn)壓反應(yīng)時(shí)間在

7、 2ms 以內(nèi)。4）超載能力強(qiáng)，瞬間電流能承受額定電流的 300%5）波峰因素比 （CREST FACTOR RATIO） 高于 3：1。6）具過壓、過流、超溫等多重保護(hù)和報(bào)警裝置本文設(shè)計(jì)的三相變頻電源將使用交直交整流逆變電 路和 PWM 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)三相變頻電源。第三章： MATLAB 軟件的介紹MATLAB 是矩陣實(shí)驗(yàn)室( Matrix Laboratory )的簡稱，是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件， 用于算法開發(fā)、 數(shù)據(jù)可視化、 數(shù)據(jù)分析以和數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包 括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。MATLAB 是由美國 mat

8、hworks 公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、 可視化以和交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩 陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以和非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多 強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè) 計(jì)以和必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解 決方案， 并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言 (如 C、 Fortran )的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。本文將使用 MATLAB 軟件進(jìn)行仿真測(cè)試第四章 整流電路的設(shè)計(jì)4.1. 整流電路工作原理單相不可控整流電路帶電阻負(fù)載a）單相橋式整流電路b）交流輸入正半周單相橋式整流電路工作圖C

9、）交流輸入負(fù)半周單相橋式整流電路工作圖電路原理分析在0至U 180度VD1禾口 VD4導(dǎo)通，在180至U 360度VD2禾口 VD3導(dǎo)通。使流過電阻R的電流始終為正，規(guī)律總結(jié)如下表；Qt0nn2 n二極管VD1和VD4導(dǎo)VD2 和 VD3 導(dǎo)通、VD1導(dǎo)通情通、VD2 和 VD3和VD4截止況截止UdI U2|I U2|UVDUVD1,4=0,UVD3=0,UVD2,3= -|U2|UVD1,4= -| U2|Ud丄麗2sin td( t) 0.9U24.2電容濾波的不可控整流421電容濾波的不可控整流電路圖和波形電容濾波的不可控整流電路圖電容濾波的不可控整流波形電路原理分析該電路的基本工作情

10、況是，在 u2正半周過零點(diǎn)至t=o期間， 因u2ud,，故二極管均不導(dǎo)通，次階段電容C向R放電，提供負(fù)載所需電流，同時(shí)ud下降。至t =0之后，u2將要超過ud,使得 VD1和VD4開通，ud二u2，交流電源向電容充電，同時(shí)向負(fù)載R供電設(shè)VD1和VD4導(dǎo)通的時(shí)刻與u2過零點(diǎn)相距3角，則U2 V2U 2sin( t )(,在VD1和VD4導(dǎo)通期間，以下方程成立Ud(0)V2u 2sin(1-2)Ud(0)1t i cdt C 0U 2(1-3)式中，ud為VD1、VD4開始導(dǎo)通時(shí)刻直流側(cè)電壓值將u2代入并求解得(1-4)(1-4)ic J2 CU2cos( t )而負(fù)載電流為U2/2U 2iRs

11、in( t )R R于是idic iR 弋2 CU 2cos( t、2U2設(shè)VD1和VD4的導(dǎo)通角為e,則!=鳳；(和爲(wèi)關(guān)斷。-5)將id()0代入式(1-5),得(1-6)tan( ) RC電容被充電到t 時(shí)，Ud U2 .2U2sin（ ） , VD1和VD4關(guān) 斷。電容開始以時(shí)間常數(shù) RC按指數(shù)函數(shù)放電。當(dāng)t=，即放電經(jīng) 過 角時(shí)，ud降至開始充電時(shí)的初值 2U2sin ，另外一對(duì)二極管 VD2和VD4導(dǎo)通，此后U2正半周的情況一樣。由于二極管導(dǎo)通后 u2開始向C充電時(shí)的ud與二極管管段后C放電結(jié)束時(shí)的ud相等， 故下式成立： 2U2sin( t )e RC 、2U2sin（1-6）注意

12、到為第2象限角，由式（1-6）arctan( RC)（1-7）arctan( RC )RC二 RC)2RCRCsin(1-8)在RC已知時(shí)，即可由式（1-8 ）求出，進(jìn)而由式（1-7）求 出。顯然和僅有乘積RC決定。4.2.3.主要的數(shù)量關(guān)系1 ）輸出電壓平均值 空載時(shí)，R，放電是間常數(shù)為無窮大，輸出電壓最大，Ud 2u2。整流電壓平均值Ud可根據(jù)前述有關(guān)計(jì)算公式推導(dǎo)得出，但推導(dǎo)繁瑣?？蛰d時(shí)，Ud U2重載時(shí)，R很小，電容放電很快，幾乎失去儲(chǔ)能作用。隨復(fù)合的增加，Ud逐漸趨近于0.9U2，即趨近于負(fù)載時(shí)的特性。3 5 RC T通常在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)負(fù)載情況選擇電容 C值，使2，TUd 1.2U 2為

13、交流電源的周期，此時(shí)輸入電壓為(1-9)2 ）電流平均值 輸出電流平均值IR為Ud(1-10)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容C在一個(gè)周期內(nèi)吸收的能量和釋放的能量相等, 且電壓平均值保持不變。相應(yīng)的，流經(jīng)電容的電流在一個(gè)周期內(nèi)的id iR平均值為零，又由id ic iR得出(1-11)在一個(gè)電源周期中，id有兩個(gè)波頭，VD1、VD4和VD2、VD3。反過來說，流過某個(gè)二極管的電流iVD只有兩個(gè)波頭中的一個(gè)，故其平均值為| dVDId|R(1-12)3）二極管承受的電壓二極管承受的反向電壓最大值為變壓器二次側(cè)電壓的最大值，即-2U2。4.3整流模塊的計(jì)算和選型431整流電路的輸出電壓為Ud 1.2U 21.2 2

14、20264(V)后級(jí)電路的輸出相電壓為U UN2UUNd t00.471Ud0.471 1.2 220124.344(V)Pudcos3517.2264 087115.30(A)逆變電路輸出側(cè)負(fù)載為Z 10j5.65()逆變輸出電流I U UN124.34410.8329.47Z10j5.65（A）輸出有功功率P mUun ICOS 3124.34410.830.871=3517.2W設(shè)逆變過程中有功功率不變，則整流輸出電流為整流輸出側(cè)阻抗值為17.25()UdId26415.30Z1wL arcta n29.47解得;R= 15.01 ()L=0.027(H)RC由35C=1666.6277

15、6.0( F)考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)0%，則電容所承受的最高電壓為Ucmax &(1 10%)U22 1.1 220 342.24(V)故電容耐壓值為1.5UC max 1.5 342.24 513(V)上網(wǎng)查詢可以選擇東莞市山田科技有限公司生產(chǎn)的 550v3300 F的電解電容。二極管的主要參數(shù)的計(jì)算：流過整流二極管的平均電流為Id15.3027.65(A)電流有效值為:IVD 1.571 dVD 1.57 7.56 11.87(A)整流二極管的最大反向電壓為；Urrm .2(1 10%)U2；2 1.1 220 342.24(V)選擇整流二極管的參數(shù)為故正向平均電流1 f (1.52)ldVD

16、 .475153。) A反向重復(fù)峰值電壓URRM 2 342.24 684.48(V)整流二極管選擇由算出的二極管參數(shù)，上網(wǎng)查詢找出以下兩個(gè)型號(hào)的管子符合要求;型號(hào)正向直流最高反向電壓供應(yīng)商MUR3010030A1000V深圳市凱城電子有限公司MUR3012030A1200V深圳市凱城電子有限公司第五章逆變電路的設(shè)計(jì)5.1逆變電路工作原理和波形三相電壓型橋式逆變電路(1) 基本工作方式 一一180 導(dǎo)電方式(2) 每橋臂導(dǎo)電180 ，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120(3) 任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。(4) 每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行， 也稱為縱向換 流。工作波形(

17、1) 對(duì)于U相輸出來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，uUN二Ud/2，當(dāng) 橋臂4導(dǎo)通時(shí)，uUN二Ud/2，uUN的波形是幅值為Ud/2的矩形波， V、W兩相的情況和U相類似。(2) 負(fù)載線電壓uUV uVW uWl可由下式求出u UVU UNU VN(3)負(fù)載各相的相電壓分別為UU NUU N U N N UV NUV N U N N UWNUWN U N N(4)把上面各式相加并整理可求得1U N N (UuNU V N U WN )設(shè)負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)載，則有 uUN+uVN+uWN=O，故可得11U N N ( U U NU V NU WN ) ( U U NU V NU WN )33(5) 負(fù)載參數(shù)

18、已知時(shí)，可以由uUN的波形求出U相電流iU的波形，圖4-10g給出的是阻感負(fù)載下時(shí)iU的波形。(6) 把橋臂1、3、5的電流加起來，就可得到直流側(cè)電流id的波形，如圖4-10h所示，可以看出id每隔60脈動(dòng)一次a)b)c)d) ef)g)h)WNUNOVNtUVORNNOUNOi UOidOt5.2IGBT和二極管參數(shù)選擇5.2.1 IGBT參數(shù)選擇額定電壓IGBT的額定電壓由逆變器（交-直-交逆變器）的交流輸入電壓決定，因?yàn)樗鼪Q定了后面的環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的最大電壓峰值。再考慮兩倍裕量，即；額定電壓=2 2Ud 22 264 746.7(V)由于IGBT是工作在開關(guān)狀態(tài)，故計(jì)算其電流額定值時(shí)，應(yīng)考

19、 慮其在整個(gè)運(yùn)行過程中可能承受的最大峰值電流為：Icm 2氐心 2 10.83 2 1.2=36.76(A)式中，K1為過載系數(shù)(裕量)，取K1=2 ； K2為考慮電網(wǎng)電壓 波動(dòng)等因素，取K2=1.2。IGBT參數(shù)的選擇原則是適當(dāng)留有余地，這樣才能確保長期、可 靠、安全運(yùn)行。工作電壓 uc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，uUN =d/2當(dāng)urUvuc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給 V1關(guān)斷信號(hào)，uUN -Ud/2當(dāng)給 V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4導(dǎo)通第七章驅(qū)動(dòng)電路由于三相橋式電壓型逆變電路中采用的 JBT管，它在使用的時(shí)候需 要驅(qū)動(dòng)電路，才能使IGBT管

20、子正常地開通和關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路必須具備2個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū) 動(dòng)IGBT柵極的電隔離； 二是提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。實(shí)現(xiàn)電隔 離可采用脈沖變壓器、微分變壓器和光電耦合器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用芯片 M57962L和其附件組成的驅(qū)動(dòng)電路，其電路圖如圖8.T所示：3T2+5V TLP52T-TT0k5V MUR4T00ECTOCI0SPWMTOVCUVI VRTVouVcc 、”M57962LVinVeeC125GTVO5/F uo O1C1Tfi30V電12VETCT +24V-T Vin-9VGND MC7809TCTTn GNDT第八章MATLAB軟件仿真整流電路仿真電路圖如下AC Voltage SomveA+/B-G3-Univeal Bridge輸入電壓電流波形號(hào)二極管電流輸出IGBT電流一號(hào)橋臂整合后輸出電壓電流波形;整流輸出電壓逆變輸出線電壓負(fù)載相電壓號(hào)二極管電流輸出IGBT電流號(hào)橋臂第九章 參考文獻(xiàn)電力電子應(yīng)用技術(shù) 莫正康 機(jī)械工業(yè)出版社 第三版電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計(jì)指導(dǎo) 石玉 栗書賢 機(jī)械工業(yè)出版社電力電子變流技術(shù) 作者: 黃俊等機(jī)械工業(yè)出版社電力電子技術(shù)和應(yīng)用陳堅(jiān)，趙玲 北京：中國電力出版社，2