三相逆變器仿真電路設(shè)計(jì)

1、 9/9三相逆變器仿真電路設(shè)計(jì) 目錄 三相電壓源型SPWM逆變器的設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)原理 1.1 SPWM控制原理分析 1.1.1 PWM的基本原理 PWM(Pulse Width Modulation)控就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形。PWM控制技術(shù)最重要的理論基礎(chǔ)是面積等效原理，即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。 SPWM控制技術(shù)是PWM控制技術(shù)的主要應(yīng)用，即輸出脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效。 1.1.2 SPWM逆變電路及其控制方法 SPWM逆變電路屬于電力電子器件的應(yīng)用系統(tǒng)，因此，一個(gè)完整的

2、SPWM 逆變電路應(yīng)該由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。由信息電子電路組成的控制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷，來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。 目前應(yīng)用最為廣泛的是電壓型PWM逆變電路,脈寬控制方法主要有計(jì)算機(jī)法和調(diào)制法兩種，但因?yàn)橛?jì)算機(jī)法過(guò)程繁瑣，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位發(fā)生變化時(shí)，結(jié)果都要變化，而調(diào)制法在這些方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此，調(diào)制法應(yīng)用最為廣泛。 所為調(diào)制法，就是把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)t u，把接收調(diào)制的信號(hào)作為載波c u，通過(guò)信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)要求 設(shè)計(jì)

3、三相電壓源型SPWM 逆變電路，輸出PWM 電壓波形等效為正弦波，因而信號(hào)波采用正弦波，載波采用最常用的等腰三角形。 單相橋式電路既可以采取單極性調(diào)制，也可以采用雙極性調(diào)制，而三相橋式PWM 逆變電路，一般采用雙極性控制方式。所為單極性控制方式，就是在信號(hào)波t u 的半個(gè)周期內(nèi)三角波載波c u 只在正極性或負(fù)極性一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的PWM 波形也只在單個(gè)極性范圍變化的控制方式，和單極性PWM 控制方式相對(duì)應(yīng)的是雙極性控制方式。 采用雙極性方式時(shí)，在 t u 的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負(fù)， 所得到的PWM 波也是有正有負(fù)。在 t u 的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM 波

4、只有d U 兩種電平， 而不像單極性控制時(shí)還有零電平。仍然在調(diào)制信號(hào)t u 和載波信號(hào) c u 的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開(kāi)關(guān) 器件的通斷。在 t u 的正負(fù)半周，對(duì)各個(gè)開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同。 1.2 IGB T 簡(jiǎn)介 絕緣柵雙極晶體管（IGBT ）本質(zhì)上是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè) P 型層。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)的文件建議，其各部分名稱(chēng)基本沿用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相應(yīng)命名。 IGBT 的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。它在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于MOSFET ，其不同點(diǎn)在于IGBT 是在N 溝道功率MOSFET 的N+基板（漏極）上增加了一個(gè)P+ 基板（IGBT 的集電極），形成PN 結(jié)j1 ，并由此引出漏極

5、、柵極和源極則完全與MOSFET 相似。 圖1 IGBT 結(jié)構(gòu)剖面圖 由圖可以看出，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR ，其簡(jiǎn)化等效電路如圖3所示。圖中Rdr是厚基區(qū)GTR的擴(kuò)展電阻。IGBT是以GTR 為主導(dǎo)件、MOSFET 為驅(qū)動(dòng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。 IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)為： 1）IGBT開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗?。?2）在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力； 3）IGBT的通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域； 4) 與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)可以保

6、持開(kāi)關(guān)頻率高。 1.3 逆變電路 逆變電路的作用是將直流電壓轉(zhuǎn)換成梯形脈沖波，經(jīng)低通濾波器濾波后，從而使負(fù)載上得到的實(shí)際電壓為正弦波，逆變電路是由4個(gè)IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）組成的全橋式逆變電路組成，如圖2所示。 圖2 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(chēng)為有源逆變；當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載連接時(shí)，稱(chēng)為無(wú)源逆變。此外，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(chēng)為電壓型逆變電路，直流側(cè)是電流源的稱(chēng)為電流型 逆變電路。本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)要求為電壓型逆變電路的設(shè)計(jì)。 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

7、側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻態(tài)。 2）由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，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)載阻抗角情況不 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。 1.4 三相電壓型橋式逆變電路 用三個(gè)單相逆變電路可以組合成一個(gè)三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應(yīng)用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路。采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖3所示，可以看成是由三個(gè)半橋逆變電路組成。 圖3 三相電壓型橋式逆變電路 電路的直流

8、側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了方便分析，畫(huà)作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想中點(diǎn)N。和單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180?導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為180?，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度以此相差120?。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通?？赡苁巧厦嬉粋€(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上 下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱(chēng)為縱向換流。 以下分析三相電壓型橋式逆變電路的工作波形。對(duì)于U 相輸出來(lái)說(shuō)，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，2U N d u U =，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)，2U N d u U

9、=-。因此，U N u 的波形是幅值為/2d U 的矩形波。V 、W 兩相的情況和U 相類(lèi)似，VN u 、W N u 的波形形狀和U N u 相同，只是相位依次差120。負(fù)載線電壓可由下式求出： ? ? ? -=-=-= UNWNWU WNVNVW VNUNUV u u u u u u u u u 設(shè)負(fù)載中點(diǎn)N 與直流電源假想中點(diǎn)N 之間的電壓為N N u ，則負(fù)載各相的相電壓分別為： ? ? ? -=-=-= NN WNWN NN VNVN NN UNUN u u u u u u u u u O O O O O O O O VN u W N u U V u N N u U N u U i d

10、 i U N u 下面對(duì)三相橋式逆變電路的輸出電壓進(jìn)行定量分析。把輸出線電壓 展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得： 111(sin sin 5sin 7sin 11)5 7 11 d U V u t t t t = - - + 1 sin (1) sin k n t n t n ? = +-? ? 式中，61n k =，k 為自然數(shù)。 輸出線電壓有效值U V U 為 0.816U V d U U = = 基波幅值 1U V m U 和基波有效值1U V U 分別為 1 1.1d U V m d U U = = ；10.78U V d d U U U = = = 接下來(lái)，我們?cè)賹?duì)負(fù)載相電壓 U N u 進(jìn)行分析

11、。把 U N u 展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得 2111(sin sin 5sin 7sin 11)5 7 11 d U N U u t t t t = + + + 21 = sin sinn d n U t t n + （） 式中，61n k =，k 為自然數(shù)。 負(fù)載相電壓有效值 U N U 為 0.471U N d U U = = 基波幅值 1U N m U 和基波有效值 1 U N U 分別為 120.637d U N m d U U U = = ；10.45UN d U U = = 2 設(shè)計(jì)方案 2.1 逆變器主電路設(shè)計(jì) 圖5是SPWM 逆變器的主電路設(shè)計(jì)圖。圖中Vl V6是逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)

12、器件，各由一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個(gè)逆變器由恒值直流電壓U 供電。一組三相對(duì)稱(chēng)的正弦參考電壓信號(hào)由參 出的基波頻率，應(yīng)在所要求的輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)。參考信號(hào)的幅值也可在一定范圍內(nèi)變化，決定輸出電壓的大小。三角載波信號(hào)c U 是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM 脈沖序列波。da U ， db U ， dc U 作為逆變器功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。 當(dāng)ru 2un d U U U 時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān) 斷信號(hào)，/2un d U U =-。uv U 的波形可由vn un U U -得出，當(dāng)1和6通時(shí)，d uv U U =，當(dāng)3和4通時(shí)，d uv

13、U U =-，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uv U =0。輸出線電壓PWM 波由d U 和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓PWM 波由(2/3) d U ，(1/3) d U 和0共5 種電平組成。 圖5 SPWM 逆變器的主電路設(shè)計(jì)圖 防直通的死區(qū)時(shí)間同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來(lái)影響，使其稍稍偏離正弦波。 2.2 脈寬控制電路的設(shè)計(jì) 2.2.1 SG3524芯片 SG3524芯片是集成PWM控制器，其引腳圖和內(nèi)部框圖分別如圖6、圖7所示。 圖6 SG3524引腳圖

14、 圖7 SH3524內(nèi)部框圖 SG3524工作過(guò)程是這樣的： 直流電源Vs 從腳15接入后分兩路，一路加到或非門(mén)；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的5V 基準(zhǔn)電壓。5V 再送到內(nèi)部（或外部）電路的其他元器件作為電源。 振蕩器腳7須外接電容CT ，腳6須外接電阻RT 。振蕩器頻率f 由外接電阻RT 和電容CT 決定，f=1.18/RTCT 。振蕩器的輸出分為兩路，一路以時(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門(mén)；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相端，比較器的反向端接正弦波調(diào)制信號(hào)，通過(guò)芯片內(nèi)置的比較器完成載波和調(diào)制波的比較，產(chǎn)生SPWM 信號(hào)。 2.2.2 利用SG3524生成SPWM

15、信號(hào) 2.2.2.1 調(diào)制波及載波的產(chǎn)生 正弦波信號(hào) t u 由函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生。 圖8 ICL8038用于正弦波信號(hào)發(fā)生 正弦波的頻率由1R 、2R 和C 來(lái)決定，120.15 f= +R R （）C ，為了調(diào)試方便，將1R 、 2R 都用可調(diào)電阻，2R 和 R 是用來(lái)調(diào)整正弦波失真度用的。 通過(guò)查詢(xún)資料得知，當(dāng)f=50z H 時(shí)，取12+=9.7R R K ，其中=0.22F C 。 正弦波信號(hào)產(chǎn)生后，一路經(jīng)過(guò)精密全波整流，得到正弦波r u ，另外兩路得到 與正弦波同頻率、同相位的方波和三角波。 ICL8038的引腳圖如圖9所示。 圖9 ICL8038引腳圖 載波可以是等腰三角

16、波或者鋸齒波，由于SH3524可以直接產(chǎn)生鋸齒波，所以，直接用SG3524本身產(chǎn)生的鋸齒波作為載波即可。 2.2.2.2 SPWM信號(hào)的產(chǎn)生 ICL8038產(chǎn)生的正弦波r u與1V基準(zhǔn)經(jīng)過(guò)加法器后得到d u，d u輸入到SG3524的腳1，腳2與腳9相連，這樣d u和鋸齒波將在SG3524內(nèi)部的比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生SPWM信號(hào)。 左電橋的控制信號(hào)可以由正弦信號(hào)與直流電壓通過(guò)電壓比較器產(chǎn)生，本次課程設(shè)計(jì)采用LM339芯片，其引腳圖如圖10所示。 圖10 LM339引腳圖 LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，可以任意選用，該電壓比較器主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；

17、2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為1V18V； 3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬； 4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）V； 5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓； 6）輸出端電位可靈活方便地選用。 2.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 2.3.1 IR2110芯片 由于LM3S1138產(chǎn)生的SPWM信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)IGBT，故逆變橋的驅(qū)動(dòng)采用專(zhuān)用芯片IR2110。 IR2110是一種雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速、單片式集成功率驅(qū)動(dòng)模塊，具有體積小(DIP14)、集成度高(可驅(qū)動(dòng)同一橋臂兩路)、響應(yīng)快(典型ton/toff=120/94ns)、偏置電壓高(600 V)、驅(qū)動(dòng)能力

18、強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)還具有外部保護(hù)封鎖端口，常用于驅(qū)動(dòng)MOSFET和IGBT等電壓驅(qū)動(dòng)型功率開(kāi)關(guān)器件。 IR2110包括邏輯輸入、電平轉(zhuǎn)換、保護(hù)、上橋臂輸出和下橋臂輸出。邏輯輸入采用施密特觸發(fā)電路，以提高抗干擾能力。由IR2110構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路如圖11所示。 圖11 IR2110構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路 2.3.2 驅(qū)動(dòng)電路 IR2110自身的保護(hù)功能非常完善：對(duì)于低壓側(cè)通道，利用2片IR2110驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路的電路圖如圖12所示。 圖12 全橋驅(qū)動(dòng)電路 為改善PWM控制脈沖的前后沿陡度并防止振蕩，減小IGBT集電極的電壓尖脈沖，一般應(yīng)在柵極串聯(lián)十幾歐到幾百歐的限流電阻。IR2110的最大不足是不能產(chǎn)生負(fù)偏

19、壓，由于密勒效應(yīng)的作用，在開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)，集電極與柵極間電容上的充放電電流很容易在柵極上產(chǎn)生干擾。針對(duì)這一點(diǎn)，本次課設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中的功率管柵極限流電阻R1、R2上反向并聯(lián)了二極管D4、D5。 3 軟件仿真 3.1 Matlab軟件 Matlab軟件提供的仿真工具箱Simulink是一個(gè)功能十分強(qiáng)大的仿真軟件，它可以根據(jù)用戶的需要方便的為系統(tǒng)建立模型，并且十分直觀，仿真精度高，結(jié)果準(zhǔn)確。特別是其電力系統(tǒng)模塊庫(kù)PSB中包含了大量的電力電子功能模塊，為我們仿真提供了極大的便利。 Matlab提供了系統(tǒng)模型圖形輸入工具Simulink工具箱。在Matlab中的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)PSB以Simulink為運(yùn)算

20、環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動(dòng)和電力系統(tǒng)等電工學(xué)科中常用的基本原件和系統(tǒng)仿真模型。它由以下6個(gè)子模塊組成：電源模塊庫(kù)、連接模塊庫(kù)、測(cè)量模塊庫(kù)、電力電子模塊庫(kù)、電機(jī)模塊庫(kù)、基本件模塊庫(kù)。在這6個(gè)基本模塊庫(kù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要還可以組合出常用的、復(fù)雜的其他模塊添加到所需的模塊庫(kù)中，為電力系統(tǒng)的研究和仿真帶來(lái)更多的方便。 3.2 建模仿真 SPWM控制方式下的三相逆變電路主電路如圖13所示： 圖13 三相逆變電路主電路 圖14 Discreat PWM Generator參數(shù)設(shè)置 設(shè)置參數(shù)，即將調(diào)制度m設(shè)置為1.2，調(diào)制波頻率設(shè)為40Hz，如圖14所示。載波頻率設(shè)為基波的30倍（載波比N=30），即1500Hz，仿真時(shí)間設(shè)為0.04s，在powergui中設(shè)置為離散仿真模式，采樣時(shí)間設(shè)為1e-006s。 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，直流電源電壓為400V，要求輸出三相180V、40Hz的交流電，帶對(duì)稱(chēng)RL負(fù)載（星形接法），其中R的值為2、L 的值為1 0mH，其參數(shù)設(shè)置圖如圖15所示。 圖15 直流電壓、三相負(fù)載參數(shù)設(shè)置 運(yùn)行仿真圖形，并點(diǎn)擊示波器可得輸出交流電壓，交流電流波形如圖16、圖17所示： 圖16 SPWM方式下三相交流電壓輸出波形 圖16 SPWM方式下三相電流輸出波形 從仿真結(jié)果可以得出，本次課程設(shè)計(jì)基本