電力電子課設(shè)交-直-交PWM變頻電源

目錄一、課程設(shè)計(jì)任務(wù) 2設(shè)計(jì)目的 2設(shè)計(jì)要求 3設(shè)計(jì)內(nèi)容 3二、方案論證 3整流電路方案 3中間濾波電路方案 4逆變電路方案 5三、主回路系統(tǒng)組成 5四、元件參數(shù)計(jì)算及選擇 6五、單元電路設(shè)計(jì) 6驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 6保護(hù)電路設(shè)計(jì) 6緩沖電路設(shè)計(jì) 6輸出濾波設(shè)計(jì) 6逆變變壓器選擇 6六、PWM控制策略 7七、總結(jié) 7八、參考文獻(xiàn) 7附錄 7附錄一元件清單 7附錄二原理圖 7一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)目的電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是電氣自動(dòng)化工程專業(yè)學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中一項(xiàng)綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)，復(fù)習(xí)和鞏固本課程及其他課程的有關(guān)內(nèi)容，對學(xué)生的實(shí)踐能力的培養(yǎng)和實(shí)踐技能分訓(xùn)練具有相當(dāng)重要的意義。通過設(shè)計(jì)使得獲得電力電子技術(shù)必要的基本理論、基本分析方法以及基本技能的培養(yǎng)和訓(xùn)練，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從事與電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)有關(guān)的技術(shù)工作和科學(xué)研究打下一定的基礎(chǔ)，也便于學(xué)生加深理解和靈活運(yùn)用所學(xué)的理論，提高學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力，為畢業(yè)后的工程實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)要求要求交流輸出額定相電壓220V,額定相電流為240A，頻率變化范圍2~50Hz，其交流輸入相電壓為380V，電壓波動(dòng)頻率為為±10％。設(shè)計(jì)內(nèi)容變頻電源方案論證及設(shè)計(jì)主回路元件選擇驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)保護(hù)電路設(shè)計(jì)緩沖電路設(shè)計(jì)PWM控制策略濾波電路設(shè)計(jì)逆變變壓器設(shè)計(jì)二、方案論證整流電路是將交流電變?yōu)橹绷麟?，?shí)現(xiàn)AC/DC的轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用中，一般使用橋式整流電路。常用的橋式整流電路可以分為：不可控整流、全控整流、半控整流。所以有以下兩種種方案：方案一：不可控整流。三相橋式不可控整流電路中整流器件是普通的二極管，是不可控器件，當(dāng)它承受正向電壓時(shí)會立即自然導(dǎo)通，承受反向電壓時(shí)會立即阻斷電路。其特點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡單，功耗較小。缺點(diǎn)是輸出電壓不可變。方案二：可控整流。三相橋式可控整流電路的整流器件為晶閘管，利用晶閘管的特性來控制晶閘管的通斷，要求在整流時(shí)要附加脈沖觸發(fā)電路，改變延遲觸發(fā)角可以改變整流輸出電壓的平均值。其特點(diǎn)是可以方便的改變輸出電壓平均值，缺點(diǎn)是要附加觸發(fā)電路，控制復(fù)雜。綜合以上三種整流電路，橋式不可控整流電路設(shè)計(jì)比較簡單，功耗小。而半控和全控整流電路控制方式復(fù)雜，晶閘管在導(dǎo)通后功耗相對較大，觸發(fā)角控制不好的情況下會使電路出現(xiàn)斷續(xù)的現(xiàn)象，所以本課程設(shè)計(jì)采用簡單的橋式不可控整流電路。三相橋式不可控整流電路三相橋式不可控整流電路中間濾波電路方案三相全波整流后的電壓波形脈動(dòng)較大，為了保證逆變電路能夠獲得較高質(zhì)量的直流電流或電壓，需要進(jìn)行濾波。由于下面逆變電路為電壓型逆變，所以中間通過大容量的電容進(jìn)行濾波。由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制，濾波電路通常由若干個(gè)電容器并聯(lián)成一組，又由兩個(gè)電容器組串聯(lián)而成。因?yàn)殡娊怆娙萜鞯碾娙萘坑休^大的離散型。故兩個(gè)電容器組的電容量通常不能完全相等，這將導(dǎo)致它們承受的電壓不相等，承受電壓較高的電容器組將容易損壞。為了使電壓相等，在電容器組旁各并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻R1和R2。其電路圖如圖所示：圖2-2中間電容濾波電路圖2-2中間電容濾波電路2.3逆變電路方案逆變電路實(shí)現(xiàn)DC/AC的變換。根據(jù)直流測電源的性質(zhì)可以分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路。方案一：電流型逆變電路。其特點(diǎn)是中間電路采用大電感作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功能量。即扼制電流的變化，使輸出電壓波形為正弦波。適用于大功率的場合。方案二：電壓型逆變電路。其特點(diǎn)是中間電路采用大電容作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功能量，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源。電路中一般采用全控型器件IGBT。比較以上兩種方案，由于實(shí)際中直流電流源并不多見，因而變頻電源中電壓型逆變電路用的更多?？紤]到電壓型逆變電路的通用性及其優(yōu)點(diǎn)，我們選用電壓型逆變電路。其電路圖如圖所示：圖2-3圖2-3電壓型逆變電路原理圖方案一：利用分立元件搭接模擬電路。這種模擬電路構(gòu)成三角波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定他們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻確定功率開關(guān)器件的通斷。但是這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精度的控制，而且調(diào)試?yán)щy，穩(wěn)定性差。方案二：采用SPWM集成電路。利用這種集成芯片只需要加上少量的外圍器件就能生成SPWM波形。利用專用芯片配合微處理器可以方便的產(chǎn)生SPWM。比較上述兩種方案，采用分立元件構(gòu)成的電路穩(wěn)定性差，精度低。而采用SPWM集成芯片具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。所以，本課程設(shè)計(jì)采用方案二。本課程設(shè)計(jì)選用專用集成芯片SA4828作為核心主控芯片，配合使用微控制器AT89C52為核心。SA4828芯片具有如下特點(diǎn)：載波頻率最高可達(dá)24kHz，輸出頻率范圍0~14kHz，輸出頻率控制精度16位。通過像控制寄存器寫值，可實(shí)現(xiàn)對電源輸出頻率實(shí)時(shí)控制和三廂輸出電壓幅值實(shí)時(shí)、獨(dú)立控制。內(nèi)部ROM存有三種可選的輸出波形（純正弦型、三次諧波增強(qiáng)型和帶死區(qū)增強(qiáng)型）；可設(shè)最小脈沖寬度、脈沖取消時(shí)間和死區(qū)時(shí)間。圖2-4.圖2-4.SPWM波生成電路三、主回路系統(tǒng)組成系統(tǒng)框圖如圖：根據(jù)上述的設(shè)計(jì)方案，作出主電路原理圖：四、元件參數(shù)計(jì)算及選擇整流電路元件選擇二極管額定電壓的選擇考慮到輸入電壓有±10%的波動(dòng)，所以輸入電壓的范圍UL=(277V—420V二極管承受的的最大反向電壓為線電壓的峰值，即U考慮到安全裕量，選取二極管的額定電壓為U所以選擇二極管的額定電壓為1500V。二極管額定電流的選擇一個(gè)電源周期內(nèi)，流過每一個(gè)二極管的電流為負(fù)載電流的1/3，即I考慮到安全裕量，選擇二極管的額定電流為

I所以選擇二極管的額定電流為150A。中間濾波電路元件選型不可控整流橋輸出電壓平均值為U考慮到關(guān)斷浪涌電壓，選取電容的額定電壓為800V。電容的容值主要取決于直流電壓的脈動(dòng)大小，根據(jù)工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)有以下計(jì)算公式：C=式中，IF為逆變器的額定輸出電流均方根值(A)，Ud為直流電壓平均值，fmin為逆變器的最低輸出頻率，σ為允許直流電壓頻率低峰值紋波因數(shù)，K?為負(fù)載位移因數(shù)角?有關(guān)系數(shù)，由上式各計(jì)算出直流側(cè)電容容值為10000uF，由4個(gè)額定電壓為470V逆變電路元件選型三相橋式逆變電路中，直流測電壓平均值為Ud=514.8V，IGBT 承受的最大電壓即為U所以選擇IGBT的額定電壓為1500V。逆變橋輸出的相電壓有效值為U根據(jù)功率守恒條件，逆變橋輸出端的最大電流為IIGBT的電流平均值為I考慮安全裕量，選取IGBT的額定電流為(2~3)I反饋二極管的選擇。五、單元電路設(shè)計(jì)5.1驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)由于三相橋式逆變電路采用IGBT作為開關(guān)器件，IGBT的驅(qū)動(dòng)多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器。本設(shè)計(jì)中我們采用M579652L芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片。它的內(nèi)部具有退飽和檢測和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時(shí)能快速響應(yīng)但慢關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號。M579652L輸出的正驅(qū)動(dòng)電壓均為+15V左右，負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓為-10V。其峰值輸出電流為5A，并有短路保護(hù)。電路圖連線圖如下圖：保護(hù)電路設(shè)計(jì)過電流保護(hù)電力電子電路運(yùn)行不正?；蛘甙l(fā)生故障時(shí)，可能會發(fā)生過電流。過電流分過載和短路兩種情況。一般電力電子裝置均同時(shí)采用幾種過電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性。功率主電路中串聯(lián)快速熔斷器。當(dāng)由于濾波電容器、IGBT電路的短路等原因造成主電路直流部分形成短路時(shí)，將形成很大的短路電流，這時(shí)熔斷器起保護(hù)作用。由電流檢測環(huán)節(jié)、比較器、接觸器等構(gòu)成過流保護(hù)電路。正常情況下，過電流保護(hù)電路的輸出為高電平。一旦出現(xiàn)過電流，比較器的輸出狀態(tài)將翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而切斷交流接觸器KM的控制線圈通電回路，使交流接觸器斷開，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與主電路的完全分?jǐn)?。集成?qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片M57962L具有過電流保護(hù)的功能，M57962L通過檢測IGBT的飽和壓降來判斷IGBT是否過流，一旦過流，M57962L將對IGBT實(shí)行軟關(guān)斷，并輸出過流故障信號，起到了IGBT過流保護(hù)。當(dāng)變頻電源剛接通時(shí)，濾波電容器上的電壓為0V。而電源電壓為380V，且為了提高濾波效果，濾波電容器的電容量又很大。所以，在剛接通電源的瞬間，將產(chǎn)生很大的沖擊電流，有可能損害整流二極管。解決辦法：在三相整流橋和濾波電容器之間，接入限流電阻R,將濾波電容器的充電電流限制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，當(dāng)濾波電容器已經(jīng)充電完畢后，由接觸器KM2將電阻R短接。死區(qū)補(bǔ)償。在三相電壓型逆變電路180°導(dǎo)電方式逆變器中，由于開關(guān)器件固有存儲時(shí)間的影響，其關(guān)斷時(shí)間一般長于其開通時(shí)間，因此為了防止同一相上下兩開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源的短路，通常設(shè)置開關(guān)時(shí)滯兀，這就是人們通常所說的“死區(qū)”。即先給應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信號，待其關(guān)斷后留一定的時(shí)間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號，即在兩者之間留一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間。通常利用軟件來設(shè)置死區(qū)時(shí)間，即延時(shí)程序。圖圖5-2-1過電流保護(hù)電路過電壓保護(hù)過電壓產(chǎn)生的原因主要來自電擊、電網(wǎng)中的電壓浪涌尖峰，以及電路內(nèi)部開關(guān)器件開通關(guān)斷引起的電壓尖峰。阻容吸收電路實(shí)現(xiàn)過電壓保護(hù)。阻容吸收電路的作用是利用電容來吸收尖峰過電壓，利用與電容相串聯(lián)的電阻來消耗過電壓的能量，從而抑制引起的震蕩。通常阻容吸收電路就直接并聯(lián)與電力電子裝置的兩端，不僅可以抑制開關(guān)換流引起的尖峰電壓，還可以吸收母線上的浪涌電壓。圖5-2-2圖5-2-2過電壓保護(hù)緩沖電路設(shè)計(jì)緩沖電路實(shí)際上是一種開關(guān)輔助電路，利用它可以減少器件在開關(guān)過程中產(chǎn)生的過電壓、過電流、過熱、du/dt、di/dt，確保器件的可靠運(yùn)行。所以緩沖吸收電路設(shè)計(jì)對于電力電子器件是十分重要的。圖5-3-1圖5-3-1目前IGBT的緩沖電路主要采用鉗位式RCD吸收電路，通常有如圖5-3-1所示的三種形式。低電感吸收電容構(gòu)成的緩沖電路，如圖5-3-1(a)。該緩沖電路適用于小功率IGBT模塊，其端電壓穩(wěn)定時(shí)間過長，而且緩沖電路容易產(chǎn)生震蕩。RCD緩沖，如圖5-3-1(b)。緩沖電路跨接于IGBT模塊的正、負(fù)電源之間來抑制過電壓；當(dāng)上、下橋臂的任意一個(gè)IGBT由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷時(shí)，線路雜散電感的能量經(jīng)二極管VD沖向電容C，模塊正、負(fù)極之間的電壓被鉗在電容電壓上來抑制過電壓。該緩沖電路方式適用于較大功率的IGBT模塊。其中緩沖二極管的反向恢復(fù)特性雖不影響關(guān)斷過程的峰值電壓，但會使端電壓穩(wěn)定時(shí)間過長，因此，要選擇反向恢復(fù)時(shí)間短的二極管。P型RCD和N型RCD共同構(gòu)成的緩沖電路，如圖5-3-1(c)。該緩沖電路適用于大功率IGBT模塊，其功能類似于圖5-3-1(b)緩沖電路，但其回路電感更小。其優(yōu)點(diǎn)是吸收電容的取值為RCD緩沖電路的一半，降低了損耗。綜合以上三種緩沖電路，本設(shè)計(jì)選擇第三種緩沖電路。緩沖二極管的選擇緩沖二極管必須選擇過渡正向電壓低、逆向恢復(fù)時(shí)間短、逆向恢復(fù)特性較軟的快恢復(fù)二極管。對于額定電流，至少不小于主電路器件的1/10。根據(jù)上面計(jì)算，選擇二極管的額定電壓為800V，額定電流為緩沖電容的選擇緩沖電容的取值可實(shí)驗(yàn)確定或參考工程手冊。緩沖電容要選用高頻特性優(yōu)良的電容如薄膜電容器等。額定電壓的選擇。有上面的計(jì)算可知，直流側(cè)的平均電壓為514.8V，考慮到浪涌沖擊，選擇額定電壓為800V的電容。電容值的選取。緩沖電容的容量值根據(jù)下式簡單估算：C式中：L是主電路的分布電感；I0是IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極電流；UCEF是緩沖電容電壓的最終值；U是直流母線電壓。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇電容的電容值為40緩沖電阻的選擇對緩沖電阻性能的要求是：在IGBT進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)，能將緩沖電容上聚積的電荷及時(shí)放掉。IGBT關(guān)斷時(shí)，以放電90%的積聚電荷為條件，可以用下式簡單估算出緩沖電阻值：R式中：f為功率器件的開關(guān)頻率。帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，可以估算出RS為100Ω輸出濾波設(shè)計(jì)逆變器的輸出波形是SPWM方波，含有諧波成分，為了使輸出波形正弦化，必須采用輸出濾波器。由于本系統(tǒng)要求輸出的頻率為2~50Hz，所以在輸出端采用LC低通濾波器濾除高次諧波。電感阻抗值XL=ωL=2πfL，XL頻率升高而升高；電容阻抗值XC=1(ωC)=1f本課程設(shè)計(jì)中逆變器輸出電壓基波頻率fc可在2Hz~50Hz變化，載波頻率可為1000Hz，一般確定輸出濾波器中電感L0和電容C0的截止頻率fc位于中間頻段，使之滿足3f<fc<fs/5。其中f和fs分別表示逆變器輸出的最大頻率和PWM載波頻率。因此假如截止頻率現(xiàn)在計(jì)算L，C的值，我們知道f令ρ=LC所以得C=L綜合以上幾式可得C=L/(2π由上式可知，只要知道fc，ρ特性阻抗ρ與負(fù)載阻抗的關(guān)系是ρ=(0.5~0.8)因電感值大的電感體積大，因此在實(shí)際中，可以將電容取得大些，而將電感取得相對小些。最終我們設(shè)計(jì)選取的輸出濾波器電感為0.5mH，電容為60μF/600V。逆變變壓器選擇首先，確定變壓器的額定容量。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸出交流額定相電壓為220V，額定相電流為240A，則最大負(fù)載功率為S=3×220V×240A=158.4KW選擇變壓器的容量為200KW。確定變壓器的變比：逆變橋的輸出電壓有效值為：U所以變壓器的變比為：n=六、PWM控制策略SPWM的控制分為計(jì)算法和調(diào)制法。如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，PWM波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確的計(jì)算出來。但是計(jì)算法相當(dāng)繁瑣、當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。調(diào)制法是把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或