无源三相PWM逆变器控制电路设计65427

目录

第一章：课程设计的目的及要求 (2)

第二章整流电路 (5)

第三章逆变电路 (9)

第四章PWM逆变电路的工作原理 (11)

第五章三相正弦交流电源发生器 (14)

第六章三角波发生器 (15)

第七章比较电路 (16)

第八章死区生成电路 (18)

第九章驱动电路 (20)

附录

参考文献

课程设计的心得体会

第一章：课程设计的目的及要求

一、课程设计的目的

通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：

1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索

需要的文献资料。

2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。

3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。

4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。

5、提高学生课程设计报告撰写水平。

二、课程设计的要求

1. 自立题目

题目：无源三相PWM逆变器控制电路设计

注意事项：

①学生也可以选择规定题目方向外的其它电力电子装置设计，如开关电源、镇流器、UPS电源等，

②通过图书馆和Internet广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计方案。首先要明确自己课程设计的设计容。

控制框图

设计装置（或电路）的主要技术数据

主要技术数据

输入交流电源：

三相380V，f=50Hz

交直变换采用二极管整流桥电容滤波电路，无源逆变桥采用三相桥式电压型逆变主电路，控制方法为SPWM控制原理输出交流：

电流为正弦交流波形，输出频率可调，输出负载为三相异步电动机，P=5kW等效为星形RL电路，R=10Ω，L=15mH

设计容：

整流电路的设计和参数选择

滤波电容参数选择

三相逆变主电路的设计和参数选择

IGBT电流、电压额定的选择

三相SPWM驱动电路的设计

画出完整的主电路原理图和控制电路原理图

2.在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术

知识和创造性的思维方式以及创造能力

要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。主电路具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引用说明，否则也不能得优）。

3.在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能

力

要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。

4.课题设计的主要容是主电路的确定，主电路的分析说明，

主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。

报告最后给出所设计的主电路和控制电路标准电路图。

5.课程设计用纸和格式统一

课程设计用纸在学校印刷厂统一购买和装订，封面为学校统一要求。要求图表规，文字通顺，逻辑性强。设计报告不少于20页

第二章整流电路

根据要求，整流电路采用二极管整流桥电容滤波电路， 其

电路图如图2.1所示：

图2.1 考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形

a

）电路原理图 b ）轻载时的交流侧电流波形

c ）重载时的交流侧电流波形

1. 其工作原理如下所示：

该电路中，当某一对二级管导通时，输入直流电压等于交流

侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。

当没有二级管导通时，由电容向负载放电，u d 按指数规律下降。 设二极管在局限电路电压过零点δ角处开始导通，并以二极

管VD 6和VD 1开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为 a)c)R 462

i i

u ab =6U 2sin （ωt+δ） 而相电压为

u a =2U 2sin(ωt+δ－6

π)

在ωt=0时，二极管VD 6和VD 1开始同时导通，直流侧电压等

于u ab ；下一次同时导通的一对管子是VD 1和VD 2，直流侧电压等

于u ab 。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在VD 1

和VD 2同时导通之前VD 6和VD 1是关断的，交流侧向直流侧的充

电电源i d 是断续的；另一种是VD 1一直导通，交替时由VD 6导通

换相至VD 2导通，i d 是连续的。介于二者之间的情况是，VD 1和

VD 6同时导通的阶段与VD 1和VD 2同时导通的阶段在 ωt+δ=32π

出恰好连接起来，i d 恰好连续。由 “电压下降速度相等”的原则，

可以确定临界条件。假设在wt +d =2p /3的时刻“速度相等”恰

好发生，则有

3

2=+t )]-32(-t [RC 1m 3

2=+t m t)(32sin E )()]+t sin([E πθωθπωωπθωωπωθωd e d t d d ??????=-

可得 wRC =

这就是临界条件。wRC > 和wRC < 分别使电流i d

断续和连续的条件。对一个确定的装置来讲，通常只有R 是可

变的，它的大小反映了负载的轻重。因此可以说，在轻载时直

流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是

R =/wC 。

考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而

串联的电感时的工作情况： 电流波形的前沿平缓了许多，有利

于电路的正常工作。 随着负载的加重，电流波形与电阻负载时

的交流

侧电流波形逐渐接近。

2． 由电容滤波电路的原理分析可知，该电路的特点如下所示：

（1）二极管的导电角<，流过二极管的瞬时电流很大

333

电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。在纯电阻负载时，变压器副边电流的有效值I2 = 1.11I L，而有电容滤波时

（2）负载平均电压V L升高，纹波（交流成分）减小，且R越大，电容放电速度越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。

为了得到平滑的负载电压，一般取

≥(3～5)

式中T为电源交流电压的周期。

（3）负载直流电压随负载电流增加而减小。V L随I L

的变化关系称为输出特性或外特性，如图1所示。

C值一定，当，即空载时

当C=0，即无电容时

在整流电路的阻不太大（几欧）和放电时间常数满足式

≥(3～5) 的关系时，电容滤波电路的负载电压V L V2的关系约为

V L=(1.1～1.2)V2

总之，电容滤波电路简单，负载直流电压V L较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

2.3 二极管的选择

在选择整流二极管时，主要考虑两个参数，即最大整流电流和反向击穿电压。在桥式整流电路中，二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为

在选择整流管时应保证其最大整流电流I F > I D。

二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从桥式整流电路的工作原理中得出。在v2正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止。此时D2、D4所承受的最大反向电压均为v2的最大值，

即

同理，在v2的负半周，D1、D3也承受到同样大小的反向电压。所以，在选择整流管时应取其反向击穿电压V BR > V RM。

第三章逆变电路

根据要求，逆变电路采用三相桥式电压型逆变电路，其电路图如图3.1所示：

图3.1

1.1其工作原理如下：

（1）该电路是采用双极性控制方式。U,V,W三相的PWM

控制通常公用一个三角载波u c,三相的调制信号u rU,u Rv和u rW依次相差120°。U,V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U 相为例来说明。当u rU大于u c时，给上桥臂V1导通信号，给下桥臂V4以关断信号，则U相相对于直流电源假象中点N’的输出电压u Un’=U d/2。当u rU小于u c时，给V4一导通信号，给V1上桥臂关断信号时，则u UN=2d U。V1和V4的驱动信号始终是互补的。当给V1（V4）以导通信号，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通这要由阻感负载中电流方向来决定。这是因为阻感负载中电流的方向来决定的。V相及W相的控制方式都相同。电路

波形如图所示。可以得出，的PWM波形都只有两种电平，当臂1臂6导通时u UV=U d，当臂3和臂4导通时u UV=－U d，当臂1和臂3或臂4和臂6导通时u UV=0。因此，逆变器的输出线电压PWM波由 U d和0三种电平构成。而且负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成，其波形图如图3.2所示。

图3.2

（2）U相的控制规律

当u rU>u c时，给V1导通信号，给V4关断信号，u UN’=U d/2 当u rU

（3）死区时间的防止：

同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区

时间，死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定，

死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正

弦波，所以必须在电路中设计死区生成电路。

2．IGBT的选择

参数的选择一条原则是适当留有余地，这样才能确保长期、可靠、安全地运行。工作电压≤50%-60%，结温≤70-80%在这条件下器件是最安全的。制约因素如下：

（1）在关断或过载条件下，IC要处于安全工作区，即小于2倍的额定电流值；IGBT峰值电流是根据200%的过载和120%的电流脉动率下来制定的；结温一定<150℃以下，指在任何情况下，包括过载时。

（2 ）开通电压15V±10%的正栅极电压，可产生完全饱和，而且开关损耗最小，当<12V时通态损耗加大，>20V时难以实现过流及短路保护。

（3）关断偏压-5到-15V目的是出现噪声仍可有效关断，并可减小关断损耗最佳值约为-10V。

（4）IGBT不适用线性工作，只有极快开关工作时栅极才可加较低3—11V电压

（5）饱和压降直接关系到通态损耗及结温大小，希望越

小越好，但价格就要大。。

所以根据IJBT的制约因素，主电路的电流电压值及设计要求，采用的IJBT管是GTl53101。

第四章PWM逆变电路的工作原理PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变逆变输出频率。

1．PWM控制的基本原理

PWM控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）理论基础:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同

PWM波形可等效的各种波形，例如：直流斩波电路可以等效直流波形；PWM波可以等效正弦波形；还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波的方法：⑴正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；⑵用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等。这样就可得到PWM 波形。由上方法可知各脉冲的幅值相等，而宽度按正弦规律变化。对于正弦波的负半周，也可用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM波形。

要改变等效输出正弦波幅值时，只要按照同一比例系数改

变上述各脉冲的宽度即可。

2．控制方法

调制信号u r为正弦波,载波u c在u r的正半周为正极性的三角波，在u r的负半周为负极性的三角波。在u r和u c的交点时刻控制IGBT的通断。在u r的半个周期三角波载波只在正极性或负极性一种极性围变化，所得到的PWM波形也只在单个极性围变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。

和单极性PWM控制方式相对应的是双极性控制方式。采用双极性方式时，

在u r的半个周期，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得的PWM形也是有正有负。在u r的一个周期，输出

的PWM 波只有±U d 两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号u r 和载波信号u c 的交点时刻控制各开关的通断。在u r 的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。

第五章 三相正弦交流电源发生器

本设计需要三相正弦交流电源发生器，根据设计要求，确定其电路图如图5.1所示，在图5.1中，用双联电位器同时改变R 7和R 12，就可以改变正弦参考信号的频率，从而实现了变频功能。

在本设计中，我用一个三相变频正弦参考信号发生电路代替了生成SPWM 信号的专用芯片。它是控制电路的核心部分，采用的是一个特殊结构的RC 移相正弦

波发生器。其中，正弦波振荡的频率由下式确定：f=1723C R π=31223C R π

所以由1723C R π=20，可以确定参数为：R7=1K, C1=5Uf.

同时通过对其他参数的调整确定正旋波的幅值为1v 。

所以三相正弦参考信号分别表示为：U A = sin(125.6t) U B = sin(125.6t ?120。) U C = sin(125.6t ?240。)

图5.1

第六章 三角波发生器

本设计中需要三角波发生器，根据要求确定其电路图如图6.1所示：

1．其工作原理如下： U2A

32

841+-V +V -OUT

R14110k A 相

U2A 32841+

-V +V -OUT 0R882k

R1010k C 相C51U 00R757k R1

250k

10k R20R310k

C1

47n 000

D4R610k R1110k

U3PS25011234R15250k R1610k R1257k

0B 相D1D02BZ2_2

R933k R4

10k

D2U9A 32841+-V +V -OUT C3

47n U31234R1382k C418p R5

10k

C2

1u U1A

32

84

1+-V +V -OUT

D3D02BZ2_2

在图6.1中所示的三角波发生器电路中，U 01左边为同相滞回比较器 ，右边为积分运 算放大电路。

图中滞回比较器的输出电压U 01=+U z (或-U z )，它的输入电压是积分路的输出电压U 0，根据叠加原理，集成运放A 1同相输出端的电位

u p1=012

110212U R R R U R R R +++……..(1) 令u p1=u n1=0，则阈值电压

+U z (或-U z )=）（z 2

1z 21U R R -U R R +……………(2) 积分电路的输入电压是指会比较器的输出电压U 01，所以输出电压的表达式为

U O =)(t U )t -(t U C

R 10001013+………………(3) 式中U 0(t 0)为处态时的输出电压。由上式可以得出U O 是三角波，幅值为+U T (或- U T );U 01是方波,幅值为+U z (或-U z ),由于积分电路引入了深度电压负反馈,所以 在负载电阻相当大的变化围里,三角波电压几乎不会变.

2．参数选择

由三角波的波形可以得出