三相电压源型SPWM逆变器的设计

2011~2012学年第 2 学期

《电力电子技术》

课程设计报告

题目：三相电压源型SPWM逆变器的设计专业：电气工程及其自动化

班级：09 电气工程及其自动化

姓名：

指导教师：

电气工程系

2012年5月12日

任务书

目录

摘要............................................................................................. 错误！未定义书签。

1 设计原理 (2)

1.1 SPWM控制基本原理 (2)

1.2逆变电路 (2)

1.3三相电压型桥式逆变电路 (3)

2 设计方案 (5)

2.1 逆变器主电路设计 (5)

2.2 脉宽控制电路的设计 (6)

2.2.1 SG3524芯片 (6)

2.2.2 利用SG3524生成SPWM信号 (7)

2.3 驱动电路的设计 (9)

2.3.1 IR2110芯片 (9)

2.3.2 驱动电路 (9)

3 软件仿真 (10)

3.1 Matlab软件 (10)

3.2 建模仿真 (11)

4 心得体会 (12)

参考文献 (15)

附录 (16)

摘要

本次课程设计题目要求为三相电压源型SPWM逆变器的设计。设计过程从原理分析、元器件的选取，到方案的确定以及Matlab仿真等，巩固了理论知识，基本达到设计要求。

本文将按照设计思路对过程进行剖析，并进行相应的原理讲解，包括逆变电路的理论基础以及Matlab仿真软件的简介、运用等，此外，还会清晰的介绍各个部分电路以及元器件的取舍，比如驱动电路、抗干扰电路、正弦信号产生电路等，其中部分电路的绘制采用了Protel软件，最后结合Matlab Simulink仿真，建立了三相全控桥式电压源型逆变电路的仿真模型，进而通过软件得到较为理想的实验结果。

关键词：三相电压源型逆变电路Matlab仿真

三相电压源型SPWM逆变器的设计

1 设计原理

1.1 SPWM控制原理分析

PWM(Pulse Width Modulation)控就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术最重要的理论基础是面积等效原理，即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。

SPWM控制技术是PWM控制技术的主要应用，即输出脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效。

1.2逆变电路

逆变电路的作用是将直流电压转换成梯形脉冲波，经低通滤波器滤波后，从而使负载上得到的实际电压为正弦波，逆变电路是由4个IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）组成的全桥式逆变电路组成，如图1所示。

图1 逆变电路

当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。此外，逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。本次课程设计任务要求为电压型逆变电路的设计。

1.3三相电压型桥式逆变电路

用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最为广泛的还是三相桥式逆变电路。采用IGBT 作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图2所示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。

图2 三相电压型桥式逆变电路

电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出假想中点'N 。和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180?导电方式，即每个桥臂的导电角度为180?，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度以此相差120?。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。

以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。对于U 相输出来说，当桥臂1导通时，

2UN d u U '=，当桥臂4导通时，2UN d u U '=-。因此，'UN u 的波形是幅值为/2d U 的矩形波。V 、W 两相的情况和U 相类似，'VN u 、'WN u 的波形形状和'UN u 相同，只是相位依次差120°。负载线电压可由下式求出：

??

?

??

-=-=-= UN'WN'WU WN'VN'VW VN'UN'UV u u u u u u u u u 设负载中点N 与直流电源假想中点'N 之间的电压为NN u '，则负载各相的相电压分别为：

??

?

??

-=-=-=' NN WN'WN NN' VN'VN NN' UN'UN u u u u u u u u u 三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图3所示。

下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出线电压展开成傅里叶级数得：

111

(sin sin5sin7sin11......)

5711

d

UV

u t t t t

ωωωω

π

=--+

1

sin(1)sin

k

d

n

t n t

n

ωω

π

??

=+-

??

??

∑

式中，61

n k

=±，k为自然数。

输出线电压有效值

UV

U为

0.816

UV d

U U

==

基波幅值

1

UV m

U和基波有效值

1

UV

U分别为

1

1.1

d

UV m d

U U

π

==；

1

0.78

UV d d

U U

===

O

O

O

O

O

O

O

O

VN

u

'

WN

u

'

UV

u

NN

u

'

UN

u

U

i

d

i

UN

u

'

接下来，我们再对负载相电压UN u 进行分析。把UN u 展开成傅里叶级数得

2111

(sin sin 5sin 7sin11......)5711

d

UN U u t t t t ωωωωπ=

++++ 21

=

sin sinn d n U t t n ωωπ+∑（）

式中，61n k =±，k 为自然数。 负载相电压有效值UN U 为

0.471UN

d U U =

= 基波幅值1UN m U 和基波有效值1UN U 分别为

120.637d

UN m d U U U π

=

=

；10.45UN d U U =

=

2 设计方案

2.1 逆变器主电路设计

图4是SPWM 逆变器的主电路设计图。图中Vl —V6是逆变器的六个功率开关器件，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压U 供电。一组三相对称的正弦参考电压信号c U 由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内变化，决定输出电压的大小。三角载波信号c U 是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生

SPWM 脉冲序列波。da U ，db U ，dc U 作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。

当ru 2un d U U U <=-时，给V4导通信号，给V1关断信号un 2d U U =-，给V1(V4)加导

通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。d U 和wn'U 的PWM 波形只有/2d U ±两种电平。当c ru U U >时，给V1导通信号，给V4关断信号，/2un d U U '=-。uv U 的波形可由vn un U U ''-得出，当1和6通时，d uv U U =，当3和4通时，d uv U U =-，当1和3或4和

6通时，uv U =0。输出线电压PWM 波由d U ±和0三种电平构成负载相电压PWM 波由(±2/3) d U ，

(±1/3) d U 和0共5种电平组成。

图4 SPWM 逆变器的主电路设计图

防直通的死区时间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。 2.2 脉宽控制电路的设计

2.2.1 SG3524芯片

SG3524芯片是集成PWM 控制器，其引脚图和内部框图分别如图5、图6所示。

图5 SG3524引脚图

电流限制检电流限制检振荡器同相 反相E

C

C

E

端

点

图6 SH3524内部框图

SG3524工作过程是这样的：

直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的＋5V基准电压。＋5V再送到内部（或外部）电路的其他元器件作为电源。

振荡器脚6须外接电容CT，脚6须外接电阻RT。振荡器频率f由外接电阻RT和电容CT决定，f=1.18/RTCT。振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相端，比较器的反向端接正弦波调制信号，通过芯片内置的比较器完成载波和调制波的比较，产生SPWM信号。

2.2.2 利用SG3524生成SPWM信号

2.2.2.1 调制波及载波的产生

正弦波信号u

t 由函数发生器ICL8038产生。

15

1

9

2

4

5

10

7

6

3

图7 ICL8038用于正弦波信号发生

正弦波的频率由1R 、2R 和C 来决定，120.15

f=+R R （）C ，为了调试方便，将1R 、2R 都用可

调电阻，2R 和R 是用来调整正弦波失真度用的。

通过查询资料得知，当f=50z H 时，取12+=9.7R R K Ω，其中=0.22F C μ。

正弦波信号产生后，一路经过精密全波整流，得到正弦波r u ，另外两路得到与正弦波同频率、同相位的方波和三角波。

ICL8038的引脚图如图8所示。

图8 ICL8038引脚图

载波可以是等腰三角波或者锯齿波，由于SH3524可以直接产生锯齿波，所以，直接用SG3524本身产生的锯齿波作为载波即可。

2.2.2.2 SPWM 信号的产生

ICL8038产生的正弦波u r 与1V 基准经过加法器后得到u d ，

u d 输入到SG3524的脚1，

8

7

方

波

三角波

正弦波

V

脚2与脚9相连，这样u

和锯齿波将在SG3524内部的比较器进行比较产生SPWM信号。

d

左电桥的控制信号可以由正弦信号与直流电压通过电压比较器产生，本次课程设计采用LM339芯片，其引脚图如图9所示。

图9 LM339引脚图

LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，可以任意选用，该电压比较器主要有以下几个特点：

1）失调电压小，典型值为2mV；

2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V—±18V；

3）对比较信号源的内阻限制较宽；

4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）V；

5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；

6）输出端电位可灵活方便地选用。

2.3 驱动电路的设计

2.3.1 IR2110芯片

由于LM3S1138产生的SPWM信号不能直接驱动IGBT，故逆变桥的驱动采用专用芯片IR2110。

IR2110是一种双通道、栅极驱动、高压高速、单片式集成功率驱动模块，具有体积小(DIP14)、集成度高(可驱动同一桥臂两路)、响应快(典型ton/toff=120/94ns)、偏置电压高(<600

V)、驱动能力强等特点，同时还具有外部保护封锁端口，常用于驱动MOSFET和IGBT等电压驱动型功率开关器件。

IR2110包括逻辑输入、电平转换、保护、上桥臂输出和下桥臂输出。逻辑输入采用施密特触发电路，以提高抗干扰能力。由IR2110构成的驱动电路如图10所示。

图10 IR2110构成的驱动电路

2.3.2 驱动电路

IR2110自身的保护功能非常完善：对于低压侧通道，利用2片IR2110驱动全桥逆变电路的电路图如图11所示。

图11 全桥驱动电路

为改善PWM控制脉冲的前后沿陡度并防止振荡，减小IGBT集电极的电压尖脉冲，一般应在栅极串联十几欧到几百欧的限流电阻。IR2110的最大不足是不能产生负偏压，由于密勒效应的作用，在开通与关断时，集电极与栅极间电容上的充放电电流很容易在栅极

上产生干扰。针对这一点，本次课设在驱动电路中的功率管栅极限流电阻R1、R2上反向并联了二极管D4、D5。

3 软件仿真

3.1 Matlab软件

Matlab软件提供的仿真工具箱Simulink是一个功能十分强大的仿真软件，它可以根据用户的需要方便的为系统建立模型，并且十分直观，仿真精度高，结果准确。特别是其电力系统模块库PSB中包含了大量的电力电子功能模块，为我们仿真提供了极大的便利。

Matlab提供了系统模型图形输入工具——Simulink工具箱。在Matlab中的电力系统模块库PSB以Simulink为运算环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本原件和系统仿真模型。它由以下6个子模块组成：电源模块库、连接模块库、测量模块库、电力电子模块库、电机模块库、基本件模块库。在这6个基本模块库的基础上，根据需要还可以组合出常用的、复杂的其他模块添加到所需的模块库中，为电力系统的研究和仿真带来更多的方便。

3.2 建模仿真

SPWM控制方式下的三相逆变电路主电路如图12所示：

图12 三相逆变电路主电路

根据设计任务要求，直流电源电压为400V，要求输出三相180V、40Hz的交流电，带对称RL负载（星形接法），其中R的值为2Ω、L 的值为1 0mH。

运行仿真图形，并点击示波器可得输出交流电压，交流电流波形如图13、图14所示：

图13 SPWM方式下三相交流电压输出波形

图14 SPWM方式下三相电流输出波形

从仿真结果可以得出，本次课程设计基本达到任务要求，三相输出电压约为180V，40HZ，交流电为正弦波满足条件。

4 心得体会

参考文献

【1】王兆安刘进军电力电子技术北京：机械工业出版社2009.5 【2】康华光电子技术基础数字部分北京：高等教育出版社2005 【3】刘凤君现代逆变技术及应用北京：电子工业出版社2006

【4】李宏王崇武现代电力电子技术基础北京：机械工业出版社2009 【5】陈国呈PWM逆变技术及应用北京：中国电力出版社2007 【6】陈国呈PWM电力电子变换技术北京：中国电力出版社2007 【7】洪乃刚电力电子技术基础北京：清华大学出版社2008

附录