電力電子課程設計----電壓型spwm逆變器的設計

1、<p><b>　　課程設計基本要求</b></p><p>　　課程設計是工科學生十分重要的實踐教學環(huán)節(jié)，通過課程設計，培養(yǎng)學生綜合運用先修課程的理論知識和專業(yè)技能，解決工程領域某一方面實際問題的能力。課程設計報告是科學論文寫作的基礎，不僅可以培養(yǎng)和訓練學生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達能力，也是規(guī)范課程設計教學要求、反映課程設計教學水平的重要依據。為了加強課程設計教學管

2、理，提高課程設計教學質量，特擬定如下基本要求。</p><p>　　1. 課程設計教學一般可分為設計項目的選題、項目設計方案論證、項目設計結果分析、答辯等4個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都應有一定的考核要求和考核成績。</p><p>　　2. 課程設計項目的選題要符合本課程設計教學大綱的要求，該項目應能突出學生實踐能力、設計能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；該項目有一定的實用性，且學生通過努力在規(guī)定的時間內是可以

3、完成的。課程設計項目名稱、目的及技術要求記錄于課程設計報告書一、二項中，課程設計項目的選題考核成績占10%左右。</p><p>　　3. 項目設計方案論證主要包括可行性設計方案論證、從可行性方案中確定最佳方案，實施最佳方案的軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖。項目設計方案論證內容記錄于課程設計報告書第三項中，項目設計方案論證主要考核設計方案的正確性、可行性和創(chuàng)新性，考核成績占30%左右。</p>

4、<p>　　4. 項目設計結果分析主要包括項目設計與制作結果的工藝水平，項目測試性能指標的正確性和完整性，項目測試中出現故障或錯誤原因的分析和處理方法。項目設計結果分析記錄于課程設計報告書第四項中，考核成績占25%左右。</p><p>　　5. 學生在課程設計過程中應認真閱讀與本課程設計項目相關的文獻，培養(yǎng)自己的閱讀興趣和習慣，借以啟發(fā)自己的思維，提高綜合分和理解能力。文獻閱讀摘要記錄于課程設計報告書

5、第五項中，考核成績占10%左右。</p><p>　　6. 答辯是課程設計中十分重要的環(huán)節(jié)，由課程設計指導教師向答辯學生提出2～3個問題，通過答辯可進一步了解學生對課程設計中理論知識和實際技能掌握的程度，以及對問題的理解、分析和判斷能力。答辯考核成績占25%左右。</p><p>　　7.學生應在課程設計周內認真參加項目設計的各個環(huán)節(jié)，按時完成課程設計報告書交給課程設計指導教師評閱。課程設

6、計指導教師應認真指導學生課程設計全過程，認真評閱學生的每一份課程設計報告，給出課程設計綜合評閱意見和每一個環(huán)節(jié)的評分成績（百分制），最后將百分制評分成績轉換為五級分制（優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格）總評成績。</p><p>　　8. 課程設計報告書是實踐教學水平評估的重要資料，應按課程、班級集成存檔交實驗室統(tǒng)一管理。</p><p>　　一、課程設計項目名稱</p>&l

7、t;p>　　電壓型SPWM逆變器的設計</p><p>　　二、項目設計目的及技術要求</p><p><b>　　設計目的</b></p><p>　　設計單相或三相電壓源型SPWM逆變器的主電路及其控制電路。</p><p>　　技術要求及初始條件：</p><p>　　采用單相或者三相

8、電壓源型SPWM逆變器。要求頻率f＝50Hz，相電 220V ，電流20A。</p><p><b>　　設計任務: </b></p><p>　　1. SPWM逆變器主電路設計（包括電路結構形式，全控型器件的選擇）。</p><p>　　2. 脈寬調制器設計（如3524集成PWM控制器）。</p><p>　　3.控制

9、驅動電路設計（如IR2110集成PWM驅動器）。</p><p>　　4. SPWM控制原理分析</p><p>　　5.提供電路圖紙一張。</p><p><b>　　設計要求: </b></p><p>　　1．對系統(tǒng)設計方案的先進性、實用性和可行性進行論證，說明系統(tǒng)工作原理。</p><p>

10、;　　2. 畫出單元電路圖，說明工作原理，給出系統(tǒng)參數計算過程。</p><p>　　3. 對項目設計結果進行分析。</p><p>　　3. 畫出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標準。</p><p>　　4.課程設計說明書應嚴格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，堅決杜絕抄襲，雷同現象。</p><p>　　三、項目設計方案論證(

11、可行性方案、最佳方案、軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖)</p><p>　　1. PWM控制的基本原理</p><p>　　在采樣控制理論中有一個重要的結論：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，其效果基本相同。沖量即窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。例如圖1-1a、b、c所示的三個窄脈沖形狀不同，其中圖1-1a為矩形脈沖，圖1-1b為

12、三角形脈沖，圖1-1c為正弦波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于1，那么，當它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應基本相同。當窄脈沖變?yōu)閳D1-1d的單位脈沖函數ξ(t)時,環(huán)節(jié)的響應即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數。</p><p>　　圖1-1　形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖</p><p>　　圖1-2a的電路是一個具體的例子。圖中e(t)為電壓窄脈沖，其形狀和面積分別如圖1-1a、b

13、、c、d所示，為電路的輸入。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的R-L電路上，設其電流i(t)為電路的輸出。圖1-2b給出了不同窄脈沖時i(t)的響應波形。從波形可以看出，在i(t)的上升段，脈沖形狀不同時i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應i(t)也是周期性的。</p><p>　　圖1-2　沖量相同的各種窄脈沖的響應波形</p

14、><p>　　上述原理可以稱之為面積等效原理，它是PWM控制技術的重要理論基礎。</p><p>　　2. SPWM控制技術</p><p>　　下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦波。</p><p>　　把圖2-a的正弦波分成N等分，就可以把正弦波看成是由N個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于，但幅值不等，

15、且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積相等，就得到圖2-b所示的序列脈沖。</p><p>　　詳細的分析結論是：對開關器件的通、斷狀態(tài)進行實時、適式的控制，使多脈波的矩形脈沖電壓寬度按正弦規(guī)律變化時，通過傅里葉分析可以得知，輸出電壓中除基波外僅含有與開

16、關頻率倍數相對應的某些高次諧波而消除了許多低次諧波，開關頻率（輸出電壓頻率）越高，脈波數越多，就能消除更多的低次諧波，使逆變電路的輸出電壓更近似于連續(xù)的正弦波。</p><p>　　如果按同一比例的正弦規(guī)律改變圖2-b中所有矩形脈波的寬度，則可以成比例地調控輸出電壓中的基波電壓數值。這種控制逆變器輸出電壓大小及波形的方法被稱為正弦脈寬調制SPWM。</p><p>　　圖2　用PWM波代替

17、正弦半波</p><p>　　3. SPWM逆變電路及其控制方法</p><p>　　PWM控制技術在逆變電路中的應用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎采用了PWM技術。如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內的脈沖數，PWM波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結果控制逆變電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。這種方法稱之為計算法。</p

18、><p>　　與計算法相對應的是調制法，即把希望輸出的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過信號波的調制得到所期望的PWM波形。通常采用等要三角波作為載波，因為等腰三角波上任一點的水平寬度和高度成線性關系且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調制信號波相交時，如果在交點時刻對電路中開關器件的通斷進行控制，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。</p><p>

19、;<b>　　4. 方案選擇</b></p><p>　　4.1選用EsayARM1138開發(fā)板</p><p>　　以LM3S1138為控制核心，輔以擴展的鍵盤及顯示電路和SPWM逆變電路組成完整的系統(tǒng)。根據采樣控制理論，由LM3S1138輸出一系列周期性變化的等幅不等寬脈沖，控制IGBT功率開關管的導通和截止，使逆變器輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖波。輸出的信

20、號經低通濾波器濾波后，即可得到所需要的正弦波。改變調制脈沖的寬度可以控制輸出電壓的幅值，改變調制周期可以控制輸出電壓的頻率，從而達到使逆變器的輸出電壓和幅值同時可調的目的。</p><p>　　在逆變器電路的設計中，控制方法是核心技術。早期的控制方法使得輸出為矩形波，諧波含量較高，濾波困難，而SPWM技術較好地克服了這些缺點。</p><p>　　本設計室基于單片機來實現SPWM，此方法控

21、制電路簡單可靠，利用軟件產生SPWM波，減輕了對硬件的要求，且成本低，受外界干擾小。</p><p>　　4.2 選用SG3524 </p><p>　　選用SG3524集成PWM控制器為控制核心，用ICL8038函數發(fā)生器產生正弦調制波，在與SG3524中的載波比較后輸出一系列周期性變化的等幅不等寬脈沖，由于SG3524產生的SPWM信號不能直接驅動IGBT，故逆變橋的驅動采用專用芯片I

22、R2110控制IGBT功率開關管的導通和截止，使逆變器輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖波，即可得到所需要的正弦波。</p><p>　　本系統(tǒng)由正弦波函數發(fā)生器、3524集成PWM控制電路、IR2110集成PWM驅動電路、SPWM逆變器主電路等組成。</p><p>　　從設計方案的先進性、實用性和可行性方面綜合考慮，選用方案二。</p><p>　　5. SPW

23、M逆變器主電路設計</p><p>　　如圖5是SPWM逆變器的主電路，圖中Vl—V6是逆變器的六個功率開關器件，各由一個續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個逆變器由恒值直流電壓U供電。一組三相對稱的正弦參考電壓信號由參考信號發(fā)生器提供，三角載波信號Uc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，產生SPWM脈沖序列波作為逆變器功率開關器件的驅動控制信號。</p><p>　　當U

24、ru<Uun=-Ud/2時，給V4導通信號，給V1關斷信號Uun=-Ud/2,給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是VD1(VD4)導通。Ud和Uwn5’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平。當Uru>Uc時，給V1導通信號，給V4關斷信號，Uun’=-Ud/2。Uuv的波形可由Uun’-Uvn’得出，當1和6通時，Uuv=Ud，當3和4通時，Uuv=-Ud，當1和3或4和6通時，Uuv=0。輸

25、出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構成負載相電壓PWM波由(±2/3)Ud,(±1/3) Ud和0共5種電平組成。</p><p>　　防直通的死區(qū)時間同一相上下兩臂的驅動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關斷信號的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短主要由開關器件的關斷時間決定。死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。</p><p

26、><b>　　圖5 主電路圖</b></p><p>　　6. 脈寬調制器設計</p><p>　　本次設計中采用ICL8038產生正弦波給SG3524集成PWM控制器產生控制信號。SG3524可以產生鋸齒波，作為載波與正弦波比較，生成SPWM信號。SG3524管腳圖如圖6.1所示。</p><p>　　工作過程為：直流電源從腳15接入

27、后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產生穩(wěn)定的+5V基準電壓。+5V再送到內部（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，腳6需外接電阻。振蕩器頻率f由外接電阻和電容決定，f=1.18/RC，振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相端，比較器的反相端接正弦波調制信號，通過芯片內置的比較器完成載波和調制波的比較，產生SPWM信號。<

28、/p><p>　　正弦波信號由函數發(fā)生器ICL8038產生。其頻率由R1，R2和C來決定，f=0.15/(R1+R2)C，對于本次設計要求頻率為50Hz，可取R1+R2=9.7kΩ，電容取0.22uF。連接電路如圖6.2所示。</p><p>　　圖6.1 SG3524 管腳圖</p><p>　　圖6.2 ICL8038電路圖</p><p&g

29、t;　　整個脈寬調制器部分系統(tǒng)如圖6.3所示。</p><p>　　圖6.3 脈寬調制部分系統(tǒng)示意圖</p><p>　　7. 控制驅動電路設計</p><p>　　由于SG3524產生的SPWM信號不能直接驅動IGBT，故逆變橋的驅動采用專用芯片IR2110。IR2110是一種雙通道、柵極驅動、高壓高速、單片式集成功率驅動模塊，具有體積小(DIP14)、集成度高

30、(可驅動同一橋臂兩路)、響應快(典型ton/toff=120/94 ns)、偏置電壓高(<600 V)、驅動能力強等特點，同時還具有外部保護封鎖端口。</p><p>　　IR2110采用CMOS工藝制作，邏輯電源電壓范圍為5 V~20 V，適應TTL或CMOS邏輯信號輸入，具有獨立的高端和低端2個輸出通道。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上，容許邏輯電路參考地(VSS)與功率電路參考地(CO

31、M)之間有-5 V～+5 V的偏移量，并且能屏蔽小于50 ns的脈沖，這些特點使得IR2110具有較理想的抗噪聲效果。采用CMOS施密特觸發(fā)輸入，可以進一步提高電路抗干擾能力。</p><p>　　R2110自身的保護功能非常完善：對于低壓側通道，利用2片IR2110驅動全橋逆變電路的電路圖如圖7所示。</p><p>　　圖7 全橋驅動電路</p><p>　　

32、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生負偏壓，由于密勒效應的作用，在開通與關斷時，集電極與柵極間電容上的充放電電流很容易在柵極上產生干擾。針對這一點，在驅動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。</p><p>　　四、項目設計結果分析（分析試驗過程中獲得的數據、波形、現象或

33、問題的正確性和必然性，分析產生不正確結果的原因和處理方法）</p><p>　　PWM控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術，即通過一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形，PWM控制技術最重要的理論基礎是面積等效原理，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性的，環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。</p><p>　　在采樣控制理論中，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，其效果基本

34、相同。這是PWM控制的基本思想，也就是面積等效原理 。一個正半波可以和等幅不等寬的脈沖序列來等效，但必須使該半波七等分的各部分面積與相對應的七個脈沖序列面積相等，其作用效果才能相等。</p><p>　　可以看出，各脈沖的幅值相等，而寬度按正弦規(guī)律變化。對于正弦的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而且和正弦波等效的PWM波形，稱為SPWM波形。</p><

35、p>　　SPWM控制技術是PWM控制技術的主要應用，即輸出脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效。</p><p>　　對負載(交流異步電機)來說，有用的是電壓的基波，希望SPWM 波形中基波成分越大越好，通過對SPWM 脈沖序列波U (t)展開成付利葉極數分析可知，輸出基波電壓幅值Um 與δi 有著直接的關系，它說明調節(jié)調制波幅值從而改變各個脈沖寬度時，可使逆變器輸出電壓基波幅值平滑調節(jié)。</p&g

36、t;<p>　　SPWM 逆變器輸出脈沖序列波的基波電壓正是調制時所要求的等效正弦波，當然這必須是在滿足n 不太小近似條件下得到的。</p><p>　　但SPWM 逆變器輸出相電壓的基波幅值有常規(guī)六拍階梯波的86%～90%，為彌補這一不足，常在SPWM 逆變器的直流回路中并聯(lián)相當大的濾波電容，以提高逆變器的直流電壓Us。</p><p>　　由以上分析可知n 越大即功率開關

37、器件半周內要開關n 次，脈沖數n=N/2，其中N 為載波比，即：N=ft/fr=載波頻率/參考調制波頻率。</p><p>　　即希望N 越大越好。但從功率開關器件本身的允許開關頻率來看，N 不能太大：</p><p>　　N ≤功率開關器件的允許開關頻率/最高的正弦調制信號頻率。</p><p>　　五、參考文摘（相關文摘不少于5篇，記錄每篇文獻的作者姓名.文獻名

38、稱.文獻發(fā)行城市：文獻出版社，出版年；文獻內容摘要, 每篇不少于100字）</p><p>　　[1]　王兆安，劉進軍．電力電子技術．北京：機械工業(yè)出版社，2005．</p><p>　　內容摘要：內容包括:各種電力電子器件、整流電路、逆變電路、直流一直流變流電路、交流一交流變流電路、PWM控制技術、軟開關技術、電力電子器件應用的共性問題、電力電子技術的應用等。本書對電力電子技術的內容進行

39、了精選,體現了最新技術的發(fā)展。</p><p>　　[2]　李愛文，張承慧．現代逆變技術及其應用．北京：科學出版社，2000．</p><p>　　內容摘要：現代逆變技術廣泛應用于各個領域的用電設備或功率變換裝置中。本書從應用和設計的角度，詳細論述了現代逆變技術，逆變開關器件，逆變系統(tǒng)結構及電路形式，變壓器和電抗器設計，功率變換技術，逆變控制技術，逆變系統(tǒng)的整流濾波，并介紹了相關的設計技術

40、和設計實例。本書總結了近年來國內外逆變技術及其應用的研究成果和作者多年的經驗，側重于應用、設計方法和設計實例?！?lt;/p><p>　　[3]　王兆安，黃俊．電力電子技術．北京：機械工業(yè)出版社，2005．</p><p>　　內容摘要：本書主要內容包括：各種電力電子器件；整流電路、直流斬波電路、交流電力控制電路和交交變頻電路、逆變電路以及組合變流電路；PWM控制技術、軟開關技術等。本書對電力

41、電子技術的內容進行了精選，并體現了其最新發(fā)展。</p><p>　　[4]　蘇玉剛等．電力電子技術．重慶：重慶大學出版社，2003．</p><p>　　內容摘要：本書共分7 章，從電力電子器件、電力電子變換電路和電力電子裝置控制與保護電路3 個方面介紹了電力電子器件的原理、特性和應用技術；闡述了電力電子4 種類型變換電路的基本原理及分析方法和設計方法；介紹了電力電子裝置控制和保護電路的基

42、本要求和設計方法。</p><p>　　[5]　張燕賓．SPWM變頻調速應用技術．北京：機械工業(yè)出版社，2005．</p><p>　　內容摘要：本書首先深入淺出地講解了電力拖動系統(tǒng)的工作要求、異步電動機的主要理論和交-直-交變頻器的基本原理，而詳細講解了變頻器中各功能的含義，進行預置的依據和方法。變頻調速拖動系統(tǒng)的設計、安裝，變頻器在水泵和風機、起重機械和電梯、金屬切削機床和其他機械中的

43、應用，并對使用中一些問題進行了深人探討。</p><p>　　[6]　廖冬初，聶漢平．電力電子技術．湖北：華中科技大學出版社，2007．</p><p>　　內容摘要：本書的內容涉及各種電力電子器件，DC／DC、DC／AC、Ac／DC和AC／AC四類電力轉換電路，電力電子變換系統(tǒng)中的輔助元器件和控制系統(tǒng)，諧振變換電路，以及電力電子技術在電力傳輸和電力控制、電力補償中的應用技術。本書精選和歸