電力電子課程設(shè)計(jì)--三相變頻電源的設(shè)計(jì).doc

電力電子課程設(shè)計(jì) 學(xué)院：電氣與動(dòng)力工程學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)老師：目錄第一章：課程設(shè)計(jì)的目的及要求11.1課程設(shè)計(jì)的目的 11.2課程設(shè)計(jì)的要求 11.3課程設(shè)計(jì)報(bào)告基本格式 3第二章：三相變頻電源介紹3第三章MATLAB軟件的介紹4第四章：整流電路的設(shè)計(jì)54.1 整流電路工作原理 54.2 電容濾波的不可控整流 64.3 整流模塊的計(jì)算及選型 10第五章：逆變電路的設(shè)計(jì)135.1 逆變電路的工作原理及波形135.2 二極管和IGBT參數(shù)選擇 16第六章：SPWM逆變電路18第七章：驅(qū)動(dòng)電路22第八章：MATLAB軟件仿真 22第九章：附錄及參考文獻(xiàn) 25第十章：課程設(shè)計(jì)的心得體會(huì) 26第一章：課程設(shè)計(jì)的目的及要求1、課程設(shè)計(jì)的目的通過電力電子計(jì)術(shù)的課程設(shè)計(jì)達(dá)到以下幾個(gè)目的： 1） 培養(yǎng)文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻(xiàn)資料。 2） 培養(yǎng)綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。 3） 培養(yǎng)運(yùn)用知識(shí)的能力和工程設(shè)計(jì)的能力。 4）培養(yǎng)運(yùn)用工具的能力和方法。 5） 提高課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫水平。2、課程設(shè)計(jì)的要求題目：三相變頻電源的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：1） 根據(jù)規(guī)定題目進(jìn)行電力電子裝置設(shè)計(jì)2） 通過圖書館和Internet廣泛檢索和閱讀自己要設(shè)計(jì)的題目方向的文獻(xiàn)資料，確定適應(yīng)自己的課程設(shè)計(jì)方案。首先要明確自己課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容。設(shè)計(jì)裝置（或電路）的主要技術(shù)數(shù)據(jù)主要技術(shù)數(shù)據(jù)輸入交流電源：單相220V，f=50Hz。交直變換采用二極管整流橋電容濾波電路，無源逆變橋采用三相橋式電壓型逆變主電路，控制方法為SPWM控制原理輸出交流：電流為正弦交流波形，輸出頻率可調(diào)，輸出負(fù)載為三相星形RL電路，R=10，L=15mH3、 設(shè)計(jì)內(nèi)容：1）整流電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算及選擇（整流電路工作原理、輸出波形分析、整流模塊的計(jì)算及選型、濾波電容參數(shù)計(jì)算及選型）2）三相逆變主電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇（結(jié)合負(fù)載闡述三相電壓型無源逆變電路的工作原理，分析輸出相電壓、線電壓波形；對(duì)開關(guān)器件和快恢復(fù)二極管進(jìn)行計(jì)算選擇及選型）3）三相SPWM控制及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)：根據(jù)SPWM調(diào)制原理分析逆變電路的輸出相電壓、線電壓波形；設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路；選擇控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊。（SPWM集成控制芯片或分立元件構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)模塊有：日本富士EXB系列或三菱M579系列）4）畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖，并進(jìn)行仿真研究和分析。3、在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)靈活運(yùn)用所學(xué)的電力電子技術(shù)知識(shí)和創(chuàng)造性的思維方式以及創(chuàng)造能力要求具體電路方案的選擇必須有論證說明，要說明其有哪些特點(diǎn)。主電路具體電路元器件的選擇應(yīng)有計(jì)算和說明。課程設(shè)計(jì)從確定方案到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須在檢索、閱讀及分析研究大量的相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過剖析、提煉，設(shè)計(jì)出所要求的電路（或裝置）。課程設(shè)計(jì)中要不斷提出問題，并給出這些問題的解決方法和自己的研究體會(huì)。設(shè)計(jì)報(bào)告最后給出設(shè)計(jì)中所查閱的參考文獻(xiàn)最少不能少于5篇，且文中有引用說明，否則也不能得優(yōu)）。4 、在整個(gè)設(shè)計(jì)中要注意培養(yǎng)獨(dú)立分析和獨(dú)立解決問題的能力要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，獨(dú)力完成所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主電路、控制電路等詳細(xì)的設(shè)計(jì)（包括計(jì)算和器件選型）。嚴(yán)禁抄襲，嚴(yán)禁兩篇設(shè)計(jì)報(bào)告基本相同，甚至完全一樣。5 、課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是主電路的確定，主電路的分析說明，主電路元器件的計(jì)算和選型，以及控制電路設(shè)計(jì)。報(bào)告最后給出所設(shè)計(jì)的主電路和控制電路標(biāo)準(zhǔn)電路圖，不同頻率下輸出電壓電流波形，驅(qū)動(dòng)控制電路中驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形以及其它主要波形，6 、課程設(shè)計(jì)用紙和格式統(tǒng)一課程設(shè)計(jì)用紙?jiān)趯W(xué)校印刷廠統(tǒng)一購買和裝訂，封面為學(xué)校統(tǒng)一要求。要求圖表規(guī)范，文字通順，邏輯性強(qiáng)。設(shè)計(jì)報(bào)告不少于20頁第二章：三相變頻電源介紹 三相變頻電源以MPWM方式制作，用主動(dòng)元件IGBT模塊設(shè)計(jì)使本機(jī)容量可達(dá)200KVA，以隔離變壓器輸入及輸出，來增加整機(jī)穩(wěn)定性，特別適應(yīng)感性，容性及特殊負(fù)載，負(fù)載測試和壽命試驗(yàn)可靠性高。 三相變頻電源特點(diǎn): 1）高頻MPWM設(shè)計(jì)，IGBT功率推動(dòng)，體積小、可靠性高、噪音低。 2）效率達(dá)85%以上 3）反應(yīng)快速，對(duì)100%除載/加載，穩(wěn)壓反應(yīng)時(shí)間在2ms以內(nèi)。 4）超載能力強(qiáng)，瞬間電流能承受額定電流的300% 5）波峰因素比(CREST FACTOR RATIO)高于3：1。 6）具過壓、過流、超溫等多重保護(hù)及報(bào)警裝置 本文設(shè)計(jì)的三相變頻電源將使用交直交整流逆變電路和PWM驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)三相變頻電源。第三章：MATLAB軟件的介紹MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。本文將使用MATLAB軟件進(jìn)行仿真測試第四章 整流電路的設(shè)計(jì)4.1. 整流電路工作原理4.1.1單相不可控整流電路帶電阻負(fù)載a)單相橋式整流電路b)交流輸入正半周單相橋式整流電路工作圖 c)交流輸入負(fù)半周單相橋式整流電路工作圖 電路原理分析在0到180度VD1和VD4導(dǎo)通，在180到360度VD2和VD3導(dǎo)通。使流過電阻R的電流始終為正，規(guī)律總結(jié)如下表；t02二極管導(dǎo)通情況VD1和VD4導(dǎo)通、VD2和VD3截止VD2和VD3導(dǎo)通、VD1和VD4截止ud|u2|u2|uVDuVD1,4=0， uVD2,3= -|u2|uVD3=0， uVD1,4= -|u2|Ud4.2 電容濾波的不可控整流4.2.1電容濾波的不可控整流電路圖及波形電容濾波的不可控整流電路圖電容濾波的不可控整流波形 4.2.2 電路原理分析該電路的基本工作情況是，在u2正半周過零點(diǎn)至=0期間，因u2ud,，故二極管均不導(dǎo)通，次階段電容C向R放電，提供負(fù)載所需電流，同時(shí)ud下降。至=0之后，u2將要超過ud，使得VD1和VD4開通，ud=u2，交流電源向電容充電，同時(shí)向負(fù)載R供電。設(shè)VD1和VD4導(dǎo)通的時(shí)刻與u2過零點(diǎn)相距角，則 （1-1） （1-2） （1-3） 在VD1和VD4導(dǎo)通期間，以下方程成立 式中，ud為VD1、VD4開始導(dǎo)通時(shí)刻直流側(cè)電壓值。將u2代入并求解得 （1-4）而負(fù)載電流為 （1-4） （1-5） 于是設(shè)VD1和VD4的導(dǎo)通角為，則=時(shí)，VD1和VD4關(guān)斷。將代入式（1-5），得 （1-6）電容被充電到時(shí)，VD1和VD4關(guān)斷。電容開始以時(shí)間常數(shù)RC按指數(shù)函數(shù)放電。當(dāng)=，即放電經(jīng)過角時(shí)，ud降至開始充電時(shí)的初值，另外一對(duì)二極管VD2和VD4導(dǎo)通，此后u2正半周的情況一樣。由于二極管導(dǎo)通后u2開始向C充電時(shí)的ud與二極管管段后C放電結(jié)束時(shí)的ud相等，故下式成立： （1-6）注意到為第2象限角，由式（1-6） （1-7） （1-8） 在已知時(shí)，即可由式（1-8）求出，進(jìn)而由式（1-7）求出。顯然和僅有乘積決定。4.2.3.主要的數(shù)量關(guān)系1）輸出電壓平均值 空載時(shí)，,放電是間常數(shù)為無窮大，輸出電壓最大，。整流電壓平均值Ud可根據(jù)前述有關(guān)計(jì)算公式推導(dǎo)得出，但推導(dǎo)繁瑣。空載時(shí)，重載時(shí)，R很小，電容放電很快，幾乎失去儲(chǔ)能作用。隨復(fù)合的增加，Ud逐漸趨近于0.9U2，即趨近于負(fù)載時(shí)的特性。通常在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)負(fù)載情況選擇電容C值，使，T為交流電源的周期，此時(shí)輸入電壓為 （1-9）2）電流平均值 輸出電流平均值為 （1-10）在穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容C在一個(gè)周期內(nèi)吸收的能量和釋放的能量相等，且電壓平均值保持不變。相應(yīng)的，流經(jīng)電容的電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為零，又由得出 （1-11）在一個(gè)電源周期中，id有兩個(gè)波頭，、和、。反過來說，流過某個(gè)二極管的電流只有兩個(gè)波頭中的一個(gè)，故其平均值為 （1-12）3）二極管承受的電壓 二極管承受的反向電壓最大值為變壓器二次側(cè)電壓的最大值，即。4.3 整流模塊的計(jì)算及選型4.3.1整流電路的輸出電壓為 后級(jí)電路的輸出相電壓為 逆變電路輸出側(cè)負(fù)載為 （）逆變輸出電流 （A）輸出有功功率 0.871=3517.2W設(shè)逆變過程中有功功率不變，則整流輸出電流為 （A）整流輸出側(cè)阻抗值為 又 解得； R= 15.01 L=0.027(H)由得 C=1666.62776.0考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)10%，則電容所承受的最高電壓為 故電容耐壓值為 上網(wǎng)查詢可以選擇東莞市山田科技有限公司生產(chǎn)的550v3300的電解電容。4.3.2二極管的主要參數(shù)的計(jì)算：流過整流二極管的平均電流為 電流有效值為： 整流二極管的最大反向電壓為; 選擇整流二極管的參數(shù)為故正向平均電流 反向重復(fù)峰值電壓 4.3.3整流二極管選擇由算出的二極管參數(shù)，上網(wǎng)查詢找出以下兩個(gè)型號(hào)的管子符合要求；型號(hào)正向直流最高反向電壓供應(yīng)商MUR3010030A1000V深圳市凱城電子有限公司MUR3012030A1200V深圳市凱城電子有限公司 第五章 逆變電路的設(shè)計(jì)5.1逆變電路工作原理及波形三相電壓型橋式逆變電路（1）基本工作方式180導(dǎo)電方式（2）每橋臂導(dǎo)電180，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120 。（3）任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。（4）每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流。工作波形三相電壓型橋式逆變電路三相電壓型橋式逆變電路（2）負(fù)載線電壓uUV、uVW、uWU可由下式求出（1）對(duì)于U相輸出來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，uUN=Ud/2，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)，uUN=-Ud/2，uUN的波形是幅值為Ud/2的矩形波，V、W兩相的情況和U相類似。（3）負(fù)載各相的相電壓分別為 （4）把上面各式相加并整理可求得 設(shè)負(fù)載為三相對(duì)稱負(fù)載，則有uUN+uVN+uWN=0，故可得 （5）負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可以由uUN的波形求出U相電流iU的波形，圖4-10g給出的是阻感負(fù)載下時(shí)iU的波形。 （6）把橋臂1、3、5的電流加起來，就可得到直流側(cè)電流id的波形，如圖4-10h所示，可以看出id每隔60脈動(dòng)一次。 tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud35.2IGBT和二極管參數(shù)選擇5.2.1 IGBT參數(shù)選擇額定電壓 IGBT的額定電壓由逆變器（交-直-交逆變器）的交流輸入電壓決定，因?yàn)樗鼪Q定了后面的環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的最大電壓峰值。再考慮兩倍裕量，即；額定電壓=由于IGBT是工作在開關(guān)狀態(tài)，故計(jì)算其電流額定值時(shí)，應(yīng)考慮其在整個(gè)運(yùn)行過程中可能承受的最大峰值電流為：10.8321.2=36.76(A)式中，K1為過載系數(shù)（裕量），取K1=2；K2為考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)等因素，取K2=1.2。IGBT參數(shù)的選擇原則是適當(dāng)留有余地，這樣才能確保長期、可靠、安全運(yùn)行。工作電壓50%-60%，結(jié)溫70-80%在這條件下器件是最安全的。上網(wǎng)查詢，選擇日本富士公司的2MB150N-120型號(hào)的IGBT;型號(hào)最高耐壓（V）最大電流功耗P(w)2MB150N-1201200504005.2.2 快恢復(fù)二極管參數(shù)選擇正向平均電流F( AV ) I(額定電流)。在該電流下管子的正向壓降造成管子有損耗，結(jié)溫升高不超過最高允許結(jié)溫。該值是按電流的發(fā)熱效應(yīng)定義的，因此，在計(jì)算時(shí)按有效值相等條件來選取二極管的電流定額，并留有1.52倍的裕量。計(jì)算公式如下，其中為流過管子的額定電流有效值，即二極管額定電壓為:正向平均電流為:反向重復(fù)峰值電壓 : 上網(wǎng)查詢可選如下型號(hào)的管子型號(hào)最高耐壓最大電流生產(chǎn)廠商MUR8208A1200V60A聚星國際貿(mào)易（上海）有限公司第六章 SPWM逆變電路PWM控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可以改變逆變電路輸出電壓的大小，也可以改變逆變輸出頻率。PWM基本原理：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。沖量指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。 SPWM波形脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。要改變等效輸出正弦波幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。本文使用PWM控制方式來驅(qū)動(dòng)逆變電路，電路圖如下：該電路是采用雙極性控制方式。U,V,W三相的PWM控制通常公用一個(gè)三角載波uc,三相的調(diào)制信號(hào)urU,uRv和urW依次相差120。U,V和W各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來說明。當(dāng)urU大于uc時(shí)，給上橋臂V1導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂V4以關(guān)斷信號(hào)，則U相相對(duì)于直流電源假象中點(diǎn)N的輸出電壓uUn=Ud/2。當(dāng)urU小于uc時(shí)，給V4一導(dǎo)通信號(hào)，給V1上橋臂關(guān)斷信號(hào)時(shí)，則uUN=。V1和V4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。當(dāng)給V1（V4）以導(dǎo)通信號(hào)，也可能是二極管VD1(VD4)續(xù)流導(dǎo)通這要由阻感負(fù)載中電流方向來決定。這是因?yàn)樽韪胸?fù)載中電流的方向來決定的。V相及W相的控制方式都相同。波形如圖所示?？梢缘贸?，的PWM波形都只有兩種電平，當(dāng)臂1臂6導(dǎo)通時(shí)UUV=Ud，當(dāng)臂3和臂4導(dǎo)通時(shí)uUV=Ud，當(dāng)臂1和臂3或臂4和臂6導(dǎo)通時(shí)uUV=0。因此，逆變器的輸出線電壓PWM波由Ud和0三種電平構(gòu)成。而且負(fù)載相電壓PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5種電平組成 ，其波形圖如上圖所示。 當(dāng)urUuc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，uUN=Ud/2當(dāng)urUuc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，uUN=-Ud/2當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)電路如下圖:第七章 驅(qū)動(dòng)電路由于三相橋式電壓型逆變電路中采用的IJBT管，它在使用的時(shí)候需要驅(qū)動(dòng)電路，才能使IGBT管子正常地開通和關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路必須具備2個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)IGBT柵極的電隔離； 二是提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。實(shí)現(xiàn)電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用芯片M57962L及其附件組成的驅(qū)動(dòng)電路，其電路圖如圖8.1所示：第八章MATLAB軟件仿真整流電路仿真電路圖如下輸入電壓電流波形整流輸出電壓 逆變輸出線電壓 負(fù)載相電壓一號(hào)二極管電流輸出 IGBT電流 一號(hào)橋臂整合后輸出電壓電流波形； 整流輸出電壓 逆變輸出線電壓 負(fù)載相電壓一號(hào)二極管電流輸出 IGBT電流 一號(hào)橋臂第九章 參考文獻(xiàn)電力電子應(yīng)用技術(shù) 莫正康 機(jī)械工業(yè)出版社 第三版電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計(jì)指導(dǎo) 石玉 栗書賢 機(jī)械工業(yè)出版社 電力電子變流技術(shù) 作者:黃俊等 機(jī)械工業(yè)出