无源三相PWM逆变器控制电路设计

无源三相PWM逆变器控制电路设计

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注意事项

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

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

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

4. 课题设计的主要内容是主电路的确定，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

三 设计内容：

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

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：

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a)c)Rii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，ud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VD6和VD1开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为

uab=6U2sin（ωt+δ）

而相电压为

πua=2U2sin(ωt+δ－) 6

在ωt=0时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压

等于uab；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2，直流侧电

压等于uab。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在

VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流

侧的充电电源id是断续的；另一种是VD1一直导通，交替时由

VD6导通换相至VD2导通，id是连续的。介于二者之间的情况是，

VD1和VD6同时导通的阶段与VD1和VD2同时导通的阶段在 ω

t+δ=2π出恰好连接起来，id恰好连续。由 “电压下降速度相等”3

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 1 2 π ⎧2π-ωRCωt-(3-θ)]⎫dEmsine⎬ d [E sin( ω t + θ )] ⎨ 3⎭m=⎩

) ωω d (ω t t+ θ =2π d ( t) 3

π ω t =2

3 +θ

可得 wRC=

3wRC> 和3wRC

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θ

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 = 1.11IL，而有电容滤波时

（2）负载平均电压VL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。VL随IL

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

在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足式

≥(3～

5)

关系约为 的关系时，电容滤波电路的负载电压VLV2的

VL=(1.1～1.2)V2

总之，电容滤波电路简单，负载直流电压VL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IF > ID 。

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VBR > VRM 。

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uc,三相的调制信号urU,uRv和urW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urU大于uc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uUn’=Ud/2。当urU小于uc时，给V4一导通信号，给V1上桥

臂关断信号时，则uUN=Ud。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uUV=Ud，当臂3和臂4导通时uUV=－Ud，当

臂1和臂3或臂4和臂6导通时uUV=0。因此，逆变器的输出线

电压PWM波由 Ud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

图3.2

（2） U相的控制规律

当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2

当urU

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

（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ur为正弦波,载波uc在ur的正半周为正极性的三

角波，在ur的负半周为负极性的三角波。在ur和uc的交点时刻

控制IGBT的通断。在ur的半个周期内三角波载波只在正极性

或负极性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范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ur的半个周期内，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ur的一个周期内，输

出的PWM波只有±Ud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ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关的

通断。在ur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R7和R12，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=3πR7C1=πR12C3

所以由3πR7C1=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：UA = sin(125.6t) UB = sin(125.6t −120。) UC = sin(125.6t −240。)

第九章 驱动电路

由于三相桥式电压型逆变电路中采用的IJBT管，它在使用的时候需要驱动电路，才能使IGBT管子正常地开通和关断。

IGBT的驱动电路必须具备2个功能：一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离； 二是提供合适的栅极驱动脉冲。实现电隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。

根据设计要求，采用芯片M57962L及其附件组成的驱动电路，其电路图如图9.1所示：

MC7809T

图9.1

课程设计的心得

通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我得体会们通过这个方案包括设计了一套电路原理和连接图，和器件上的选择。

我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些器件的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之后的课程设计对我们的作用是非常大的。

经过一个星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋； 正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢？于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。

同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，

个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。在此，感谢许老师的细心指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！