电力电子课程设计逆变器.docx
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电力电子课程设计逆变器
电力电子课程设计
三相电压型交直交变频器的设计与仿真
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前言
变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。
随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。
静止式变频器从变换环节分为两大类：
交-直-交变频器和交-交变频器。
交-交型变频器：
它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。
由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。
因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。
但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3～1/2,所以不能高速运行。
交-直-交型变频器：
交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。
它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种。
由于传统能源的枯竭，各国对环境保护的重视以及现存电力系统的种种弊端，分布式发电将在未来的供电系统中发挥越来越重要的作用。
但是分布式发电技术发出的电都不是与电网供电系统相同的交流电，无法与大电网联网或者直接供给普通负载使用，都需要变频装置将其换成负载可以使用的电流或者大电网电压、频率相匹配的工频交流电。
因此，针对特定的分布式发电技术研究与其相匹配的变频器就很有必要。
现代电源技术是应用电力电子半导体器件、综合自动控制、微处理器技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。
在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。
变频器是由整个电路构成交流一直流一交流一滤波的变频装置，得到了广泛应用。
变频器不仅能模拟输出不同国家的电网指标，而且也为出口电器厂商在设计开发、生产、检测等应用中提供纯净可靠的、低谐波失真的、高稳定的电压和频率的正弦波电源输出。
变频电源是非常接近于理想的交流电源，可以输出任何国家的电网电压和频率。
变频电源的优异特性：
1.变频调速系统自身损耗小，工作效率高。
2.电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。
3.可实现软启动、制动功能，减小启动电流冲击。
4.电压平滑性好，效率高。
5.调速范围较大，精度高
6.体积小，便于安装、调试。
现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件IGBT或功率模块IPM组成的PWM逆变器构成交-直-交电压源型变压变频器，目前已经占领了全世界0.5～500kV·A中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。
在本次设计中也采用电压型变频器。
目录
第一章课程设计任务3
1.1设计目的3
1.2设计要求3
1.3设计内容3
第二章变频器方案论证4
2.1变频器的原理框图及组成部分4
2.2各模块分析及方案选择4
2.2.1电源选择4
2.2.2整流、滤波模块方案选择4
2.2.3逆变模块方案5
2.2.4控制、驱动电路方案6
2.2.5SPWM产生方案7
2.3主电路原理9
第三章主回路元件选择11
3.1不可控整流电路器件选择11
3.2逆变电路器件的选择12
第四章驱动电路13
第五章保护电路设计14
5.1过电压的产生与保护14
5.1.2欠压保护14
5.2过流保护15
5.3、缓冲电路16
第六章PWM控制策略18
第七章Matlab仿真22
总结24
【参考文献】25
第一章课程设计任务
1.1设计目的
电力电子技术课程设计是电气自动化工程专业学生在整个学习过程中一项综合性实践环节，复习和巩固本课程及其他课程的有关内容，对学生的实践能力的培养和实践技能分训练具有相当重要的意义。
通过设计使得获得电力电子技术必要的基本理论、基本分析方法以及基本技能的培养和训练，为学习后续课程以及从事与电气工程及其自动化专业有关的技术工作和科学研究打下一定的基础，也便于学生加深理解和灵活运用所学的理论，提高学生独立分析问题、解决问题的能力，为毕业后的工程实践打下良好的基础。
1.2设计要求
三相电压型交直交变频器设计与仿真，输入线电压340V—420V，交流输出功率10KW，最大交流输出线电压380V，输出频率60HZ，稳态精度小于2%，频率稳定度小于0.5%，正弦交流输出电压畸变率小于5%。
1）掌握空间矢量调制或载波调制；
2）控制输出电压
;
3）元件选型依据。
4）负载中，具有三相不控整流设备。
1.3设计内容
要求学生在深入学习和分析三相电压型交直交变频器的组成和工作原理的基础上，完成主要电路和驱动保护电路的硬件设计和元件选型，并在MATLABSIMULINK平台上，完成谐波电流检测算法、直流电压和输出电流控制的仿真。
第二章变频器方案论证
2.1变频器的原理框图及组成部分
交直交电路是先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，也称为间接交流变流电路。
间接交流变流电路可分为两类，一类是输出电压和频率均可变的交直交变频电路（简称VVVF电源），主要用作变频器。
另一类是输出交流电压大小和频率均不变的恒压恒频（CVCF电源），主要用作不间断电源。
交直交变频也称间接变频，间接变频装置先将工频交流电通过整流器变成有纹波的直流电，然后经过电容滤波得到平直的电压波，再经过逆变器将直流电变换成可控频率的交流电，因此又称为有中间直流环节的变压变频装置。
变频电源由控制电路、驱动电路、主电路组成。
主电路基本上由整流器、中间直流环节和逆变器3大部分组成。
其原理框图如下：
主电路
—————————————————————————————————————
控制电路
图1变频器原理框图
2.2各模块分析及方案选择
2.2.1电源选择
供电电源：
电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220V，中大功率的采用三相380V电源。
因为本设计中电源要求为340V—420V。
2.2.2整流、滤波模块方案选择
整流电路：
整流部分将交流电变为脉动的直流电。
方案一、三相半波可控整流电路
特点：
电路结构简单，只用三只晶闸管，故电路经济。
且变压器二次侧接成星型得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。
但其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用极少。
方案二、利用三相桥式全控整流
虽目前应用最广泛的是这种整流方式，可精确控制输出电压，输出脉波数比三相半波整流多了一倍，这就使得滤波电路的参数减小了一倍，但是电网端功率因素较低。
但是本次设计任务是变频，控制部分主要是逆变电路，为简化电路故不采用此方法。
方案三、三相桥式不可控整流
直接用不可控的整流二极管整流，得到直流电压，克服了方案二中的功率因素低的缺点，它可以使电网的功率因数接近1。
电路中比三相全波少了控制电路，电路结构相对简单、经济。
故采用不可控的整流二极管整流。
电路图如下：
图2整流电路图
滤波电路：
因在本设计中采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。
2.2.3逆变模块方案
逆变电路：
逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。
在设计中采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。
从变频电源的性质上看，又可以分为电压源型变频器和直流电源型变频器两大类。
对于交直交变频装置，两类变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。
图3滤波器
方案一，电流型变频器，如图（b）,电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。
，输出交流电流是矩形或阶梯波。
给负载供电时，容易实现回馈制动，便于四象限运行，适用于需要制动和经常正反转的负载。
方案二，电压型变频器,如图（a），电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。
由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响，它主要适用于中、小容量的交流传动系统。
与之相比，电流型变频器施加于负载上的电流值稳定不变，其特性类似于电流源，它主要应用在大容量的电机传动系统以及大容量风机、泵类节能调速中。
在交-直-交变频器的设计中，虽然电流型变频器可以弥补电压型变频器在再生制动时必须加入附加电阻的缺点，并有着无须附加任何设备即可以实现负载的四象限运行的优点，但是根据输出频率的要求需采用PWM逆变电路，实际应用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路，考虑到电压型变频器的通用性及其优点，在本次设计中采用电压型变频器。
电路图如下：
图4电压型逆变电路图
2.2.4控制、驱动电路方案
一、控制电路
单片机在整个系统中起着核心的作用，从电流电压的检测到控制参数的计算、传送，再到整个系统的各个部分的控制、协调工作都离不开单片机发挥作用。
所以控制系统选用AT89C51单片机为控制器。
控制电路：
采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。
这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。
二、驱动电路：
电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。
方案一采用光耦隔离放大驱动IGBT导通与关断，采用分立元件构成。
方案二采用专用的驱动芯片，实现光耦隔离，电路结构简单误差较低，容
易实现，选择此方案。
2.2.5SPWM产生方案
由于输出频率为60HZ,就需要采用SPWM调制技术，其产生方法有以下几种：
方案一、计算法
根据正弦波频率、幅值和半波周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可以得到所需PWM波形，这种方法称之为计算法。
方案二、调制法
把希望输出波形作为调制信号，进行调制得到期望的PWM波，把接受调制的信号作为载波，通常采用等腰三角形或锯齿波作为载波应用最多，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉波。
其中双极性PWM控制方法波如下图所示。
这种控制方式中含有特定频率的谐波分量。
图5PWM控制原理图
调制法分为同步及异步调制法两种。
本次采用载波法。
方案三、跟踪控制法
把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号的变化。
跟踪控制法当中常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。
2.3主电路原理
1.整流电路整流电路是把交流电变换为直流电的电路。
本设计中采用了三相桥式不控整流电路，主要优点是电路简单，功率因数接近于1，由于整流电路原理比较简单，设计中不再做详细的介绍。
2.逆变的基本工作原理将直流电转换为交流电的过程称为逆变。
完成逆变功能的装置叫做逆变器，它是变频器的主要组成部分，电压性逆变器的工作原理如下：
三相电压型逆变电路的原理图4见图所示，V1～V6组成了桥式逆变电路，这6个开关交替地接通、关断就可以在输出端得到一个相位互相差
π的三相交流电压。
当1S、4S闭合时，Uu−v为正；3S、2S闭合时，Uu−v为负。
用同样的方法得：
当3S、6S同时闭合和5S、4S同时闭合，得到Uv-w;5S,2S同时闭合和1S、6S同时闭合，得到Uw-u。
为了使Uu−v,Uv-w,Uw-u三相交流电在相位上依次相差
π；各开关的接通、关断需符合一定的规律，其规律在图6（a）中已标明。
根据该规律可得Uu−v、Uv-w、Uw-u波形如图6（c）所示。
a）结构图b）开关的通断规律c）波形图观察
6个开关的位置及波形图可以发现以下两点：
①各桥臂上的开关始终处于交替打开、关断的状态如1S、2S。
②各相的开关顺序以各相的“首端”为准，互差
π电角度。
上述分析说明，通过6个开关的交替工作可以得到一个三相交流电，只要调节开关的通断速度就可调节交流电频率，当然交流电的幅值可通过Ud的大小来调节。
三相电压型逆变电路的基本工作方式是180度导电方式，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120度，任一瞬间有三个桥臂同导通。
每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称纵向换流。
在上述180度导电方式逆变器中，为防止同一相上下两桥臂的开关器件导通而引起直流侧电源短路，要采取‘先断后通’的方法。
即应先给关断器件关断信号，待其管断后留一定得时间裕量，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间。
死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就可以越短。
逆变电路输出端的电容C是为GTO关断时产生的过电压而设置的，它也可以对输出的PWM电压波形起滤波作用。
第三章主回路元件选择
3.1不可控整流电路器件选择
在交直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源，供后级的逆变器使用。
在整流电路中输出电压的脉动的，另外，在逆变部分产生的脉动电流和负载变化也使得直流电压产生脉动，为了将其中的交流成分尽可能的滤除掉，使之变成平滑的直流电，必须在其后加上一个低通滤波器。
这里采用的电容滤波电路，在整流输出端并入大电容，整流输出直流电压的平均值就变大了。
整流电路中用到的器件是电力二极管。
整流二极管的参数选择：
1、输出电压平均值Ud：
在三项可控整流电路中我们得到Ud=2.34
cosa；在三相不可控整流电路中a=0度，所以Ud=2.34
，
为变压器二次侧相电压。
2、电流平均值：
一个电源周期中，
有6个波头，流过每一个二极管的是其中两个波头，因此二极管的电流平均值
=
/3。
.
3、二极管承受的电压：
根据图6，可以得出每个二极管所承受的反向电压为线电压的峰值，即为
。
而题目给出的要求是出入线电压340-420V，交流输出功率10KW。
所以在选择二极管所承受的最大反向电压为线电压的最大值，即选择420。
=
=
*420=593.88V
考虑到安全裕量，二极管的额定电压为
=（2-3）*
=1187.86-1781.64V
所以选择二极管的额定电压为
=1500V。
不考虑电路中的开关损耗，由功率平衡关系可知：
所以输出电流平均值:
=
而在这次得
的选择中，为了使电流最大则电压应选择最小，即为340V，所以
=
*340
=10000/
*340=20.8A
流过二极管的有效值：
流过二极管的平均值：
=
=4.42A
考虑到安全裕量：
=（1.5--2）*
=6.62—8.83A
3.2逆变电路器件的选择
在逆变电路中采用IGBT作为开关器件，以二极管作为反馈电路器件所以首先对
IGBT进行选择：
三相桥式逆变电路中，直流侧的电压平均值
=
*420=593.88V。
而IGBT所承受的最大电压为
，考虑到安全裕量：
IGBT的额定电压为：
=（2-3）*
=1306.64-1959.81V
反馈二极管的选择：
二极管的承受的最大反向电压为直流侧的电压平均值的一半，即
考虑安全裕量，二极管的额定电压应该满足：
V
由于反馈二极管续流的时间非常短，因而流过反馈二极管的电流的平均值也很小，所以粗略估算（在频率为2Hz时电流续流时间最长，电流平均值最大），二极管的额定电流选择为10A就能满足要求。
第四章驱动电路
电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能影响很大。
采用性能良好的驱动电路，可使2电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重大意义。
驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件的控制端和公共端之间，可以使其开通或者关断的信号。
对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号，以保证器件按要求可靠导通或导通。
驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。
一般采用光隔离或磁隔离、光隔离一般采用光耦合器。
本次设计中使用的是IGBT全控型器件，是电压驱动型器件。
IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。
常用的有三菱公司的M579系列和富士公司的EXB系列。
同一系列的不同型号其引脚和接线基本相同，只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同。
其驱动电路如下，其内部有退饱和和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。
由于三相桥式逆变电路采用IGBT作为开关器件，IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。
本课程设计中我们采用M579652L芯片作为驱动芯片。
它的内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。
M579652L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为-10V。
其峰值输出电流为5A，并有短路保护。
图7M57962型IGBT驱动器的原理和接线图
第五章保护电路设计
在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护也是必要的。
通过对输出电流、电压等的检测，反映给控制电路，以便控制和保护主电路。
5.1过电压的产生与保护
在电力电子装置中，可能发生的过电压外因过电压和内因过电压两大类。
外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因。
内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。
电流电压检测：
一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。
产生过电压的原因：
1）换相电压：
由于全控型器件反并联饿续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。
2）关断过电压：
全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件感应出的过电压。
图8过电压保护图
5.1.2欠压保护
欠压的后果：
欠电压的主要后果是使变频器的输出电压偏低，在负载不变的情况下，电动机电流有可能超过额定电流，使电动机过热，甚至烧坏。
欠压的原因：
1.限流电路损坏：
多数情况下，是限流电阻损坏，使得滤波电容器不能充电，导致欠电压。
2.电源缺相：
电源缺相后，三相整流就变成了单相整流，在电源电压等于380V的情况下，整流后的平均电压只有342V。
3.全控器件设备导通：
如果在变频器附近有大容量全控器件设备的话，则在IGBT设备导通的瞬间，电源电压有可能出现凹口，导致变频器欠压。
图9欠电压保护图
5.2过流保护
电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。
过电流分过载和短路两种情况。
过载保护是对负载电动机进行保护的，过电流保护是对变频器进行保护。
当变频器的输出电流超过额定电流时，认为变频器处于过电流状态。
外部故障引起的过电流，由变频器输出侧进行检测，内部故障引起的过电流，由变频器的输入侧进行检测。
造成过流的原因有直流短路、桥臂短路、输出短路、对地短路等情况。
对过电流的保护采用瑞士LEM公司生产的霍尔效应磁场补偿式电流传感器来进行电流检测，在此传感器的输出串电阻R，则R上的压降反应了被测的电流。
过流发生时，R上的压降大于过流保护动作整定值，比较器LEM324输出低电平去封锁IGBT的驱动电路的输入信号，即可使桥臂上的所有IGBT处于截止状态实现过流保护的功能。
过流保护的电路示意图如下：
图10过流电路保护图
5.3、缓冲电路
IGBT是一种压控型功率器件，输入阻抗高，工作速度快、通态压降低、承受电流大。
但当IGBT工作在较高频率或较大功率场合时，使IGBT在关断瞬间承受很大浪涌电压。
另外，与IGBT反并联的续流二极管在反向恢复时两端电压异常升高。
这势必造成IGBT的开关损坏。
为提高IGBT工作可靠性，较常用的方法是用缓冲电路。
缓冲电路又称吸收电路。
其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt保护、di/dt保护，减小器件的开关损耗。
目前IGBT的缓冲电路主要采用钳位式RCD吸收电路。
RCD缓冲，缓冲电路跨接于IGBT模块的正、负电源之间来抑制过电压；当上、下桥臂的任意一个IGBT由导通变为关断时，线路杂散电感的能量经二极管VD冲向电容C，模块正、负极之间的电压被钳在电容电压上来抑制过电压。
该缓冲电路方式适用于较大功率的IGBT模块。
其中缓冲二极管的反向恢复特性虽不影响关断过程的峰值电压，但会使端电压稳定时间过长，因此，要选择反向恢复时间短的二极管。
此次的设计的IGBT逆变器缓冲电路
图11缓冲电路的RCD结构
本设计采用RCD缓冲电路，所以由IGBT组成的逆变器的缓冲电路如下：
图12缓冲电路设计图
第六章PWM控制策略
SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。
SPWM脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔宽度是由正弦波和等腰三角波的交点来决定的，具体方法如下。
1.单极性SPWM法：
在半个周期内三角波只在正极性或负极性一种极性内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式成为单极性PWM控制方式。
2.双极性SPWM法：
和单极性PWM控制方式相对应的是双极性控制方式。
在半个周期内，三角波不再是单极性的，而是有正有负，所得的PWM也是有正有负。
对三相桥式PWM型逆变电路，这种电路都是采用双极性控制方式。
正弦脉宽调制的调制算法
三角波变化一个周期，它与正弦波有两个交点，控制逆变器中开关元件导通和关断各一次。
要准确的生成SPWM波形，就要精确的计算出这两个点的时间。
开关元件导通时间是脉冲宽度，关断时间是脉冲间隙。
正弦波的频率和幅值不同时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间由软件实现，时间的控制由定时器完成，是很方便的，关键在于调制算法。
调制算法主要有自然采样法、规则采样法、等面积法等。
1、自然采样
按照SPWM控制的基本原理，在正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度和间隙的采样，去生成SPWM波，成为自然采样点。
但该技术需花费大量的计算时间，难以在实时控制中在线计算，因而在工程上实际应用不多。
2、规则采样法
取三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc,在自然采样点中，每个脉冲的中点重合。
而规则采样法使两者重合，也就是使每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，这样就使计算大大简化。
在三角波的负峰值时刻对正弦信号波采样而得到一点，过这点作一水平直线和三角波分别交与两点，在这两点控制
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