电力电子课程设计-电压型SPWM逆变器的设计

1、课程设计基本要求课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。1. 课程设计教学一般可分为设计项目的选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计

2、方案的正确性、可行性和创新性，考核成绩占30%左右。4. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。6. 答辩是课程设计中十分重要的环节，由课程设计指导教师向答辩学生提出23个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对问题的理解、分析和判断能力。答辩考核成绩占25%左右。7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩（百分制），最后将百分制评分成绩转换为五级分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）总评成绩。8. 课程设计报告书

3、是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。一、课程设计项目名称电压型SPWM逆变器的设计二、项目设计目的及技术要求设计目的设计单相或三相电压源型SPWM逆变器的主电路及其控制电路。 技术要求及初始条件： 采用单相或者三相电压源型SPWM逆变器。要求频率f50Hz，相电 220V ，电流20A。设计任务: 1. SPWM逆变器主电路设计（包括电路结构形式，全控型器件的选择）。2. 脉宽调制器设计（如3524集成PWM控制器）。3.控制驱动电路设计（如IR2110集成PWM驱动器）。4. SPWM控制原理分析5.提供电路图纸一张。设计要求: 1对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。2. 画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。3. 对项目设计结果进行分析。3. 画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。4.课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和PCB图)1. PWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要

4、的结论：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。冲量即窄脉冲的面积。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。例如图1-1a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图1-1a为矩形脉冲，图1-1b为三角形脉冲，图1-1c为正弦波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图1-1d的单位脉冲函数(t)时,环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。图1-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲图1-2a的电路是一个具体的例子。图中e(t)为电压窄脉冲，其形状和面积分别如图1-1a、b、c、d所示，为电路的输入。该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流i(t)为电路的输出。图1-2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。从波形可以看出，在i(t)的上升段，脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。图1-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形上述原理可以称之为面积等效原理，它是PW

5、M控制技术的重要理论基础。2. SPWM控制技术下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波。把图2-a的正弦波分成N等分，就可以把正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，就得到图2-b所示的序列脉冲。详细的分析结论是：对开关器件的通、断状态进行实时、适式的控制，使多脉波的矩形脉冲电压宽度按正弦规律变化时，通过傅里叶分析可以得知，输出电压中除基波外仅含有与开关频率倍数相对应的某些高次谐波而消除了许多低次谐波，开关频率（输出电压频率）越高，脉波数越多，就能消除更多的低次谐波，使逆变电路的输出电压更近似于连续的正弦波。如果按同一比例的正弦规律改变图2-b中所有矩形脉波的宽度，则可以成比例地调控输出电压中的基波电压数值。这种控制逆变器输出电压大小及波形的方法被称为正弦脉宽调制SPWM。图2用PWM波代替正弦半波3. SPWM逆变电路及

6、其控制方法PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎采用了PWM技术。如果给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。这种方法称之为计算法。与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等要三角波作为载波，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冲，这正好符合PWM控制的要求。4. 方案选择以LM3S1138为控制核心，辅以扩展的键盘及显示电路和SPWM逆变电路组成完整的系统。根据采样控制理论，由LM3S1138输出一系列周期性变化的等幅不等宽脉冲，控制IGBT功率开关管的导通和截止，使逆变器输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波。输出的信号经低通滤波器滤波后，即可得到所需要的正弦波。改变调制脉冲的宽度

7、可以控制输出电压的幅值，改变调制周期可以控制输出电压的频率，从而达到使逆变器的输出电压和幅值同时可调的目的。在逆变器电路的设计中，控制方法是核心技术。早期的控制方法使得输出为矩形波，谐波含量较高，滤波困难，而SPWM技术较好地克服了这些缺点。本设计室基于单片机来实现SPWM，此方法控制电路简单可靠，利用软件产生SPWM波，减轻了对硬件的要求，且成本低，受外界干扰小。4.2 选用SG3524 选用SG3524集成PWM控制器为控制核心，用ICL8038函数发生器产生正弦调制波，在与SG3524中的载波比较后输出一系列周期性变化的等幅不等宽脉冲，由于SG3524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控制IGBT功率开关管的导通和截止，使逆变器输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波，即可得到所需要的正弦波。本系统由正弦波函数发生器、3524集成PWM控制电路、IR2110集成PWM驱动电路、SPWM逆变器主电路等组成。 从设计方案的先进性、实用性和可行性方面综合考虑，选用方案二。5. SPWM逆变器主电路设计如图5是SPWM逆变器的主电路，图中VlV6是

8、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由参考信号发生器提供，三角载波信号Uc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脉冲序列波作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。当UruUc时，给V1导通信号，给V4关断信号，Uun=-Ud/2。Uuv的波形可由Uun-Uvn得出，当1和6通时，Uuv=Ud，当3和4通时，Uuv=-Ud，当1和3或4和6通时，Uuv=0。输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(2/3)Ud,(1/3) Ud和0共5种电平组成。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。 图5 主电路图6. 脉宽调制器设计本次设计中采用ICL8038产生正弦波给SG3524集成PWM控制器产生控制信号。SG3524可以产生锯齿波，作为载波与正弦波比较，生成SPWM信号。SG3524管

9、脚图如图6.1所示。工作过程为：直流电源从脚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7须外接电容，脚6需外接电阻。振荡器频率f由外接电阻和电容决定，f=1.18/RC，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，比较器的反相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。正弦波信号由函数发生器ICL8038产生。其频率由R1，R2和C来决定，f=0.15/(R1+R2)C，对于本次设计要求频率为50Hz，可取R1+R2=9.7k，电容取0.22uF。连接电路如图所示。 图6.1 SG3524 管脚图 图6.2 ICL8038电路图三相正弦波发生器整个脉宽调制器部分系统如图所示。控制信号SG3524 图6.3 脉宽调制部分系统示意图7. 控制驱动电路设计由于SG3524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=120/94 ns)、偏置电压高(600 V)

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