三相PWM逆变器的设计毕业设计.docx

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三相PWM逆变器的设计毕业设计

湖南文理学院

课程设计报告

三相PWM逆变器的设计

课程名称：

专业综合课程设计

专业班级：

自动化10102班

摘要

本次课程设计题目要求为三相PWM逆变器的设计。

设计过程从原理分析、元器件的选取，到方案的确定以及Matlab仿真等，巩固了理论知识，基本达到设计要求。

本文将按照设计思路对过程进行剖析，并进行相应的原理讲解，包括逆变电路的理论基础以及Matlab仿真软件的简介、运用等，此外，还会清晰的介绍各个环节的设计，比如触发电路、控制电路、主电路等，其中部分电路的绘制采用Proteus软件，最后结合Matlab Simulink仿真，建立了三相全控桥式电压源型逆变电路的仿真模型，进而通过软件得到较为理想的实验结果。

关键词：

三相 PWM 逆变电路 Matlab 仿真

Abstract

Thecurriculumdesignsubjectrequirementsforthedesignofthethree-phasePWMinverter.Designprocessfromtheprincipleofanalysis,selectionofcomponents,toschemeandtheMat-labsimulation,etc.,toconsolidatethetheoreticalknowledge,basicmeetthedesignrequirements.

Thisarticlewillbecarriedoutinaccordancewiththedesignofprocessanalysis,andthecorrespondingprinciples,includingthetheoreticalfoundationoftheinvertercircuitandintroduction,usingMatlabsimulationsoftware,etc.,inaddition,willalsoclearlyintroducesthedesignofeverylink,suchastriggercircuit,controlcircuit,maincircuit,etc.,someofthedrawingofthecircuitusingProteussoftware,finallycombinedwithMatlabSimulink,establishedathree-phasefully-controlledbridgevoltagesourcetypeinvertercircuitsimulationmodel,andthenthroughthesoftwaretogettheidealresults.

Keywords:

Matlabsimulation,three-phase,PWM,invertercircuit

前言

随着控制技术的发展和对设备性能要求的不断提高，许多行业的用电设备不再直接接入交流电网，而是通过电力电子功率变换得到电能，它们的幅值、频率、稳定度及变化形式因用电设备的不同而不尽相同。

如通信电源、电弧焊电源、电动机变频调速器、加热电源、绿色照明电源、不间断电源、充电器等等，它们所使用的电能都是通过对电网能进行整流和逆变变换后所得到的。

因此，高质量的逆变电路已成为电源技术的重要研究对象。

采样控制理论中有一个重要结论：

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。

PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。

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，也可改变输出频率。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。

PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。

现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM逆变电路。

可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

第一章三相PWM逆变器设计目的及要求

1.1课程设计目的

1、培养文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。

2、培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。

3、培养运用知识的能力和工程设计的能力。

4、培养运用仿真工具的能力和方法。

5、提高课程设计报告撰写水平。

1.2课程设计的要求

设计一个三相软pwm逆变器，包括主电路和控制回路。

主电路由IGBT构成，控制回路包括给定积分器，电压调节器，电流调节器，触发电路，检测电路与保护电路等。

要求：

1、设计双闭环系统（电压闭环和电流闭环）

2、设计触发电路；

3、输出电压范围为0～380v可调，输出电流最大为40A，超过40A关闭触发器；

4、系统能稳定运行。

第二章三相PWM逆变器的总体设计

2.1PWM控制的基本原理

PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

本文主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术。

2.1.1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。

效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

图2-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

2.1.2面积等效原理

分别将如图2-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2-1a所示。

其输出电流i（t）对不同窄脉冲时的响应波形如图2-1b所示。

从波形可以看出，在i（t）的上升段，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）响应波形的差异也越小。

如果周期性地施加上述脉冲，则响应i（t）也是周期性的。

用傅里叶级数分解后将可看出，各i（t）在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。

下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。

图2-3可以看到把半波分成N等份，就可以把正弦半波看成N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，然后把脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使它们面积相等，就可以得到脉冲序列。

根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

图2-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

图2-3用PWM波代替正弦半波

要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可

2.2PWM逆变电路及其控制方法

目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。

逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。

PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。

2.1.1计算法

根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，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，就可得到所需PWM波形。

缺点：

繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化

2.1.2调制法

输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。

调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。

结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：

设负载为阻感负载，工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。

控制规律：

正半周，

通，

断，

和

交替通断，负载电流比电压滞后，在电压

正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，

和

导通时，

等于

，

关断时，负载电流通过

和

续流，

=0，负载电流为负区间，

为负，实际上从

和

流过，仍有

=

，

断，

通后，

从

和

续流，

=0，

总可得到

和零两种电平。

负半周，让

保持通，

保持断，

和

交替通断，

可得-

和零两种电平。

图2-4单相桥式PWM逆变电路

2.3PWM逆变电路的谐波分析

使用载波对正弦信号波调制，产生了和载波有关的谐波分量。

谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。

分析方法：

不同信号波周期的PWM波不同，无法直接以信号波周期为基准分析，以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式，分析过程相当复杂，结论却简单而直观。

2.3.1三相的分析结果

三相桥式PWM逆变电路采用公用载波信号时不同调制度a时的三相桥式PWM逆变电路输出线电压的频谱图如图2-5。

在输出线电压中，所包含的谐波角频率为

式中，n=1，3，5，…时，k=3（2m-1）±1，m=1，2，…；

6m+1，m=0，1，…；

n=2，4，6，…时，k=6m-1，m=1，2，…。

和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率ωc整数倍的谐波被消去了，谐波中幅值较高的是ωc±2ωr和2ωc±ωr。

图2-5三相桥式PWM逆变电路输出线电压频谱图

当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：

一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。

第三章双闭环系统的设计

3.1电流内环采用比例积分调节器时的双环控制技术

在逆变器双环控制方案中，电压外环采用PID调节器，电流内环采用PI调节器，下文简称双环PID-PI控制方式。

其中电流调节器Gi的比例环节用来增加逆变器的阻尼系数，使整个系统工作稳定，并且保证有很强的鲁棒性；电流调节器的积分环节用来减少电流环稳态误差；电压外环采用PID调节器，电压调节器的作用是使得输出电压波形瞬时跟踪给定值。

这种电流内环电压外环双环控制的动态响应速度十分快，并且静态误差很小。

以滤波电感电流为内环被控量的电感电流内环电压外环控制并不具备很好的抑制负载扰动性能，因此可将电感电流内环改为电感电流瞬时反馈控制和负载扰动前馈补偿相结合的控制方式，从而得到如图2.1所示的逆变器电感电流内环电压外环PID-PI控制系统框图。

其中，

为电压调节器，

为电流调节器。

图3-1带负载前馈电感电流内环电压外环控制系统框图

电压电流调节器控制参数的设计有两种方法：

一种是模拟化方法，即在模拟域下进行参数设计然后将其离散化，处理方法为：

将其中的两个极点配置为一对共轭极点，另外两个极点设置在距离虚轴很远的地方。

假设该系统的期望闭环主导极点为

，闭环非主导极点为

，n取5-10。

将连续系统中的极点离散化，得到数字控制系统中所需要的极点。

另一种是直接数字法。

模拟化控制器设计方法只是一种近似处理，而且也不能实现只有数字控制特有的控制策略。

直接数字法在保持系统稳定的同时可得到更宽的控制带宽，这个优点在多环系统或采样周期比较大时变得更为显著，所以数字控制器最好采取直接数字化方法设计。

3.2实验结果

3.2.1稳态试验波形

图3-4双环PID-PI控制逆变器带满载（50A）

输出电流电压波形（100V/div，10ms/div）

3.2.2动态试验波形

为了考察该逆变器的动态性能，对逆变器进行突加线性负载实验，实验波形如图3-5所示。

图3-4为逆变器双环PID-PI控制系统突加26A负载时的响应波形。

可以看出，突加26A阻性负载时，电压跌落到284V,瞬间电压跌落与电压峰值的比为8.68%，恢复时间为0.8ms，动态性能较好。

可见该系统具有瞬态跌落小和恢复时间快的特点。

图3.-5双环PID-PI控制逆变器突加25A负载响应波形

（100V/div，10ms/div）

3.3结论

实验结果表明，基于状态观测器的双环控制方法能输出高质量的正弦波，对整流性负载具有较好的抑制能力；动态调节速度较快，系统拥有较好的动态性能，控制器的设计简单易行，是较为理想的控制方法；能有效补偿各种误差影响。

各种负载时输出电压稳态误差不超过0.5%，突加阻性半载时电压变化率为8.68%，即使带非线性负载输出电压也能保持较好的正弦度。

第四章由IGBT构成的驱动电路设计

4.1门极驱动IGBT简介及分析

4.1.1IGBT简介

绝缘门极双极型晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。

根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。

IGBT的结构剖面图如图4-1所示。

它在结构上类似于MOSFET，其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET的N+基板（漏极）上增加了一个P+基板（IGBT的集电极），形成PN结j1，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。

图4-1IGBT结构剖面图

由图可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，图中Rdr是厚基区GTR的扩展电阻。

IGBT是以GTR为主导件、MOSFET为驱动件的复合结构。

4.1.2IGBT的动态特性分析

图4-1IGBT的动态图

  与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。

tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。

电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。

tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。

4.1.3IGBT的特性和参数特点

1、IGBT开关速度快，开关损耗小，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当,无二次击穿现象。

2、在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。

3、IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域；

4、与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可以保持开关频率高。

5、输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。

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4-2所示：

图4-2驱动电路

第五章控制电路的设计

5.1控制方式

脉宽调制的控制方式从调制脉冲的极性上看，可分为单极性和双极性之分:

参加调制的载波和参考信号的极性不变，称为单极性调制;相反，三角载波信号和正弦波信号具有正负极性，则称为双极性调制。

（1）单极性正弦脉宽调制

单极性正弦脉宽调制用幅值为

的参考信号波

与幅值为

频率为

的三角波

比较，产生功率开关信号。

用参考电压信号的幅值Ur，与三角形载波信号的幅值Uc的比值，即调制度m=Ur/Uc，来控制输出电压变化。

当调制度由0~1变化时，脉宽由0~π/p变化，输出电压由0~E变化。

如果每个脉冲宽度为θ，则输出电压的傅里叶级数展开式为:

（5-2）

系数An和Bn由每个脉宽为θ，起始角为α的正脉冲来决定和对应的负脉冲起始角π+α来决定。

如果第j个脉冲的起始角为αj则有

（5-3a）

（5-3b）

由式（5-3a）、式（5-3b）可计算输出电压的傅里叶级数的系数

（5-4a）

（5-4b）

（2）双极性正弦脉宽调制

双极性正弦脉宽调制原理波形如图2-7所示。

输出电压u0（t）波形在0~2π区间关于中心对称、在0~π区间关于轴对称，其傅里叶级数展开式为

（5-5）

式（5-5）中

输出电压u0（t）可看成是幅值为E，频率为fo的方波与幅值为2E、频率为fc的负脉冲序列（起点和终点分别为

的叠加。

因此

（5-6）

则输出电压为

（5-7）

（5-8）

需要注意的是，从主回路上看，对于双极性调制，由于同一桥臂上的两个开关元件始终轮流交替通断，因此容易引起电源短路，造成环流。

为防止环流，就必须增设延时触发环节，设置死区。

5.2给定积分器

给定积分器作用是当转速给定信号

发生阶跃变化时，防止逆变器的频率和电压也发生阶跃变化，否则，由于电动机的转速不能快速跟上频率和电压的变化，必然使其运行于大转差下，引起很大的电流冲击。

经过GI后，阶跃的转速给定信号变为按规定斜率上升的斜坡信号，使逆变器的输出频率和电压都能平缓上升，从而可限制冲击电流。

由模拟电子电路组成的给定积分器原理如图所示，它是由三个运算放大器A1、A2、A3组成。

A1为高放大倍数的比较器（在此做极性鉴别器），可使其输出电压

只取与

相反的极性，不管

大小如何，

都是饱和值。

A2是反相器，使其输出电压

极性与给定

极性相同。

A3为积分器，经RC积分使输出电压

成为斜坡信号，积分的变化率用电位器RP来调节。

三个运算放大器通过电阻R0构成一个负反馈闭环，以决定积分的终止时刻。

只要

的绝对值小于

，则A1输出

始终饱和，负反馈对它没有影响，直到

时，

很快下降到零，积分终止，

保持恒值。

图中标出了给定电压

为正时各级运放的输出极性。

这时，突加

和突减

后各处电压的波形示于图6-32。

积分器的积分时间可从其虚地点的电流平衡方程式推导出来。

式中

--积分时间常数。

调节

和

都能改变

的斜率，从而改变调速系统的加（减）速度，一般系统要求积分时间在5~50s之间可调。

图5-2给定积分器各级输入、输出电压波形

  给定积分器的输出

的波形实际上代表了调速系统转速的起动、运行和制动波形，因此给定积分器又称软起动器，它是任何转速开环的调速系统可靠工作所不可缺少的控制部件。

5.3电压调节器

调节器的工作原理如下：

（1）接通点火开关，发电机未运转时，蓄电池电压经点火开关加到发电机的“IG”端和调节器的“IG”端，IC电路检测出该电压，使VT2导通，于是磁场电路接通。

其电路为：

蓄电池“+”极→发电机“B”端→磁场绕组→调节器“F”端→VT2（c→e极）→E端→搭铁→蓄电池“－”极。

此时，发电机不发电，P端电压为零，IC电路检测出该电压，使VT1导通，于是充电指示灯亮，指示蓄电池放电。

充电指示灯电路为：

蓄电池“+”极→点火开关→充电指示灯→“L”端→VT1（c→e）→E端→搭铁→蓄电池“－”极。

2）当发电机转速升高，输出电压大于蓄电池电压时，P端电压信号使IC电路控制VT1截止，于是充电指示灯熄灭，指示发电机开始向蓄电池充电，并向用电设备供电。

（3）当发电机电压升高，超过调节电压值时，“B”端电压信号使IC电路控制VT2截止，切断了磁场电流，使发电机电压下降。

当发电机电压下降到低于调节电压值时，IC电路又控制VT2导通，磁场电流又接通，发电机电压又升高，该过程反复进行，使“B”端电压稳定于调压值。

5.3电流调节器

电流调节器就是电流调节部级线圈之间增加一个活动铁芯作为磁分路的仪器,而增加电抗.铁芯进去,则感抗增大电流后者称为电抗器，工作原理就是给定值为电流设定值，具有电流负反馈的PID调节器。

其功能是控制电流值，以满足系统要求。

交流电动机是可以通过调压来调速的,也就是调节电流了（因为降压后电流肯定会下降）,它所有的调压器一般都自耦变压器,象老式的吊扇就是用自耦变压器来调速的.直流电机也可以调压调速,一般用调电枢电压的方法来调速,用串电阻的方法或者可调电源都可以.

电流调节器的作用：

1、跟随作用－－作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。

2、抗扰作用－－对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

3、加快动态过程－－在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。

4、过流自动保护作用－－当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

5.4触发电路

通过集成芯片SG3525来发出pwm脉冲从而触发电路，以下是对SG3525的介绍：

1、集成脉宽调制器SG3525引脚功能及特点简介（如图5-1所示）：

图5-1SG3525pwm波形

1、Inv.input（引脚1）：

误差放大器反向输入端。

在闭环系统中，该引脚接反馈信号。

在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。

2.Noninv.input（引脚2）：

误差放大器同向输入端。

在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。

根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。

3.Sync（引脚3）：

振荡器外接同步信号输入端。

该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。

4.OSC.Output（引脚4）：

振荡器输出端。

5.CT（引脚5）：

振荡器定时电容接入端。

6.RT（引脚6）：

振荡器定时电阻接入端。

7.Discharge（引脚7）：

振荡器放电端。

该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。

8.Soft-Start（引脚8）：

软启动电容接入端。

该端通常接一只5的软启动电容。

9.Compensation（引脚9）：

PWM比较器补偿信号输入端。

在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。

10.Shutdown（引脚10）：

外部关断信号输入端。

该端接高电平时控制器输出被禁止。

该端可与保护电路相连，以实现故障保护。

11.OutputA（引脚11）：

输出端A。

引脚11和引脚14是两路互补输出端。

12.Ground（引脚12）：

信号地。

13.Vc（引脚13）：

输出级偏置电压接入端。

14.OutputB（引