专 业 设 计.docx
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专业设计
目录
一、设计要求2
二、设计的目的2
三、设计的具体3
（1）、系统概述3
1、三相pwm逆变器工作原理3
2、单元电路设计3
（2）、控制电路设计5
1、触发电路5
（3）、双闭环控制电路的工作原理7
1、电流调节器7
（4）、检测电路10
1、电流互感器10
2、电压互感器10
3、给定电压11
4、仿真与分析12
四．心得体会及建议12
五、参考文献14
六、附录15
三相pwm逆变器的设计
摘要：
分析了三相电压型PWM整流器的工作原理，设计了双闭环P1调节器的参数，在
Matlab／Simulink下搭建了整个系统的模型并进行了仿真，仿真结果表明系统能够运行在单位功率因数状态，并实现能量的双向流动。
关键词：
PWM整流器；PI控制器；空间矢量脉宽调制；仿真
（AbstractTheprincipleofthree-phaseVoltageSourccKectifierisanalyzed．Theparameterof
PIControllerinthetwoclosed—loopisdesigned．Themodelofthewholesystemisbuiltandsimulated
inMatlab／Simulink．Theresultsofsimulationshowthesystemcan1"1111intheconditionofunity-power
factor，andthepowercanbetransformedintoeachotherside．
Keywords：
PWMrectifier：
PIcontroller：
SVPWM；simulation
一、设计要求
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，检测电路等。
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、系统能稳定运行。
4、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；
二、设计的目的
1、掌握计双闭环系统（电压闭环和电流闭环）的组成、原理及各主要单元部件的工作原理。
2、掌握计双闭环系统（电压闭环和电流闭环）的调试步骤、方法及参数的整定。
3、熟悉集成SG3525的组成、功能与工作原理。
4、熟悉控制回路个个电路的组成方式及原理与特点。
5、熟悉三相电桥PWM控制电路的原理和常用集成电路。
三、设计的具体
（1）、系统概述
1、三相pwm逆变器工作原理
传统的三相桥式逆变器电路。
图中，VT1～VT6为IGBT，D1～D6为换向电容，两者组成IGBT关断电路。
VD1～VD6为反馈二极管。
依据IGBT工作原理，在三相交流输入电源作用下，若IGBT承受最大正向阳极电压，而控制极又获得触发脉冲时便转入导通状态。
反之处于导通状态的IGBT在足够的反向阳极电压作用下会转为截止状态。
图1总体方案
2、单元电路设计
电力电子装置一般由控制电路、驱动电路、检测电路和核心的主电路组成，一般主电路中的电压和电流都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路之间需要进行电气隔离，同时为了保证电力电子器件和整个电力电子装置正常运行，就有必要在主电路和控制电路中附加保护电路。
2.1、主电路设计
主电路由6个IGBT和6个二极管组成，分别是S1,S2,S3,S4,S5,S6;二极管分别是D1,D2,D3,D4,D5,D6。
S1和S4在同一桥臂上，S2和S5在同一桥臂，s3和s6在同一桥臂。
在同一桥臂上的两个IGBT是交替导通。
三个桥臂导通相差120度。
6个二极管起到在三相逆变电路续流的作用，所以每个IGBT需要并联一个二极管。
如图2所示。
图2主电路
对于三相桥式电压型结构需对三相桥臂施加幅值、频率相等，而相位差为120度的三相对称正弦波调制信号。
由于每相桥臂共有两种开关模式，因此三相电压型共有8种开关模式，正选波等效pwm波形。
如图3所示。
图3
（2）、控制电路设计
1、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：
1.1、集成脉宽调制器SG3525引脚功能及特点简介（如图4所示）：
图4SG3525pwm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（引脚14）：
输出端B。
引脚14和引脚11是两路互补输出端。
15.Vcc（引脚15）：
偏置电源接入端。
16.Vref（引脚16）：
基准电源输出端。
该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。
1.2、SG3525的工作原理
SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。
SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。
在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。
由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。
SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5的软启动电容。
上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。
此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。
只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。
由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。
当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。
反之亦然。
外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。
当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。
如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。
注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。
欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。
如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。
此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。
（3）、双闭环控制电路的工作原理
1、电流调节器
1.1、电流调节器设计原理
电流环的控制对象由电枢回路的大惯性环节与晶闸管整流装置、触发器、电流互感器以及反馈滤波等一些小惯性环节组成。
电流环可以校正成典型1型系统，也可以校正成典型2型系统，校正
图5电流调节器
1.2、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。
2、电压调节器
2.1、电压
图6电压调节器
2.2、电压调节器的调压原理
由交流发电机的工作原理我们知道，交流发电机的三相绕组产生的相电动势的有效值 Eφ==CeФn（V） 这里Ce为发电机的结构常数，n为转子转速，Ф为转子的磁极磁通，也就是说交流发电机所产生的感应电动势与转子转速和磁极磁通成正比。
当转速升高时，Eφ增大，输出端电压UB升高，当转速升高到一定值时（空载转速以上），输出端电压达到极限，要想使发电机的输出电压UB不再随转速的升高而上升，只能通过减小磁通Ф来实现。
又磁极磁通Ф与励磁电流If成正比，减小磁通Ф也就是减小励磁电流If。
所以，交流发电机调节器的工作原理是：
当交流发电机的转速升高时，调节器通过减小发电机的励磁电流If来减小磁通Ф，使发电机的输出电压UB保持不变。
触点式电压调节器通过触点开闭，接通和断开磁场电路，来改变磁场电流If大小；晶体管调节器、集成电路调节器等利用大功率三极管的导通和截止，接通和断开磁场电路，来改变磁场电流If大小。
当电压调节器不饱和时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。
而当转速调节器饱和时，输出达到限幅值，电压外环呈开环状态，电压的变化对系统不再产生影响。
双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。
在稳态工作点上，电压是由给定电压决定的，输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于转速和负载电流。
PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于
时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。
当负载电流达到
时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。
这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。
这样的静特性比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。
接着是对其起动过程的分析，由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成I、II、III三个阶段。
第I阶段（电流上升阶段）。
突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，
、
、
都跟着上升，但是在
没有达到负载电流
以前，电动机还不能转动。
当
后，电动机开始起动。
由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升。
直到电流调节器很快就压制了
的增长，标志着这一阶段的结束。
第II阶段（恒流升速阶段）。
这是起动过程中的主要阶段。
在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流
恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它，
和
也必须基本上按线性增长，才能保持
恒定。
（4）、检测电路
检测电路是由电流检测电路和电压检测电路构成（如图7所示），在电路中，给电压与检测电路的电压进行比较，再将电压传入电压调节器，主要器件是电压互感器。
电流经过电流检测电路再传入整流器，得到的直流输入给电流调节器，主要器件是电流互感器。
1、电流互感器
电流检测有两种，一种是电阻检测，另一种是电流互感器检测，该电路用的是电流互感器检测。
电流互感器检测在保持良好波形的同时还具有较宽的宽带，电流互感器还提供了电气隔离，并且检测电流小损耗也小。
电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。
2、电压互感器
电压互感器是一个带铁心的变压器。
它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。
当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通φ，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。
改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。
其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组。
特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。
电压互感器的作用是把高电压按比例关系变换成100V或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用。
同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。
图7电流检测电路电压检测电路
3、给定电压
因为给定积分器比较难实现，所以电路中直接给12V的电压代替给定积分器，如图8所示。
图8给定电压
4、仿真与分析
Pwm变换器电流和电压的波形
四．心得体会
通过这次的课程设计，感觉自己之前对三相pwm逆变器的相关知识有了更深的了解。
因为把所学的相关知识应用于现实生活遇到一些问题。
整个设计中最麻烦的就是把一些课本中学到的知识在Matlab中进行仿真得到正确的结果。
这个过程是十分繁琐的，也是很锻炼人的。
通过本次课程设计，我学会了使用Matbal软件仿真集成环境Simulink进行仿真的基本操作方法，也对三相pwm逆变器的工作原理，双闭环控制电路的工作原理，而且还学会了Protel99SE的使用。
三相pwm逆变器的设计中也有一定的问题，发现了自己在这方面缺乏，知识很多不会，也知道了自己的实践经验比较缺乏，理论联系实际的能力需要提高。
专业设计是培养学生综合应用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题锻炼实际能力的主要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程，随着科学技术发展的日新日异，电子技术已经成为当今世界空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。
因此作为大学生来说，掌握电子的开发技术是十分重要的。
此次专业设计，至今我仍感慨颇多，但是也学到很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上没有学到过的知识。
在设计的过程中遇到问题，可以说是困难重重，难免会遇到各种各样的问题，比如有时候被一些小的、细的问题挡住看前进的步伐，让我总是为解决它而花费很长的时间，最后还要查阅其他的书籍才能找到解决的办法。
学海无涯，学无止境。
此次专业设计让我学到了很多专业知识，但是还有很多地方领悟不到位。
当然最关键的还是要靠自己亲自去领会思考如何解决问题，掌握独自面对问题分析问题的方法。
我也试着去了解和努力在这方面的知识。
我想以后无论在生活还是理论，我都会锻炼自己提升自己。
这次的课程设计顺利完成，在设计中遇到了很多问题，最后在努力下终于迎刃而解。
同时发现了还有很多工具及理论以后待学习。
此次课程设计培养了我严谨科学的思维，通过它架起理论与实际的桥梁。
在次感谢敖老师在学习和生活中对我的帮助。
还有一起搞课程设计的几位同学。
五、参考文献
1、陈伯时，电力拖动自动控制系统，机械工业出版社，2000.
2、陈坚，电力电子学－电力电子变换和控制技术，高等教育出版社，2002
3、刘志刚，电力电子学，清华大学出版社，2004
4、薛定宇，基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用，清华大学出版社，2006
六、附录
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