电力电子课程设计 逆变电路 spwm

电力电子课程设计报告

题目无源逆变系统的实现

专业班级电气工程及其自动化02 学号 ********** 学生姓名孔令上

指导教师胡为兵

学院名称电气信息学院

完成日期：2013年 1月

目录

1、设计说明 (3)

1.1、设计目的及作用 (3)

1.2、设计依据（技术要求） (3)

1、正文 (3)

2.1、主电路详细原理图 (4)

2.2、主电路工作原理论述 (4)

2.4.1单向全控桥式逆变电路 (4)

2.3、元件参数 (5)

2.4、元件选择 (6)

2.5、控制保护电路详细框图 (6)

2.6、控制保护原理的论述 (7)

2.6.1、spwm控制原理 (7)

2.6.2、过流保护设计 (8)

2.6.3、过流保护论述 (9)

2.6.4、过压保护设计 (9)

2.6.4、过压保护论述 (10)

2、小节 (10)

3、参考资料 (11)

1、设计说明

1.1、设计目的及作用

随着各行各业自动化水平及控制技术的发展和其对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备（如通信电源、电弧焊电源、电动机变频调速器等）都不是直接使用交流电网作为电源，而是通过形式对其进行变换而得到各自所需的电能形式，它们所使用的电能大都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。现如今，逆变器的应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变。另外，交流电机调速变频器、UPS、感应加热电源等使用广泛的电力电子装置，都是以逆变电路为核心。

本文以单相DC-AC逆变器为研究对象，设计了一种基于全桥式结构的SPWM逆变器。以stc公司的51单片机作为控制核心，根据反馈的电压或电流信号对PWM波形作出调整，进行可靠的的双闭环控制，逆变部分采用mcs-51数字化SPWM控制技术，以尽可能减少谐波。为降低开关损耗，防止产生噪声，将开关频率设置为20KHZ。系统具有短路保护，输入过压和过流保护功能，针对开关管，还完善了抑制浪涌电流，开断缓冲和关断缓冲等功能。设计的硬件电路主要包括全桥式逆变主电路、控制电路、驱动电路、取样电路、保护电路等。重点分析了SPWM控制算法，并给出了软件实现SPWM波形的过程。采用无差拍控制和传统的PI 控制方法相结合的复合控制方法，既利用了无差拍控制的快速动态响应特性，又利用了PI控制具有强的鲁棒性，据此设计的控制器能够使逆变器的输出电压很好地跟踪正弦波，在电容性整流负载下输出电压也具有很好的正弦性，在MATLAB/SIMULINK下建立了电源系统的仿真模型，完成了控制器的参数设计，并给出电源在不同负载下和主电路滤波器参数变化下的输出电压仿真波形，证明了本方案设计的逆变器能够得到优质的正弦交流电。

1.2、设计依据（技术要求）

1.直流电压为12 V。

2.要求频率可调。

3.输出为5V的正弦交流电。

4.带阻感负载。负载中R=2 L=1mH。

5.要求输出频率范围：10HZ~100HZ。

1、正文

2.1、主电路详细原理图

这次设计应用的是电压型全桥逆变电路。其主电路，即逆变部分如下图所示。

2.2、主电路工作原理论述

2.4.1单向全控桥式逆变电路

共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180°。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。

改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压U d来实现。阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压——移相调压。

2.3、元件参数

由于系统的直流电源为=12v 。故考虑短路情况，所有igbt ，二极管的正向耐压及反响耐压应该为24v 以上。

考虑到要求的输出频率在10-100hz 。故igbt 的开关频率至少应有100hz ，并留

d U 图5-7 单相全桥逆t

O t

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G u G

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t 1 t 2

t 3

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u o V 3的基极信号比V 1落

后θ （0＜ θ ＜180 °）。V 3、V 4的栅极信号分别比V 2、V 1前移180°－θ。输出电压是正负各为θ 的脉冲。改变θ 就可调节输出电压。故移相调压就是调节输出电压的脉

宽。

有余量。

又R=2Ω，L=1mH，输出电压为幅值为5v的正弦，故计算得，电感L、电阻R的最大电流应该为2.5A。

2.4、元件选择

项目数目参数

Stc89c52单片机 1

三菱CT60AM-20 IGBT 5 60A/1000V

N5400 硅整流二极管 5 0V, 3A,(Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=150A)

LFV129-102U-3A 电感 2 1mh，3A，Tempcrature Risc MAX(℃) 40，

17.5mm*14.5mm

2欧电阻 2

总计14

2.5、控制保护电路详细框图

本次设计的原理框图如下：

2.6、控制保护原理的论述

2.6.1、spwm控制原理

在采样控制理论中有一个重要的结论：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。冲量即指窄脉冲的面积。此定理称之为面积等效原理。它是PWM控制技术的重要理论基础。

用PWM波代替正弦波

如上图的正弦半波分成N份，就可以把正弦半波看成是由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/N，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，是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，就得到上图下半部分的脉冲序列。这就是PWM波形。假如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。实际中应用的主要是调制法，结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明如下。