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第1章引言
1.1课题背景
逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器。
它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。
广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱,录像机、按摩器、风扇、照明等。
逆变器的作用:
逆变器就是一种将低压(12或24伏或48伏)直流电转变为220伏交流电的电子设备。
因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用,而逆变器的作用与此相反,因此而得名。
我们处在一个“移动”的时代,移动办公,移动通讯,移动休闲和娱乐。
在移动的状态中,人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电,同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电,逆变器就可以满足我们的这种需求。
实际应用:
目前,汽车普及率日益升高,车载逆变器将汽车点烟器输出12VDC转换成220V/50Hz交流电,供一般的电器产品使用。
车载逆变器作为一种移动中使用的电源转换器,为人们外出工作或旅游提供了很大的便利,具有广阔的市场前景。
汽车上使用的电器多为商用或一般生活用,如车用冰箱、笔记本电脑、手机充电器、汽车DVD等,有些设备方波逆变不能满足其供电要求,如车用冰箱,必须要50Hz的正弦波才能正常工作,因此车载正弦波逆变电源成为一种趋势。
1.2课题任务及要求
设计三相电压型SPWM逆变器,要求f=50Hz,相电压220V,电流20A。
(1)SPWM逆变器主电路设计
(2)脉宽调制器设计
(3)控制驱动电路设计
(4)对主电路进行仿真
第2章方案论证
2.1PWM控制的基本原理
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2.1a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同,其中图2.1a为矩形脉冲,图2.1b为三角形脉冲,图2.1c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2.1d所示的单位脉冲函数ξ(t)时,环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。
图2.1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
图2.2a所示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2.1a、b、c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2.2b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2.2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PWM控制技术的重要理论基础。
2.2SPWM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2.3a所示的正弦波分成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π/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,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2.3b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2.3b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2.3用PWM波代替正弦半波
2.3SPWM逆变电路及其控制方法
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。
2.4方案论证
2.4.1方案一:
基于单片机S89C52产生SPWM波
选用以STC89S51单片机为核心,通过编程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。
2.4.2方案二:
基于SG3524产生SPWM波
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。
第3章硬件电路设计
3.1SPWM逆变器主电路设计
如图3.1所示是SPWM逆变器的主电路。
图中Vl—V6是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Uru Ud和Uwn’的PWM波形只有±Ud/2两种电平。 当Uru>Uc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3.1SPWM逆变器主电路 3.2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管脚图如图3.2所示,外围电路如图3.3所示。 图3.2SG3524引脚图 图3.3SG3524外围电路 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。 ICL8038引脚图如图3.4所示。 图3.4ICL8028引脚图 ICL8038输出正弦波电路如图3.5所示。 图3.5ICL8028正弦波输出电路 整个脉宽调制器部分系统如图3.6所示。 图3.6脉宽调制部分系统示意图 3.3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=120/94ns)、偏置电压高(<600V)、驱动能力强等特点,同时还具有外部保护封锁端口。 IR2110采用CMOS工艺制作,逻辑电源电压范围为5V~20V,适应TTL或CMOS逻辑信号输入,具有独立的高端和低端2个输出通道。 由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上,容许逻辑电路参考地(VSS)与功率电路参考地(COM)之间有-5V~+5V的偏移量,并且能屏蔽小于50ns的脉冲,这些特点使得IR2110具有较理想的抗噪声效果。 采用CMOS施密特触发输入,可以进一步提高电路抗干扰能力。 其引脚图如图3.7所示。 图3.7IR2110引脚图 IR2110自身的保护功能非常完善: 对于低压侧通道,利用3片IR2110驱动全桥逆变电路的电路图如图3.8所示。 图3.8驱动电路 为改善PWM控制脉冲的前后沿陡度并防止振荡,减小IGBT集电极的电压尖脉冲,一般应在栅极串联几欧到几十欧的限流电阻。 IR2110的最大不足是不能产生负偏压,由于密勒效应的作用,在开通与关断时,集电极与栅极间电容上的充放电电流很容易在栅极上产生干扰。 针对这一点,本次课设在驱动电路中的功率管栅极限流电阻R1、R4上反向并联了二极管D2、D4。 3.4电源设计 电源用到LM7805的5V稳压源。 稳压电源一般由变器、整流器和稳压器三大部分组成。 变压器采用220V输入,双9V输出,变比为220/9。 原理图,如图3.9所示。 图3.9电源电路 第4章系统的调试与仿真 4.1Matlab软件 Matlab软件提供的仿真工具箱Simulink是一个功能十分强大的仿真软件,它可以根据用户的需要方便的为系统建立模型,并且十分直观,仿真精度高,结果准确。 特别是其电力系统模块库PSB中包含了大量的电力电子功能模块,为我们仿真提供了极大的便利。 Matlab提供了系统模型图形输入工具——Simulink工具箱。 在Matlab中的电力系统模块库PSB以Simulink为运算环境,涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本原件和系统仿真模型。 它由以下6个子模块组成: 电源模块库、连接模块库、测量模块库、电力电子模块库、电机模块库、基本件模块库。 在这6个基本模块库的基础上,根据需要还可以组合出常用的、复杂的其他模块添加到所需的模块库中,为电力系统的研究和仿真带来更多的方便。 4.2建模仿真 SPWM控制方式下的三相逆变电路主电路如图4.1所示。 图4.1三相逆变电路主电路 在powergui中设置载波频率设为基波的30倍(载波比N=30),即1500Hz,仿真时间设为0.04s,如图4.2所示。 在powergui中设置为离散仿真模式,采样时间设为1e-006s,如图4.3所示。 图4.2powergui参数设置 图4.3powergui参数设置 根据设计任务要求,直流电源电压为500V,要求输出三相220V、15A、50Hz的交流电,带对称RL负载(星形接法),其中R的值为12.2Ω、L的值为10mH,其参数设置图如图4.4所示。 图4.4负载取值参数设置 其中对PWM控制波的设置如图4.5所示。 图4.5PWM参数设置 运行仿真图形,并点击示波器可得输出交流电压,交流电流波形如图4.6所示,如图4.7所示。 图4.6SPWM方式下三相交流电压输出波形 图4.7SPWM方式下三相电流输出波形 从图4.1(电压值和电流值)、图4.6和图4.7可以得出,本次课程设计基本达到任务要求,三相输出电压约为220V,50HZ,交流电为正弦波满足条件。 实习总结 两周的电力电子技术实习就要结束了,我组选的课题为三相电压型SPWM逆变器,虽然课程设计的时间比较短,但我却收获了很多值得总结和值得我铭记于心的知识和认识。 当我组接课题的时候,比较茫然,不知道如何下手,但是通过在网上查阅大量的资料,也慢慢的滤清了思路,而且还有老师的帮助指导,所以还算比较顺利的完成了本次电力电子技术实习。 在实习期间,我学到了很多,也体会到了很多。 在以我学习方面的能力,有所提升,在然间使用,如电路图设计软件Altiumdesigner和仿真软件Matlab的使用都有所掌握,而对于课本上的知识,在课上没有深刻理解的篇章,也有了重新的认识。 但是在这期间我也感到自身的不足,比如对课本知识的理解不够深刻,导致在设计的过程中,遇到困难却不知道如何解决,这也给我们的设计过程带来不小麻烦,也提醒了我,在以后的学习生活中,要加强对理论知识的学习与掌握,让自己形成一种对专业的敏感性,也让对以后的工作或学习会有很大帮助。 虽然两个星期真的很短暂,但是我真的很珍惜这样的机会。 在其中所获得的经验与能力让我终身受用。 最后要感谢这些天以来一直陪伴并指导帮助我们的老师们! 参考文献 [1]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京: 机械工业出版社,2009. [2]康华光.电子技术基础数字部分[M].北京: 高等教育出版社,2005. [3]刘凤君.现代逆变技术及应用[M].北京: 电子工业出版社,2006. [4]李宏,王崇武.现代电力电子技术基础[M].北京: 机械工业出版社,2009. [5]陈国呈.PWM逆变技术及应用[M].北京: 中国电力出版社,2007. [6]陈国呈.PWM电力电子变换技术[M].北京: 中国电力出版社,2007. [7]洪乃刚.电力电子技术基础[M].北京: 清华大学出版社,2008. 附录a系统电路图 附录b元器件清单 器件名称 个数 IGBT(TM130EZ—2H) 6 续流二极管(IN4007) 18 双向稳压二极管(ZMM4V7) 6 电容(103) 6 电容(104) 4 电阻(不同型号) 若干 滑动变阻器(不同型号) 若干 IR2110 3 ICL8038 3 SG3524 3 电容(1000u) 4 变压器(双9V) 1 三端稳压器(7805) 2
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