1、电力电子课程设计学院：电气与动力工程学院专业：电气工程及其自动化班级：姓名：学号：指导老师：目录第一章：课程设计的目的及要求11.1 课程设计的目的 11.2 课程设计的要求 11.3 课程设计报告基本格式 3第二章：三相变频电源介绍3第三章 MATLAB 软件的介绍 4第四章：整流电路的设计54.1 整流电路工作原理 54.2 电容滤波的不可控整流 64.3 整流模块的计算及选型 10第五章：逆变电路的设计135.1 逆变电路的工作原理及波形135.2 二极管和 IGBT 参数选择 16第六章：SPWM 逆变电路 18第七章：驱动电路22第八章：MATLAB 软件仿真 22第九章：附录及参考
2、文献 25第十章：课程设计的心得体会 26第一章：课程设计的目的及要求1、课程设计的目的通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：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）培养运用工具的能力和方法。5） 提高课程设计报告撰写水平。2、课程设计的要求题目：三相变频电源的设计注意事项：1）根据规定题目进行电力电子装置设计2）通过图书馆和 Internet 广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计方案。首先要明确自己课程设计的设计内容。设
3、计装置（或电路）的主要技术数据主要技术数据输入交流电源：单相 220V，f=50Hz。交直变换采用二极管整流桥电容滤波电路，无源逆变桥采用三相桥式电压型逆变主电路，控制方法为 SPWM 控制原理输出交流：电流为正弦交流波形，输出频率可调，输出负载为三相星形RL 电路，R=10，L=15mH3、 设计内容：1）整流电路的设计和参数计算及选择（整流电路工作原理、输出波形分析、整流模块的计算及选型、滤波电容参数计算及选型）2）三相逆变主电路的设计和参数选择（结合负载阐述三相电压型无源逆变电路的工作原理，分析输出相电压、线电压波形；对开关器件和快恢复二极管进行计算选择及选型）3）三相 SPWM 控制及
4、驱动电路的设计：根据 SPWM 调制原理分析逆变电路的输出相电压、线电压波形；设计驱动电路；选择控制模块和驱动模块。 （SPWM 集成控制芯片或分立元件构成。驱动模块有：日本富士 EXB 系列或三菱 M579 系列）4）画出完整的主电路原理图和控制电路原理图，并进行仿真研究和分析。3、在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。主电路具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。
5、课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于 5 篇，且文中有引用说明，否则也不能得优） 。4 、在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型） 。严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。5 、课题设计的主要内容是主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。报告最后给出所设计的主电路和控制电路标准电路图，不同频率下输出电压电流波形，驱动控制电路中驱动信号波形以及其它主要波形，6 、课
6、程设计用纸和格式统一课程设计用纸在学校印刷厂统一购买和装订，封面为学校统一要求。要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。设计报告不少于 20页第二章：三相变频电源介绍三相变频电源以 MPWM 方式制作，用主动元件 IGBT 模块设计使本机容量可达 200KVA，以隔离变压器输入及输出，来增加整机稳定性，特别适应感性，容性及特殊负载，负载测试和寿命试验可靠性高。 三相变频电源特点: 1）高频 MPWM 设计，IGBT 功率推动，体积小、可靠性高、噪音低。 2）效率达 85%以上 3）反应快速，对 100%除载/加载，稳压反应时间在 2ms 以内。4）超载能力强，瞬间电流能承受额定电流的 300% 5）
7、波峰因素比(CREST FACTOR RATIO)高于 3：1。 6）具过压、过流、超温等多重保护及报警装置本文设计的三相变频电源将使用交直交整流逆变电路和 PWM 驱动电路实现三相变频电源。第三章： MATLAB 软件的介绍MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。MATLAB 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将
8、数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。本文将使用 MATLAB 软件进行仿真测试第四章 整流电路的设计4.1. 整流电路工作原理4.1.1 单相不可控整流电路带电阻负载电路原理分析在 0 到 180 度 VD1 和 VD4 导通，在 180 到 360 度 VD2 和VD3 导通。使流过电阻 R 的电流始终为正，规律总结如下
9、表； t 0 2二极管导通情况VD1和 VD4 导通、VD 2 和VD3 截止VD2 和 VD3 导通、VD 1和 VD4 截止ud |u2| |u2|VD1VD2VD3VD4a)u2 Ra)单相桥式整流电路b)VD1VD2VD3VD4AC+- Rudb)交流输入正半周单相桥式整流电路工作图 VD1VD2VD3VD4AC+- c)Rudc)交流输入负半周单相桥式整流电路工作图 uVD uVD1,4=0， uVD2,3= -|u2|uVD3=0， uVD1,4= -|u2|Ud4.2 电容滤波的不可控整流4.2.1 电容滤波的不可控整流电路图及波形4.2.2 电路原理分析该电路的基本工作情况是，
10、在 u2 正半周过零点至 =0 期间，t 0 22 9.0)(dsin1 UttU电容滤波的不可控整流电路图b)0i2ud 2ti2,ud电容滤波的不可控整流波形因 u2ud,，故二极管均不导通，次阶段电容 C 向 R 放电，提供负载所需电流，同时 ud 下降。至 =0 之后， u2 将要超过 ud，使得tVD1 和 VD4 开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载 R供电。设 VD1 和 VD4 导通的时刻与 u2 过零点相距 角，则（1-1） 22sin()uUt在 VD1 和 VD4 导通期间，以下方程成立式中，ud 为 VD1、VD4 开始导通时刻直流侧电压值。将 u2 代入并
11、求解得（1-4 ）2cos()ciCUt而负载电流为（1-4 ）22sin()Rui t于是（1-5） 22cos()sin()dcR UiiCUt tR （1-2(0)sindu2） （1-3） 201tdciduC设 VD1 和 VD4 的导通角为 ，则 = 时，VD1 和 VD4 关t断。将 代入式（1-5 ） ，得()0di（1-6）tanRC电容被充电到 时， ，VD1 和 VD4 关t22sin()duU断。电容开始以时间常数 RC 按指数函数放电。当 = ，即放电t经过 角时，ud 降至开始充电时的初值 ，另外一对二 2si极管 VD2 和 VD4 导通，此后 u2 正半周的情况
12、一样。由于二极管导通后 u2 开始向 C 充电时的 ud 与二极管管段后 C 放电结束时的ud 相等，故下式成立：（1-6）2 2sin()sinRCUteU注意到 为第 2 象限角，由式（1-6 ）（1-7）arct()（1-8）arctn()2 sin()1RCRCee在 已知时，即可由式（1-8）求出 ，进而由式（1-7 ）求RC出 。显然 和 仅有乘积 决定。RC4.2.3.主要的数量关系1）输出电压平均值 空载时， ,放电是间常数为无穷大，输出电压最大， 。2dU整流电压平均值 Ud 可根据前述有关计算公式推导得出，但推导繁琐。空载时， 重载时，R 很小，电容放电很快，几2d乎失去储
13、能作用。随复合的增加，Ud 逐渐趋近于 0.9U2，即趋近于负载时的特性。通常在设计时根据负载情况选择电容 C 值，使 ，352RT:T 为交流电源的周期，此时输入电压为（1-9）21.dU2）电流平均值 输出电流平均值 为RI（1-10）dRI在稳态时，电容 C 在一个周期内吸收的能量和释放的能量相等，且电压平均值保持不变。相应的，流经电容的电流在一个周期内的平均值为零，又由 得出dcRii（1-11）dRi在一个电源周期中，id 有两个波头， 、 和 、 。1VD423VD反过来说，流过某个二极管的电流 只有两个波头中的一个，故其i平均值为 （1-12）2dRVDI3）二极管承受的电压 二
14、极管承受的反向电压最大值为变压器二次侧电压的最大值，即 。2U4.3 整流模块的计算及选型4.3.1 整流电路的输出电压为210264()dUV后级电路的输出相电压为 2010.4710.471.20124.3()UNUN dudt V逆变电路输出侧负载为（ ）1Z65.j逆变输出电流（A）47.2983.1065.42jZUIN输出有功功率0.871=3517.2W83.104.23ICOSmUPN设逆变过程中有功功率不变，则整流输出电流为（A）30.1587264.SId整流输出侧阻抗值为)(25.1730.dIUZ又 22()lRL47.29arctnRwL解得；R= 15.01 L=0
15、.027(H)(由 得 C=1666.62776.0352RCT )(F考虑到电网电压波动10%，则电容所承受的最高电压为max 22(10%)1.2034.2()CUUV故电容耐压值为 max.5.51C上网查询可以选择东莞市山田科技有限公司生产的 550v3300的电解电容。F4.3.2 二极管的主要参数的计算：流过整流二极管的平均电流为)(65.7230.1AIdVD电流有效值为：)(87.156.75.1IIdVDV整流二极管的最大反向电压为;22(10%)1.2034.2()RMUUV选择整流二极管的参数为故正向平均电流 AIIdVDF )30.1547.()25.1(反向重复峰值电
16、压 3.68.(RMUV4.3.3 整流二极管选择由算出的二极管参数，上网查询找出以下两个型号的管子符合要求；型号 正向直流 最高反向电压 供应商MUR30100 30A 1000V 深圳市凯城电子有限公司MUR30120 30A 1200V 深圳市凯城电子有限公司第五章 逆变电路的设计5.1 逆变电路工作原理及波形三相电压型桥式逆变电路（1）基本工作方式 180导电方式（2）每桥臂导电 180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差 120 。（3）任一瞬间有三个桥臂同时导通。（4）每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。工作波形三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电
17、路（1）对于 U 相输出来说，当桥臂 1 导通时，uUN=Ud/2，当桥臂 4 导通时， uUN=-Ud/2，uUN 的波形是幅值为 Ud/2 的矩形波，V、 W 两相的情况和 U 相类似。设负载为三相对称负载，则有 uUN+uVN+uWN=0，故可得 （5）负载参数已知时，可以由 uUN 的波形求出 U 相电流 iU的波形，图 4-10g 给出的是阻感负载下时 iU 的波形。 UNWNWUWVVVNUNUuuu（2）负载线电压 uUV、 uVW、 uWU 可由下式求出（3）负载各相的相电压分别为 N WNWN VV UUuuu )(31)(31 WNVN WN V UN N uuuuu )(
18、 N V U （4）把上面各式相加并整理可求得（6）把桥臂 1、3、5 的电流加起来，就可得到直流侧电流 id的波形，如图 4-10h 所示，可以看出 id 每隔 60脉动一次。 tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)u UNu UNu UVi Ui du VNu WNu NNU dU d2U d3U d62 U d35.2IGBT 和二极管参数选择5.2.1 IGBT 参数选择额定电压 IGBT 的额定电压由逆变器（交- 直-交逆变器）的交流输入电压决定，因为它决定了后面的环节可能出现的最大电压峰值。再考虑两倍裕量，即；额定电压= )(70.4622VUd由于 IG
19、BT 是工作在开关状态，故计算其电流额定值时，应考虑其在整个运行过程中可能承受的最大峰值电流为：10.83 2 1.2=36.76(A)21KIICM式中，K1 为过载系数（裕量） ，取 K1=2； K2 为考虑电网电压波动等因素，取 K2=1.2。IGBT 参数的选择原则是适当留有余地，这样才能确保长期、可靠、安全运行。工作电压50%-60%，结温70-80% 在这条件下器件是最安全的。上网查询，选择日本富士公司的 2MB150N-120 型号的 IGBT;型号 最高耐压（V） 最大电流 功耗P(w)2MB150N-120 1200 50 4005.2.2 快恢复二极管参数选择正向平均电流F
20、( AV ) I(额定电流)。在该电流下管子的正向压降造成管子有损耗，结温升高不超过最高允许结温。该值是按电流的发热效应定义的，因此，在计算时按有效值相等条件来选取二极管的电流定额，并留有1.52倍的裕量。计算公式如下，其中为流过管子的额定电流有效值，即 8.10571VDdVDII )(.3A二极管额定电压为: 12(10%)201.376.4()mDNU V正向平均电流为: )(35.2)5.()5.( AIIdVDFAV反向重复峰值电压 : 2376.4.98()RMNUV上网查询可选如下型号的管子型号 最高耐压 最大电流 生产厂商MUR8208A 1200V 60A 聚星国际贸易（上海
21、）有限公司第六章 SPWM 逆变电路PWM 控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可以改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变逆变输出频率。PWM 基本原理：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。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。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。 SPWM 波形脉冲宽
22、度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM波形。要改变等效输出正弦波幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。本文使用 PWM 控制方式来驱动逆变电路，电路图如下：该电路是采用双极性控制方式。U,V,W 三相的 PWM 控制通常公用一个三角载波 uc,三相的调制信号 urU,uRv 和 urW 依次相差 120。U,V 和 W 各相功率开关器件的控制规律相同，现以 U 相为例来说明。当 urU 大于 uc 时，给上桥臂 V1 导通信号，给下桥臂 V4 以关断信号，则 U 相相对于直流电源假象中点 N的输出电压 uUn=Ud/2。当 urU 小于 uc 时，给 V4 一导通信号，给 V
23、1 上桥臂关断信号时，则uUN= 。V1 和 V4 的驱动信号始终是互补的。当给 V1（V 4）以导2d通信号，也可能是二极管 VD1(VD4)续流导通这要由阻感负载中电流方向来决定。这是因为阻感负载中电流的方向来决定的。V 相及W 相的控制方式都相同。波形如图所示。可以得出，的 PWM 波形都只有两种电平，当臂 1 臂 6 导通时 UUV=Ud，当臂 3 和臂 4 导通时 uUV=U d，当臂 1和臂 3 或臂 4 和臂 6 导通时 uUV=0。因此，逆变器的输出线电压PWM 波由 Ud 和 0 三种电平构成。而且负载相电压 PWM 波由(2/3)Ud、 (1/3)Ud 和 0 共 5 种电
24、平组成 ，其波形图如上图所示。当 urUuc 时，给 V1 导通信号，给 V4 关断信号， uUN=Ud/2当 urUuc 时，给 V4 导通信号，给 V1 关断信号， uUN=-Ud/2当给 V1(V4)加导通信号时，可能是 V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通驱动电路如下图:第七章 驱动电路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。
25、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 8.1 所示：SPWM1+VR1GND1OVCUC11nC11nE1G11k0C11nOCIVee+24V-1+TLP521-11234C1GND18VVin+5VVI 2512VMC7809TVin C11n100uF/50V30VM57962L5V+9VVccVout10kMUR4100E第八章 MATLAB 软件仿真整流电路仿真电路图如下输入电压电流波形整流输出电压 逆变输出线电压 负载相电压一号二极管电流输出 IGBT 电流 一号桥臂整合后输出电压电流波形；整流输出电压 逆变输出线电压 负载相电压一号二极管电
26、流输出 IGBT 电流 一号桥臂第九章 参考文献 电 力 电 子 应 用 技 术 莫 正 康 机 械 工 业 出 版 社 第 三 版 电 力 电 子 技 术 题 例 与 电 路 设 计 指 导 石 玉 栗 书 贤 机 械 工 业 出版 社 电 力 电 子 变 流 技 术 作 者 :黄 俊 等 机 械 工 业 出 版 社 电 力 电 子 技 术 及 应 用 陈 坚 ， 赵 玲 北 京 ： 中 国 电 力 出 版 社 ， 2006.1 电 力 电 子 技 术 王 兆 安 刘 进 军 机 械 工 业 出 版 社 第 五 版 通 用 变 频 器 及 其 应 用 韩 安 荣 机 械 工 业 出 版 社
27、， 2001第十章 心得体会两周的电力电子交直交变频电路的课程设计转眼之间已经接近尾声，刚开始那种期待的心情一扫而去，才明白自己所学的知识与运用的差距有多么的大。再次拿起书本不断地翻看，终于有了切入点，渐渐知道该怎么下手了。做的过程中逐渐的发现原来课设不仅需要对专业知识的灵活运用，更需要我们具有动脑创新的能力，团队合作的能力。在设计过程中问题频出，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查问题终能解决。我们这样不断改正，不断领悟，不断获取，最终一个完整的电路图终于出现在我的电脑上。每次改正一个错误，我都特别特别开心。经过努力，课设终于完成了。我深深地感觉到课设诚然是一门专业课，给我很多专业知识以
28、及专业技能上的提升。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等。从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，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所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务。遗憾的是我们只能通过计算机仿真来完成实验，没有把我们的理论成果真正的投入实践当中。希望学校支持我们这样的行动，从而提高我们真正的实践能力。
