三相PWM逆變電源的主電路設(shè)計(jì)

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 逆變器的應(yīng)用已深入到各個(gè)領(lǐng)域， 一般均要求逆變器具有高質(zhì)量的輸出波形。逆變器輸出波形質(zhì)量主要包括兩個(gè)方面， 即穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能。因此， 研究既具有結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單， 又具有優(yōu)良動(dòng)、靜態(tài)性能的逆變器控制方案， 一直是電力電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和國(guó)內(nèi)外能源供應(yīng)的緊張， 電能的開(kāi)發(fā)和利用顯得更為重要。目前， 國(guó)內(nèi)外都在大力開(kāi)發(fā)新能源， 如太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電等。一般情況下， 這些新型發(fā)電裝置輸出不穩(wěn)定的直流電， 不能直接提供給需要交流電的用戶使用。為此， 需要將直流電變換成交流電， 需要時(shí)可并入市電電網(wǎng)。這種DC- AC 變換需要逆變技術(shù)來(lái)完成。因此， 逆變技術(shù)在新能源的開(kāi)發(fā)和利用領(lǐng)域有著重要的地位。

　　脈寬調(diào)制逆變技術(shù)

　　1、PWM 的基本原理

　　1. 1 PWM( Pulse Width Modulat ion) 脈寬調(diào)制型逆變電路定義： 是靠改變脈沖寬度來(lái)控制輸出電壓， 通過(guò)改變調(diào)制周期來(lái)控制其輸出頻率的電路。

　　1. 2 脈寬調(diào)制的分類：

　　以調(diào)制脈沖的極性分，可分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種；

　　以載頻信號(hào)與參考信號(hào)頻率之間的關(guān)系分， 可分為同步調(diào)制和異步調(diào)制兩種。

　　1. 3 ( PWM)逆變電路的特點(diǎn)： 可以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓和電流， 所以也稱為正弦波脈寬調(diào)制SPWM( Sinuso idal PWM) .

　　1. 4 SPWM控制方式： 就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制， 使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖， 用這些脈沖來(lái)代替正弦波所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小， 也可改變輸出頻率。

　　1. 5 PWM 電路的調(diào)制控制方式

　　1. 5.1載波比的定義：在PWM變頻電路中，載波頻率f c與調(diào)制信號(hào)頻率f r之比稱為載波比， 即N= f c/ ff 。

　　1. 5. 2 PWM逆變電路的控制方式： 根據(jù)載波和調(diào)制信號(hào)波是否同步， 有異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種控制方式： 異步調(diào)制控制方式，當(dāng)載波比不是3 的整數(shù)倍時(shí)， 載波與調(diào)制信號(hào)波就存在不同步的調(diào)制；二、同步調(diào)制控制方式，在三相逆變電路中當(dāng)載波比為3的整數(shù)倍時(shí)， 載波與調(diào)制信號(hào)波能同步調(diào)制。

圖1 系統(tǒng)框圖

　　本設(shè)計(jì)采用AC – DC – AC方案。采用SPWM調(diào)制方式。圖1為系統(tǒng)主電路和控制電路框圖。交流輸入電壓經(jīng)過(guò)不控整流后得到一個(gè)直流電壓， 再經(jīng)過(guò)全橋逆變電路得到交流輸出電壓。為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行， 防止主電路對(duì)控制電路的干擾， 采用主、控電路完全隔離的方法， 即驅(qū)動(dòng)信號(hào)用光耦隔離， 反饋信號(hào)用變壓器隔離， 輔助電源用變壓器隔離。

　　1 整流電路的設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)運(yùn)用的是三相橋式不可控整流電路。在交-直-交變頻器、不間斷電源、開(kāi)關(guān)電源等應(yīng)用場(chǎng)合中， 大都采用不可控整流電路經(jīng)電容濾波后提供直接電源， 供后級(jí)的變換器、逆變器等使用。由于電路中的電力電子器件采用整流二極管， 故也稱這類電路為二極管整流電路。其電路圖如下所示：

圖2 三相橋式不可控整流電路

　　經(jīng)計(jì)算二極管應(yīng)選擇HFA70NH60額定電壓600V， 額定電流70A ( 快恢復(fù)型) 。

　　2 逆變電路的設(shè)計(jì)

　　逆變與整流相對(duì)應(yīng)，是將直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)為有源逆變；交流側(cè)接負(fù)載為無(wú)源逆變。

　　本設(shè)計(jì)逆變電路采用電壓型三相橋式逆變電路， 其原理圖如圖3所示。

圖3 電壓型三相全橋式逆變器結(jié)構(gòu)圖

　　逆變電路中的開(kāi)關(guān)器件均選用全控型器件--IGBT.IGBT是MOSFET與GTR的復(fù)合器件， 因此它具有工作速度快、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、控制電路簡(jiǎn)單、工作頻率較高、元件容量大等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

　　本設(shè)計(jì)中所選IGBT管額定電壓為600V，額定電流約為20A ， 所以應(yīng)選取六只600V， 20A的IGBT管。IGBT 管型號(hào)為：IRGBC40F額定電壓600V，額定電流27A 。

　　逆變電路中， 6個(gè)二極管有限制過(guò)電壓的作用，對(duì)IGBT 管進(jìn)行保護(hù)。由于二極管和IGBT 管的電壓和電流幾乎相等。所以選取二極管的型號(hào)為：HFA 70NH60額定電壓600V，額定電流70A( 快恢復(fù)型) 。　　3 輸出濾波電路設(shè)計(jì)

　　LC濾波器的一般形式是一個(gè)由LC組成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)， 其工作原理是串聯(lián)的LC電路在基頻下呈串聯(lián)諧振狀態(tài)。在理想狀態(tài)下， 對(duì)基波不產(chǎn)生壓降，對(duì)高次諧波則是高阻抗， 抑制高次諧波電流。

　　經(jīng)計(jì)算， 取電感的電感值為： L2= 0. 48mH取電容的電容值為： C2= 664uF

　　4 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動(dòng)電路是將控制電路產(chǎn)生的PWM信號(hào)加以隔離、放大，形成驅(qū)動(dòng)各開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)動(dòng)作信號(hào)的電路。它將邏輯電平的控制電路與可驅(qū)動(dòng)6 個(gè)IGBT的高/ 低側(cè)開(kāi)關(guān)電路相連接。由于驅(qū)動(dòng)電路的選取因開(kāi)關(guān)器件的不同而異， 而本課題選用的開(kāi)關(guān)器件是IGBT，它是電壓驅(qū)動(dòng)型開(kāi)關(guān)器件， 所以我們選擇了美國(guó)IR( Internat io nal Rect ifier )公司生產(chǎn)的型號(hào)為IR2130的6路快速IGBT驅(qū)動(dòng)芯片。

圖4 IR2130的外部電路圖

　　IR2130的外部電路圖如圖4所示， 圖中C25為電源濾波電容， C24為過(guò)流檢測(cè)電容， 其大小直接影響著保護(hù)是否靈敏， 選擇不當(dāng)將導(dǎo)致IGBT 沖出安全工作區(qū)而損壞。C21 ， C22 ， C23 為逆變器上橋臂產(chǎn)生懸浮電源的自舉電容， 它們影響著這三只功率管的正常工作。R27~R30， P2 為過(guò)流檢測(cè)電阻， 只要改變P2的大小， 就可調(diào)接電流保護(hù)值的大小。R21~R26 為IGBT的柵極電阻。D1~D6 選用快恢復(fù)二極管。

　　5 控制電路設(shè)計(jì)

　　控制電路采用集成脈寬調(diào)制電路芯片SG3524.SG3524與正弦函數(shù)發(fā)生芯ICL8038連接來(lái)產(chǎn)生SPWM波， 控制全橋逆變電路。

　　按照SG3524 的工作原理，要得到SPWM 波，必須得到一個(gè)正弦波，將它加到SG3524 內(nèi)部，并與鋸齒波比較，就可得到正弦脈寬調(diào)制波。

圖5 SPWM發(fā)生電路

　　如圖5示正弦波電壓由函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生。正弦波的頻率由R2、R3 和C1來(lái)決定， 1. 15/ ( R2+R3 ) C1，為了調(diào)試方便，我們將R2、R3都用可調(diào)電阻，R1是用來(lái)調(diào)整正弦波失真度用的。當(dāng)時(shí)f= 50Hz，R2+ R3= 10kΩ ，其中C1= 2. 2uF；正弦PWM 波ue信號(hào)產(chǎn)生后，輸入到SG3524的1號(hào)腳， 正弦波和鋸齒波在SG3524內(nèi)部的比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生SPWM波。

　　總結(jié)

　　本文主要實(shí)現(xiàn)了三相PWM逆變器主電路設(shè)計(jì)， 包括整流電路、濾波電路、逆變器、驅(qū)動(dòng)電路和控制電路設(shè)計(jì)，完成了相關(guān)器件的選型， 基本實(shí)現(xiàn)了AC- DC- AC轉(zhuǎn)換功能。