电力电子专业课程设计.docx

课程设计汇报

目录

一． 基础现实状况及意义
1.1 中国外研究现实状况和发展趋势：
1.2 三相逆变器研究设计意义：
二． 任务书要求
2.1、设计目标：
2.2、设计任务：
三．基础原理
3.1.三相电压型逆变电路工作原理
3.2.控制电路设计
四．系统硬件设计
4.1系统总体介绍
4.2系统参数计算
五．仿真电路
六．仿真波形分析
七．试验总结

一．基础现实状况及意义
1.1中国外研究现实状况和发展趋势 
逆变技术发展能够分为以下两个阶段： 
1956-1980年为传统发展阶段，这个阶段特点是，开关器件以低速器件为主，逆变器开关频率较低，波形改善以多重合加法为主，体积重量较大，逆变效率低。
1980年到现在为高频化新技术阶段，开关器件以高速器件为主，逆变器开关频率高，波形改善以脉宽调制为主，体积重量小，逆变效率高。
在PWM逆变器中，为了减小其体积重量，提升其功率密度，高频化是关键发展方向之一，但高频化也存在部分问题，如增加开关损耗和电磁干扰。为此提出两个处理措施，一是提升开关器件速度，二是使逆变开关工作在软开关状态。20世纪80年代初，美国弗吉尼亚电力电子技术中心提出了准谐振变换技术，使软开关和PWM技术结合成为可能。它研究对于逆变器性能提升和深入推广应用，和电力电子学技术发展，全部有十分关键意义，是目前逆变器发展方向之一。
高频软开关逆变技术产生背景是为了克服传统逆变器输出波形差，开关应力和EMI较大缺点。在相同背景下，D.A.Nabae于1981年提出了多电平逆变技术，成为目前高压大功率逆变器发展方向。它经过主电路改善，使全部逆变开关全部工作在基频或低频，以达成减小开关应力，改善输出电压或电流波形目标。
总而言之，逆变技术发展是在提升波形质量背景下，伴随电力电子技术、微电子技术和现代控制理论发展而发展，进入二十一世纪，逆变技术正朝着高功率密度、高变换效率、高可靠性、无污染、智能化和集成化方向发展。
1.2三相逆变器研究设计意义
（1）促进新能源开发和利用 
伴随电力电子技术迅猛发展，逆变技术广泛应用于航空、航天、航海等国防领域和电力系统，交通运输、邮电通信、工业控制等民用领域。尤其是伴随石油、煤和天然气等关键能源日益担心，新能源开发和利用越来越受到大家重视。利用新能源关键技术----逆变技术，能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其它新能源转化直流电能变换成交流电能和电网并网发电。所以，逆变技术在新能源开发和利用领域有着至关关键地位。
（2）提升供电质量 
国民经济高速发展和中国外能源供给日益担心，电能开发和利用显得更为关键。现在，中国外全部在大力开发新能源，如太阳能发电、风力发电、潮汐发电等。通常情况下，这些新型发电装置输出不稳定直流电，不能直接供给需要交流电用户使用。为此，需要将直流电变换成交流电，需要时可并入市电电网。这种DC-AC变换需要逆变技术来完成。
用电设备对市电电网造成严重污染，反过来，被污染市电电网也会使用电设备工作不正常，用电设备之间经过市电电网相互干扰。为处理此问题，必需提升市电电网供电质量，以逆变技术为基础电力有源滤波器和电能质量综合赔偿器能够净化市电电网，使其为用电设备提供高质量电能。
逆变器是一个关键DC/AC变换装置，而衡量其性能一个关键指标就是输出电压波形质量，经过本项目标研究和实践，研究逆变器波形产生方法、调制规律、和其波形评价指标，寻求高质量脉宽波形取得方法，对所学知识进行纵深挖掘，加深相关知识了解。
二．任务书要求
2.1、设计目标：
图1出了三相逆变器主电路，经过本课题分析设计，能够加深学生对三相逆变电路认识和了解。要求学生掌握三相逆变电路基础工作原理，功率器件、LC滤波器参数设计并学会分析该电路多种工作模态，要求学生熟悉三相逆变器SPWM调制方案，而且学会用模拟电路或单片机实现三相逆变器驱动信号输出，熟悉桥式逆变器驱动电路，建立硬件电路并进行开关调试。
输入：220V DC，输出：100Vac/1.67A
2.2、设计任务：
1、给出符合输入输出要求电路方案，给出各个模块基础框图，并能设计其关键参数；
2、依据输入输出参数指标，计算功率电路中半导体器件电压电流等级，并给出所选器件型号，设计变换器脉冲变压器及滤波电容。
3、给出控制电路设计方案，能够输出频率和占空比可调脉冲源。
4、应用protel软件作出线路图，建立硬件电路并调试。

图1三相逆变器主电路
三．基础原理
3.1三相电压型逆变电路工作原理
逆变电路依据直流侧电源性质不一样可分为两种：直流侧是电压源称为电压型逆变电路；直流侧是电流源称为电流型逆变电路。在本文中，我们关键讨论三相电压型逆变电路基础组成、工作原理和特征，图3.1为其电路。

3.1三相电压型逆变电路
下面，我们讨论一下三相全桥电压型逆变电路。
在图3.1 所表示电路中，电路直流侧通常只有一个电容器就能够了，但为了方便分析，画作串联两个电容器并标出假想中点。和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路基础工作方法也是180°导电方法，即每个桥臂导电角度为180°，同一相（即同二分之一桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电角度以此相差120°。这么，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流全部是在同一相上下两个桥臂之间进行，所以也被称为纵向换流。
3.2控制电路设计
3.2.1 SPWM控制基础原理
图3.3（a）所表示，我们将一个正弦波半波电压分成N等分，并把正弦曲线每一等份所包围面积全部用一个和其面积相等等幅矩形脉冲来替换，且矩形脉冲中点和对应正弦等份中点重合，得到图3.3(b)所表示得脉冲列，这就SPWM波形。正弦波得另外半波能够用相同得措施来等效。能够看出，该PWM波形脉冲宽度是按正弦规律改变，称为SPWM波形。
图3.3 SPWM波形
依据采样控制理论，脉冲频率越高，SPWM波形便越靠近正弦波。逆变器输出电压为SPWM波形时，其低次谐波得到很好地抑制和消除，高次谐波又能很轻易滤去，从而可得到崎变率极低正弦波输出电压。
SPWM控制方法就是对逆变电路开关器件通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等脉冲，用这些脉冲来替换正弦波或其它所需要波形。
从理论上讲，在给出了正弦半波频率、幅值和半个周期内脉冲数后，脉冲波形宽度和间隔便能够正确计算出来。然后根据计算结果控制电路中各开关器件通断，就能够得到所需要波形。但在实际应用中，大家常采取正弦波和等腰三角波相交措施来确定各矩形脉冲宽度。
等腰三角波上下宽度和高度成线性关系且左右对称，当它和任何一个光滑曲线相交时，即得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值矩形脉冲，这种方法称为调制方法。期望输出信号为调制信号，把接收调制三角波称为载波。当调制信号是正弦波时，所得到便是SPWM波形。当调制信号不是正弦波时，也能得到和调制信号等效PWM波形。
3.3.2单极性和双极性SPWM控制方法
单极性是指载波和调制波一直保持同极性关系，在调制波信号一个周期里，同一桥臂上下两个功率管工作状态相互切换，分别工作在正弦调制波半个周期。
单极性SPWM调制原理图图3.4所表示:

图3.4单极性调制原理图
双极性SPWM载波极性随时间而正负改变，和调制波极性改变没相关系，载波信号一个周期里，同一桥臂上下两个功率管相互切换，在调制波半个周期里一直处于按正弦脉宽调制规律互补开关工作状态。
双极性SPWM调制原理图图3.5所表示:

图3.5双极性调至原理图

四．系统硬件设计
4.1系统总体介绍
此次设计目标是研制一个输入为220V直流稳定电压，输出为100V，1.67A交流稳定电压，输出功率较大三相稳压电源。考虑到所设计系统为大功率电源，所以我们在这考虑使用SPWM逆变技术，下图为所设计系统框图。
直流输入 全桥逆变 输出滤波 交流输出

控制电路 驱动电路
该系统工作原理是输入220V直流电压，然后经SPWM全桥逆变，变成100VSPWM电压，再经输出滤波电路滤波为100V，1.67A正弦波交流电压输出，另外，系统中CPU依据输出采样电压值来控制SPWM波发生器输出SPWM波形参数，SPWM发生器产生SPWM波经四个驱动隔离电路去驱动逆变电路，从而把整流滤波后得到直流电逆变成稳定交流电。
4.2系统参数计算

五.仿真电路
MATLAB软件语言系统是当今流行第四代计算机语言，因为它在科学计算、数据分析、系统建模和仿真、图形图像处理等不一样领域广泛应用和本身独特优势，现在MATLAB受到个研究领域推崇和关注。
本文也采取MATLAB软件对研究结果进行仿真，以验证结果是否正确。
建立仿真模型步骤：
1） 建立主电路仿真模型
2） 结构控制部分
3） 完成波形观察及分析部分
最终完成仿真模型以下图所表示：

500W三相逆变器开环主电路

相开环控制电路

500W三相逆变器闭环电路
六．仿真波形分析

上图为电路开环输入时输出交流电压为110V

上图为电路开环输入时输出有效值

上图为电路闭环输入时输出交流电压为110V

七．试验总结
此次课程设计，关键是进行仿真，做实物，学习了MATLAB软件构图，提升理论知识。在这次课程设计中，经过理论学习了解和对原理图仿真，自己对逆变器有一定了解。在结构原理图时候，原件不熟悉给我带来了很大困扰，我一个个在baidu上查找，最终组成了原理图，当然收获也是巨大，明白了部分原件在哪里能够寻求，也为以后能熟练使用MATLAB有了很大帮助。制作完原理图，最难得莫过于计算参数，查阅了多种资料，慢慢知道了基础公式，参数算出来后，我们开始在MATLAB仿真，而参数值还是需需要有点调整，经过调整后，输出波形也靠近完美。
经过了这些天，我明白了要去做好一个东西最关键是心态，可能在你拿到题目时会认为很困难，不过只要你充满信心，认真去思索，一步一个脚印去实现它，你就肯定会完成课程实践。在实践过程中，我也碰到了很多困难，发觉我自己在学习书本上知识时候并没有深刻去了解，掌握只是很浅显东西，所以在时碰到很多以前在书本上没有碰到过实际问题，我就不知道该怎样做了，尤其是画图时候，只要一个小小错误，就无法成功完成实践要求。我在以后学习过程中一定会注意不能仅仅局限于书本上知识，要知道知识扩展。同时我也认识到了理论和实际相结合关键性，只有把所学理论知识成功应用到实践中去，我们才能学到很多书本上没有知识，才能了解更多知识，那么我们知识面才会拓宽，我们才能成功提升自己实际应用能力。
在这次课程设计中，我也真正体会到合作是很关键，当碰到问题时，能够找同学讨论一下，假如太难问题还能够去问老师，我们会有很大收获。我认为做每一件事一定要持之以恒，不能碰到困难就轻易放弃，中途而废，我们要正视这些困难，用科学态度去处理这些困难，取得属于自己成功。
在原题仿真无误情况下我们也尝试焊了电路，不过实物并不是很理想。
附录：
SA4828和单片机接口原理图图3.11所表示，采取ARM单片机编程具体程序以下：
#include "stm32f10x.h"
#include "pwm.h"
#include "adc.h"
#include "dma.h"
#include "delay.h"
u32 pin=1800;
float zhan;
float adcy;
float adcx;
float temp0;
float temp1;
/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
u16 TimerPeriod = 3600;
u16 DutyFactor = 50;
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
/* Private functions ---------------------------------------------------------*/
void RCC_Configure(void);
void GPIO_Configure(void);
void PWM_Configure(void);
/**
* @brief Main program.
* @param None
* @retval None
*/

void RCC_Configure()
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4 | RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
}
void GPIO_Configure()
{
/* GPIOA配置：通道PA.6和PA.7为 输出引脚*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}
void PWM_Configure()
{
/* 通道1，2和3配置在PWM模式 */
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
//TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable; 互补输出使能，关键用于高级定时器
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = DutyFactor * 7200 / 100; //设置占空比
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;//这里4行代码就是设置PWM空闲电平、波形方法！一开始自己一不小心搞成了全部高死区，这里是全部低电平死区~
// TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High; 互补输出端
//TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;
//TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;
TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); //初始化通道1
TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); //初始化通道2
TIM_OC3Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); //初始化通道3
/* 自动输出使能，中止，死区相关设置*/
TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable;
TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable;
TIM_BDTRInitStructure.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_1;
TIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = 12; //死区时间为 12/SYSTEMCLK (ns)
TIM_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Disable; //关闭外部break功效，当然在产品中最好加入这个保护，蛮好用。
TIM_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High; //中止时配置端口输出高电平
TIM_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Enable; //自动输出使能
TIM_BDTRConfig(TIM3, &TIM_BDTRInitStructure);
TIM_CtrlPWMOutputs(TIM3, ENABLE); /* 主输出启用 */ //PWM输出使能
}
int main(void)
{
u32 ad_zhigh=500;
u32 ad_phigh=7200;
u32 p_high=3600;
RCC_Configure();
delay_init(72);
GPIO_Configure();
TIM_Configure(3600);
PWM_Configure();
NVIC_Configure();
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); /* TIM3计数器使能 */
TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); /* TIM4计数器使能 */
DMA_INIT();
ADC_INIT();
while (1)
{
u32 n;
u32 Get_Adcx_Average, Get_Adcy_Average;
u32 temp_val=0;
u32 temp_val0=0;
u8 t,i;
for(t=0;t<20;t++) //占空比取平均值
{
temp_val+=ADC_ConvertedValue[0];
// delay_us(1);
}
Get_Adcx_Average= temp_val/20;
temp_val=0;
for(i=0;i<20;i++) //采样频率取平均值
{
temp_val0+=ADC_ConvertedValue[1];
// delay_us(10);
}
Get_Adcy_Average= temp_val0/20;
temp_val0=0;
adcx=Get_Adcx_Average;
adcy=Get_Adcy_Average;
temp0=(adcx/4096.0);
temp1=(adcy/4096.0)*7200;
// if((ad_zhigh-10)<temp0&&temp0<(ad_zhigh+10)) //限制频率波动范围
// {
// temp0=ad_zhigh;
//
// }
// ad_zhigh=temp0;
// zhan=temp0/1000;
if(temp1>7200) //限制频率范围
{
temp1=7200;
}
n=temp1;
if(n<900) //限制频率范围
{
temp1=900;
}
if((ad_phigh-150)<temp1&&temp1<(ad_phigh-150)) //限制频率波动范围
{
temp1=ad_phigh;
}
ad_phigh=temp1;
pin=temp1;
if(pin<(p_high-150)||(p_high+150)<pin) //限制刷新动态范围
{
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=1; //自动重装载寄存器值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=pin-1; //时钟预分频数
TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
}
p_high=pin;
delay_ms(100);
}
}