电力电子专业课程设计.doc

课程设计报告

目录

一． 基本现状及意义
1.1 国内外研究现状和发展趋势：
1.2 三相逆变器研究设计意义：
二． 任务书规定
2.1、设计目：
2.2、设计任务：
三．基本原理
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系统总体简介
4.2系统参数计算
五．仿真电路
六．仿真波形分析
七．实验总结

一．基本现状及意义
1.1国内外研究现状和发展趋势 
逆变技术发展可以分为如下两个阶段： 
1956-1980年为老式发展阶段，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，波形改进以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变效率低。
1980年到当前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，波形改进以脉宽调制为主，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，提高其功率密度，高频化是重要发展方向之一，但高频化也存在某些问题，如增长开关损耗和电磁干扰。为此提出两个解决办法，一是提高开关器件速度，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，使软开关与PWM技术结合成为也许。它研究对于逆变器性能提高和进一步推广应用，以及电力电子学技术发展，均有十分重要意义，是当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老式逆变器输出波形差，开关应力和EMI较大缺陷。在相似背景下，D.A.Nabae于1981年提出了多电平逆变技术，成为当前高压大功率逆变器发展方向。它通过主电路改进，使所有逆变开关都工作在基频或低频，以达到减小开关应力，改进输出电压或电流波形目。
总之，逆变技术发展是在提高波形质量背景下，随着电力电子技术、微电子技术和当代控制理论发展而发展，进入21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）增进新能源开发和运用 
随着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，交通运送、邮电通信、工业控制等民用领域。特别是随着石油、煤和天然气等重要能源日益紧张，新能源开发和运用越来越受到人们注重。运用新能源核心技术----逆变技术，能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其她新能源转化直流电能变换成交流电能与电网并网发电。因而，逆变技术在新能源开发和运用领域有着至关重要地位。
（2）提高供电质量 
国民经济高速发展和国内外能源供应日益紧张，电能开发和运用显得更为重要。当前，国内外都在大力开发新能源，如太阳能发电、风力发电、潮汐发电等。普通状况下，这些新型发电装置输出不稳定直流电，不能直接供应需要交流电顾客使用。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毕。
用电设备对市电电网导致严重污染，反过来，被污染市电电网也会使用电设备工作不正常，用电设备之间通过市电电网互相干扰。为解决此问题，必要提高市电电网供电质量，以逆变技术为基本电力有源滤波器和电能质量综合补偿器可以净化市电电网，使其为用电设备提供高质量电能。
逆变器是一种重要DC/AC变换装置，而衡量其性能一种重要指标就是输出电压波形质量，通过本项目研究与实践，研究逆变器波形产生办法、调制规律、以及其波形评价指标，谋求高质量脉宽波形获得办法，对所学知识进行纵深挖掘，加深有关知识理解。
二．任务书规定
2.1、设计目：
图1出了三相逆变器主电路，通过本课题分析设计，可以加深学生对三相逆变电路结识和理解。规定学生掌握三相逆变电路基本工作原理，功率器件、LC滤波器参数设计并学会分析该电路各种工作模态，规定学生熟悉三相逆变器SPWM调制方案，并且学会用模仿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、给出符合输入输出规定电路方案，给出各个模块基本框图，并能设计其重要参数；
2、依照输入输出参数指标，计算功率电路中半导体器件电压电流级别，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，可以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．基本原理
3.1三相电压型逆变电路工作原理
逆变电路依照直流侧电源性质不同可分为两种：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，咱们重要讨论三相电压型逆变电路基本构成、工作原理和特性，图3.1为其电路。

3.1三相电压型逆变电路
下面，咱们讨论一下三相全桥电压型逆变电路。
在图3.1 所示电路中，电路直流侧普通只有一种电容器就可以了，但为了以便分析，画作串联两个电容器并标出假想中点。和单相半桥、全桥逆变电路相似，三相电压型桥式逆变电路基本工作方式也是180°导电方式，即每个桥臂导电角度为180°，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电角度以此相差120°。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同步导通。也许是上面一种臂下面两个臂，也也许是上面两个臂下面一种臂同步导通。由于每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因而也被称为纵向换流。
3.2控制电路设计
3.2.1 SPWM控制基本原理
如图3.3（a）所示，咱们将一种正弦波半波电压提成N等分，并把正弦曲线每一等份所包围面积都用一种与其面积相等等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲中点与相应正弦等份中点重叠，得到如图3.3(b)所示得脉冲列，这就SPWM波形。正弦波得此外半波可以用相似得办法来等效。可以看出，该PWM波形脉冲宽度是按正弦规律变化，称为SPWM波形。
图3.3 SPWM波形
依照采样控制理论，脉冲频率越高，SPWM波形便越接近正弦波。逆变器输出电压为SPWM波形时，其低次谐波得到较好地抑制和消除，高次谐波又能很容易滤去，从而可得到崎变率极低正弦波输出电压。
SPWM控制方式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，用这些脉冲来代替正弦波或者其她所需要波形。
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可以精确计算出来。然后按照计算成果控制电路中各开关器件通断，就可以得到所需要波形。但在实际应用中，人们常采用正弦波与等腰三角波相交办法来拟定各矩形脉冲宽度。
等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一种光滑曲线相交时，即得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值矩形脉冲，这种办法称为调制办法。但愿输出信号为调制信号，把接受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，也能得到与调制信号等效PWM波形。
3.3.2单极性和双极性SPWM控制方式
单极性是指载波和调制波始终保持同极性关系，在调制波信号一种周期里，同一桥臂上下两个功率管工作状态互相切换，分别工作在正弦调制波半个周期。
单极性SPWM调制原理图如图3.4所示:

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变化，和调制波极性变化没关于系，载波信号一种周期里，同一桥臂上下两个功率管互相切换，在调制波半个周期里始终处在按正弦脉宽调制规律互补开关工作状态。
双极性SPWM调制原理图如图3.5所示:

图3.5双极性调至原理图

四．系统硬件设计
4.1系统总体简介
本次设计目是研制一种输入为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，因此咱们在这考虑使用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，此外，系统中CPU依照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，由于它在科学计算、数据分析、系统建模与仿真、图形图像解决等不同领域广泛应用以及自身独特优势，当前MATLAB受到个研究领域推崇和关注。
本文也采用MATLAB软件对研究成果进行仿真，以验证成果与否对的。
建立仿真模型环节：
1） 建立主电路仿真模型
2） 构造控制某些
3） 完毕波形观测及分析某些
最后完毕仿真模型如下图所示：

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．实验总结
本次课程设计，重要是进行仿真，做实物，学习了MATLAB软件构图，提高理论知识。在这次课程设计中，通过理论学习理解和对原理图仿真，自己对逆变器有一定理解。在构造原理图时候，原件不熟悉给我带来了很大困扰，我一种个在百度上查找，最后构成了原理图，固然收获也是巨大，明白了某些原件在哪里可以寻找，也为后来能纯熟使用MATLAB有了很大协助。制作完原理图，最难得莫过于计算参数，查阅了各种资料，慢慢懂得了基本公式，参数算出来后，咱们开始在MATLAB仿真，而参数值还是需需要有点调节，通过调节后，输出波形也接近完美。
通过了这些天，我明白了要去做好一种东西最重要是心态，也许在你拿到题目时会觉得很困难，但是只要你布满信心，认真去思考，一步一种脚印去实现它，你就必定会完毕课程实践。在实践过程中，我也遇到了诸多困难，发现我自己在学习课本上知识时候并没有深刻去理解，掌握只是很浅显东西，因此在时遇到诸多此前在课本上没有遇到过实际问题，我就不懂得该如何做了，特别是画图时候，只要一种小小错误，就无法成功完毕实践规定。我在后来学习过程中一定会注意不能仅仅局限于课本上知识，要懂得知识扩展。同步我也结识到了理论与实际相结合重要性，只有把所学理论知识成功应用到实践中去，咱们才干学到诸多课本上没有知识，才干理解更多知识，那么咱们知识面才会拓宽，咱们才干成功提高自己实际应用能力。
在这次课程设计中，我也真正体会到合伙是非常重要，当遇到问题时，可以找同窗讨论一下，如果太难问题还可以去问教师，咱们会有很大收获。我觉得做每一件事一定要持之以恒，不能遇到困难就容易放弃，半途而废，咱们要正视这些困难，用科学态度去解决这些困难，获得属于自己成功。
在原题仿真无误状况下咱们也尝试焊了电路，但是实物并不是很抱负。
附录：
SA4828与单片机接口原理图如图3.11所示，采用ARM单片机编程详细程序如下：
#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配备：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配备在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，重要用于高档定期器
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = DutyFactor * 7200 / 100；//设立占空比
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;//这里4行代码就是设立PWM空闲电平、波形方式！一开始自己一不小心搞成了都高死区，这里是都低电平死区~
// 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，中断，死区有关设立*/
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功能，固然在产品中最佳加入这个保护，蛮好用。
TIM_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High; //中断时配备端口输出高电平
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)) //限制频率波动范畴
// {
// temp0=ad_zhigh;
//
// }
// ad_zhigh=temp0;
// zhan=temp0/1000;
if(temp1>7200) //限制频率范畴
{
temp1=7200;
}
n=temp1;
if(n<900) //限制频率范畴
{
temp1=900;
}
if((ad_phigh-150)<temp1&&temp1<(ad_phigh-150)) //限制频率波动范畴
{
temp1=ad_phigh;
}
ad_phigh=temp1;
pin=temp1;
if(pin<(p_high-150)||(p_high+150)<pin) //限制刷新动态范畴
{
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);
}
}