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电力电子课程设计三相交直交变换

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2020年4月19日
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整流变压器的设计
1. 根据负载的实际需要，确定变压器的输出功率P2及输出电流I2

2. 计算变压器的输入功率P1及输入电流I1

3. 确定变压器磁芯截面积S和选用硅钢片尺寸：
变压器磁芯材料选用硅钢片，磁芯形状选用E型

4. 计算初次级绕组匝数W1、W2
由电磁感应定律，没匝线圈上的感应电动势

整流变压器是△—Y型接法为保证初次级绕组相电压均为220v，次级绕组匝数为：
5. 计算初次级绕组的导线截面积q及选用导线：

主电路设计
（1）主电路结构

（2）主要器件参数计算

（3）软启动和缓冲电路设计
软启动电路

工作原理：
刚刚接通电源时，比较器输出高电平，反相后输出低电平，三极管截止，继电器不工作，整流输出端电阻与电容构成充电电路，端电压缓慢上升，直到软启动电路中的R2、C1充电后，电位高于比较器正输入端电位，输出低电平反相后输出高电平，三极管导通，继电器工作，整流输出端电阻被短路。

缓冲电路

工作原理：
右图给出了关断时的负载曲线。关断前的工作点在A点，无缓冲电路时，uce迅速上升，负载线从A移动到B，之后ic才下降到漏电流的大小，负载线随之移动到C。有缓冲电路时，由于C的分流使ic在uce开始上升的同时就下降，因此负载线经过D到达C。能够看出，负载线在到达B是很可能超出安全区，使V损坏，而负载线ADC是很安全的，而且ADC经过的都是小电流、小电压区域，器件的关断损耗也大大降低。

（4）分析工作原理，绘制主要波形
三相交流电经整流变压器输出相电压为220v的三相交流电，再经过三相桥式整流电路后，向电容C充电，使输出端电容C两端电压值稳定为530v，再经三相电压型逆变电路输出有效值200v，f=60Hz的三相交流电。
电压型逆变电路主要有以下特点：
直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗；
由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗的情况的不同而不同；
当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。
在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。本设计中采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路，如主电路图中所示。

主要波形

逆变器控制技术
采用SPWM双极性控制方式
SPWM技术：输出脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效
双极性控制：在调制波的半个周期内，三角载波有正有负，所得PWM波也是有正有负。
1.调制原理：
三个互差120°的正弦波与高频三角载波进行比较，每路结果再经反相器产生与原信号相反的控制波，分别控制上下桥臂IGBT的导通与关断。这样产生的六路SPWM波分别控制六个IGBT的通断，从而在负载端产生与调制波同频的三相交流电。
图2-4是采用双极性控制方式的三相桥式PWM逆变电路，ABC三相的PWM控制一般公用一个三角载波uc，三相的调制信号 urA urB urC依次相差120°，ABC各相功率开关器件的控制规律相同。
当urA > uc给V1导通信号，给V4关断信号，uAN’=Ud/2 ;当urA < uc时，给V4导通信号，给V1关断信号, uAN’=-Ud/2 。V1、V4的驱动信号始终是互补的，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。B相和C相的控制方式都和A相相同。uAN’ uBN’ uCN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平。当1和6通时，uAB= Ud，当3和4通时，uAB =-Ud，当1和3或4和6通时，uAB =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。

2.三角载波发生器

3.三相正弦波的产生
（1）单相正弦波的产生：选用ICL8038波形发生器输出B相正弦波

（2）三相正弦波的产生
A相可由 －( B+60°)产生

C相可由－( A+B)产生

驱动电路设计
1.IGBT的驱动部分选用专用驱动器M57962L
M57962L的电路组成：
放大隔离电路；定时复位电路； 过流检测电路； 过流输出电路

2.M57962L驱动器的特点：
1） 在驱动模块内部装有2500V高隔离电压的光电耦合器实现电气隔离，适合20kHz左右的高频开关运行。光电耦合器原边已串联限流电阻（约185Ω）可将5v的电压直接加到输入侧。
2） 采用双电源供电方式，以确保IGBT可靠通断，如果采用双电源驱动技术，其输出负栅压比较高，电源电压的极限值为+18v/-15v，一般取+15v/-10v。
3）内部集成短路和过流保护电路，具有封闭性短路保护功能。
4）输入端为TTL门电平，适用于单片机控制，驱动信号延迟时间短，低电平转换为高电平的传输延迟时间以及高电平转换为低电平的传输延迟时间都在1.50μs以下。
M57962L工作程序:
当电源接通后，首先自检，检测IGBT是否过载或短路。若过载或短路， IGBT 的集电极电位升高，经外接二极管流入检测电路的电流增加，栅极关断电路动作，切断IGBT的栅极驱动信号，同时在“8”脚输出低电平“过载/短路”指示信号。lGBT正常时，输入信号经光电耦合接口电路，再经驱动级功率放大后驱动IGBT。  
3.驱动电路设计如图

附：

死区控制电路