三相PWM逆變電源的主電路設計

　　隨著電力電子技術的發展， 逆變器的應用已深入到各個領域， 一般均要求逆變器具有高質量的輸出波形。逆變器輸出波形質量主要包括兩個方面， 即穩態精度和動態性能。因此， 研究既具有結構和控制簡單， 又具有優良動、靜態性能的逆變器控制方案， 一直是電力電子領域研究的熱點問題。

　　隨著國民經濟的高速發展和國內外能源供應的緊張， 電能的開發和利用顯得更為重要。目前， 國內外都在大力開發新能源， 如太陽能發電、風力發電、潮汐發電等。一般情況下， 這些新型發電裝置輸出不穩定的直流電， 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， 需要時可并入市電電網。這種DC- AC 變換需要逆變技術來完成。因此， 逆變技術在新能源的開發和利用領域有著重要的地位。

　　脈寬調制逆變技術

　　1、PWM 的基本原理

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

　　1. 2 脈寬調制的分類：

　　以調制脈沖的極性分，可分為單極性調制和雙極性調制兩種；

　　以載頻信號與參考信號頻率之間的關系分， 可分為同步調制和異步調制兩種。

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

　　1. 4 SPWM控制方式： 就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制， 使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不等的脈沖， 用這些脈沖來代替正弦波所需要的波形。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制，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與調制信號頻率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： 根據載波和調制信號波是否同步， 有異步調制和同步調制兩種控制方式： 異步調制控制方式，當載波比不是3 的整數倍時， 載波與調制信號波就存在不同步的調制；二、同步調制控制方式，在三相逆變電路中當載波比為3的整數倍時， 載波與調制信號波能同步調制。

圖1 系統框圖

　　本設計采用AC – DC – AC方案。采用SPWM調制方式。圖1為系統主電路和控制電路框圖。交流輸入電壓經過不控整流后得到一個直流電壓， 再經過全橋逆變電路得到交流輸出電壓。為保證系統可靠運行， 防止主電路對控制電路的干擾， 采用主、控電路完全隔離的方法， 即驅動信號用光耦隔離， 反饋信號用變壓器隔離， 輔助電源用變壓器隔離。

　　1 整流電路的設計

　　本設計運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、開關電源等應用場合中， 大都采用不可控整流電路經電容濾波后提供直接電源， 供后級的變換器、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

　　經計算二極管應選擇HFA70NH60額定電壓600V， 額定電流70A ( 快恢復型) 。

　　2 逆變電路的設計

　　逆變與整流相對應，是將直流電變成交流電。交流側接電網為有源逆變；交流側接負載為無源逆變。

　　本設計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構圖

　　逆變電路中的開關器件均選用全控型器件--IGBT.IGBT是MOSFET與GTR的復合器件， 因此它具有工作速度快、輸入阻抗大、驅動電路簡單、控制電路簡單、工作頻率較高、元件容量大等多項優點。

　　本設計中所選IGBT管額定電壓為600V，額定電流約為20A ， 所以應選取六只600V， 20A的IGBT管。IGBT 管型號為：IRGBC40F額定電壓600V，額定電流27A 。

　　逆變電路中， 6個二極管有限制過電壓的作用，對IGBT 管進行保護。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為：HFA 70NH60額定電壓600V，額定電流70A( 快恢復型) 。　　3 輸出濾波電路設計

　　LC濾波器的一般形式是一個由LC組成的無源網絡， 其工作原理是串聯的LC電路在基頻下呈串聯諧振狀態。在理想狀態下， 對基波不產生壓降，對高次諧波則是高阻抗， 抑制高次諧波電流。

　　經計算， 取電感的電感值為： L2= 0. 48mH取電容的電容值為： C2= 664uF

　　4 驅動電路的設計

　　驅動電路是將控制電路產生的PWM信號加以隔離、放大，形成驅動各開關器件開關動作信號的電路。它將邏輯電平的控制電路與可驅動6 個IGBT的高/ 低側開關電路相連接。由于驅動電路的選取因開關器件的不同而異， 而本課題選用的開關器件是IGBT，它是電壓驅動型開關器件， 所以我們選擇了美國IR( Internat io nal Rect ifier )公司生產的型號為IR2130的6路快速IGBT驅動芯片。

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為過流檢測電容， 其大小直接影響著保護是否靈敏， 選擇不當將導致IGBT 沖出安全工作區而損壞。C21 ， C22 ， C23 為逆變器上橋臂產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 為過流檢測電阻， 只要改變P2的大小， 就可調接電流保護值的大小。R21~R26 為IGBT的柵極電阻。D1~D6 選用快恢復二極管。

　　5 控制電路設計

　　控制電路采用集成脈寬調制電路芯片SG3524.SG3524與正弦函數發生芯ICL8038連接來產生SPWM波， 控制全橋逆變電路。

　　按照SG3524 的工作原理，要得到SPWM 波，必須得到一個正弦波，將它加到SG3524 內部，并與鋸齒波比較，就可得到正弦脈寬調制波。

圖5 SPWM發生電路

　　如圖5示正弦波電壓由函數發生器ICL8038產生。正弦波的頻率由R2、R3 和C1來決定， 1. 15/ ( R2+R3 ) C1，為了調試方便，我們將R2、R3都用可調電阻，R1是用來調整正弦波失真度用的。當時f= 50Hz，R2+ R3= 10kΩ ，其中C1= 2. 2uF；正弦PWM 波ue信號產生后，輸入到SG3524的1號腳， 正弦波和鋸齒波在SG3524內部的比較器進行比較產生SPWM波。

　　總結

　　本文主要實現了三相PWM逆變器主電路設計， 包括整流電路、濾波電路、逆變器、驅動電路和控制電路設計，完成了相關器件的選型， 基本實現了AC- DC- AC轉換功能。