隨著國民經濟的高速發(fā)展和國內外能源供應的緊張,， 電能的開發(fā)和利用顯得更為重要,。目前， 國內外都在大力開發(fā)新能源,， 如太陽能發(fā)電,、風力發(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(fā)和利用領域有著重要的地位。
1 脈寬調制逆變技術
1. 1 PWM 的基本原理
1. 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. 1. 2 脈寬調制的分類： 1、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;2,、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. 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. 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(guī)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. 2 PWM 電路的調制控制方式
1. 2. 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. 2. 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,。?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,。
2 主電路的設計
本設計采用AC – DC – AC 方案。采用SPWM調制方式,。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(tǒng)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,。
2. 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：
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. 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。
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(yōu)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) .
2. 3 輸出濾波電路設計
LC 濾波器的-般形式是一個由LC 組成的無源網絡， 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= 664uF2. 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。
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(qū)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。
2. 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(fā)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,。
如圖5 示正弦波電壓由函數發(fā)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。
3 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。