CN113224968A - 一种电力电子spwm逆变实验平台 - Google Patents

一种电力电子spwm逆变实验平台 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电力电子SPWM逆变实验平台，所述实验平台包括：主电路、主电路安装板、基于模拟电子器件搭建的控制电路和电路板；所述控制电路与主电路中的SPWM逆变电路的控制端连接，用于控制所述主电路进行SPWM逆变；所述主电路安装板用于可插拔的安装主电路中的各个电力电子器件；所述电路板用于可插拔的安装控制电路中的各个模拟电子器件，本发明的控制电路基于模拟电子器件搭建，实现了控制电路和主电路的器件级设计，并设置了主电路安装板和电路板实现了主电路中和控制电路中各个器件的更换。

Description

一种电力电子SPWM逆变实验平台
技术领域
本发明涉及电力电子技术实验技术领域，特别是涉及一种电力电子SPWM逆变实验平台。
背景技术
电力电子电路中的正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)逆变电路是一种将直流电逆变成交流电的电路，应用非常广泛，例如新能源发电、电力系统、交流电源等。电力电子技术是电气工程及其自动化专业的基础课，电力电子实验是辅助教学的重要手段，在SPWM逆变电路实验平台上，学生可以验证所学习的关于SPWM逆变电路的理论知识，对这些知识有更加深入、直观的理解。通过实验的过程，培养学生进行电力电子技术实验的基本技能和操作能力，使得学生了解并初步掌握包括实验设计、实验实施、数据分析与处理、对实验过程和实验结果的分析、实验报告撰写等实验工作的各个环节和全过程，进而培养学生的综合分析能力、实验动手能力、数据处理以及查阅资料的能力。
目前现有电力电子实验平台产品能满足各类学校相应课程的实验教学，其中包含SPWM逆变电路的实验教学。现有SPWM逆变电路实验平台只有连线功能，无法修改器件，学生应用时无法做不同电力电子器件对SPWM逆变影响的实验，进而不能通过实验理解和设计SPWM逆变电路，故需要基于器件层面发明一种新的电力电子SPWM逆变实验平台。
发明内容
本发明的目的是提供一种电力电子SPWM逆变实验平台，以提供一种基于器件层面的电力电子SPWM逆变实验平台，实现实验时对器件的更换。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种电力电子SPWM逆变实验平台，所述实验平台包括：
主电路、主电路安装板、基于模拟电子器件搭建的控制电路和电路板；
所述控制电路与主电路中的SPWM逆变电路的控制端连接，用于控制所述主电路进行SPWM逆变；
所述主电路安装板用于可插拔的安装主电路中的各个电力电子器件；
所述电路板用于可插拔的安装控制电路中的各个模拟电子器件。
可选的，主电路安装板包括：电源的接线端子、主电路中各个电力电子器件的安装点及主电路中各个电力电子器件接线端子。
可选的，所述主电路安装板上还设置有主电路中各个电力电子器件的安装指引图。
可选的，电力电子器件的安装指引图包括电力电子器件的名称、轮廓和安装方向标识。
可选的，所述主电路包括：从输入到输出依次连接的电源us、变压器、二极管整流桥、SPWM逆变电路和负载；
所述SPWM逆变电路的一个输出端和负载的一端之间串联有滤波电感和测量电阻；
所述SPWM逆变电路的输入端并联有电解电容。
可选的，SPWM逆变电路包括桥式连接的IGBT模块V1、IGBT模块V2、IGBT模块V3和IGBT模块V4，及分别与IGBT模块V1、IGBT模块V2、IGBT模块V3和IGBT模块V4反向并联的二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3和二极管VD4。
可选的，所述控制电路包括基于模拟电子器件搭建的正弦波发生电路、检测电路、PI调节器电路、PWM控制电路和驱动电路；
正弦波发生电路与PI调节器电路连接，用于提供正弦电压指令信号；
检测电路分别与主电路中的测量电阻两端和主电路中的负载电阻的两端连接，所述检测电路还与PI调节器电路连接，用于获取测量电阻两端的电压值，并结合测量电阻的电阻值，计算流经测量电阻的电流值，作为电流反馈信号，获取负载电阻两端的电压值作为交流电压反馈信号，并将所述电流反馈信号和所述交流电压反馈信号发送给所述PI调节器电路；
所述PI调节器电路与所述SPWM逆变电路连接，所述PI调节器电路用于根据正弦电压指令信号，电流反馈信号和交流电压反馈信号，进行PI调节，生成调制波信号；
所述SPWM逆变电路与所述驱动电路连接，所述PWM控制电路用于根据所述调制波信号生成PWM控制信号，输出给所述驱动电路；
所述驱动电路与主电路中的SPWM逆变电路的控制端连接，用于根据PWM控制信号生成驱动信号，驱动所述SPWM逆变电路进行逆变。
可选的，所述正弦波发生电路、所述检测电路、所述PI调节器电路、所述PWM控制电路和所述驱动电路的各个模拟电子器件均可插拔的设置在电路板的金属接触点内；
所述正弦波发生电路、所述检测电路、所述PI调节器电路、所述PWM控制电路和所述驱动电路的各个模拟电子器件之间通过电路板内部的铜导线及金属接触点连接。
可选的，所述电路板的上表面设置有所述正弦波发生电路、所述检测电路、所述PI调节器电路、所述PWM控制电路和所述驱动电路的电路原理图。
可选的，所述驱动电路包括4个EXB840芯片，4个所述EXB840芯片分别用于驱动主电路的SPWM逆变电路的四个IGBT模块。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种电力电子SPWM逆变实验平台，所述实验平台包括：主电路、主电路安装板、基于模拟电子器件搭建的控制电路和电路板；所述控制电路与主电路中的SPWM逆变电路的控制端连接，用于控制所述主电路进行SPWM逆变；所述主电路安装板用于可插拔的安装主电路中的各个电力电子器件；所述电路板用于可插拔的安装控制电路中的各个模拟电子器件，本发明的控制电路基于模拟电子器件搭建，实现了控制电路和主电路的器件级设计，并设置了主电路安装板和电路板实现了主电路中和控制电路中各个器件的更换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种电力电子SPWM逆变实验平台的电路原理图；
图2为本发明提供的主电路安装板的结构示意图；
图3为本发明提供的基于模拟电子器件的正弦波发生电路的实验平台的结构示意图；
图4为本发明提供的基于模拟电子器件的检测电路的实验平台的结构示意图；
图5为本发明提供的基于模拟电子器件的PI调节器电路的实验平台的结构示意图；
图6为本发明提供的基于模拟电子器件的PWM控制电路的实验平台的结构示意图；
图7为本发明提供的基于模拟电子器件的驱动电路的实验平台的结构示意图；
图8为本发明提供的一种电力电子SPWM逆变实验平台的实验方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种电力电子SPWM逆变实验平台，以提供一种基于器件层面的电力电子SPWM逆变实验平台，实现实验时对器件的更换。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种电力电子SPWM逆变实验平台，所述实验平台包括：主电路、主电路安装板、基于模拟电子器件搭建的控制电路和电路板；所述控制电路与主电路中的SPWM逆变电路的控制端连接，用于控制所述主电路进行SPWM逆变；所述主电路安装板用于可插拔的安装主电路中的各个电力电子器件；所述电路板用于可插拔的安装控制电路中的各个模拟电子器件。
所述主电路包括：从输入到输出依次连接的电源us、变压器、二极管整流桥、SPWM逆变电路和负载；所述SPWM逆变电路的一个输出端和负载的一端之间串联有滤波电感和测量电阻；所述SPWM逆变电路的输入端并联有电解电容。其中，SPWM逆变电路包括桥式连接的IGBT模块V1、IGBT模块V2、IGBT模块V3和IGBT模块V4，及分别与IGBT模块V1、IGBT模块V2、IGBT模块V3和IGBT模块V4反向并联的二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3和二极管VD4。
具体的，主电路包含电源us、变压器、二极管整流桥(D1up、D1down、D2up和D2down)、电解电容C、SPWM逆变电路(V1至V4，VD1至VD4为V1至V4所对应的反并联二极管)、滤波电感L、测量电阻RL和负载R。us为输入的交流电源，两个输出端与变压器两个输入端连接；变压器的输出端与二极管整流桥的输入端连接，二极管整流桥由D1up、D1down、D2up和D2down构成，D1up与D1down串联，D2up与D2down串联，两组二极管串联后并联构成了二极管整流桥；二极管整流桥的两个输出端与为电解电容C的两个输入端相连，同时也与SPWM逆变电路的输入端连接；SPWM逆变电路的两个输出端与由电感L、测量电流用采样电阻RL和负载电阻R构成的模块连接，电感L、测量电流用采样电阻RL和负载电阻R为串联关系。
本发明的主电路安装板包括：电源的接线端子、主电路中各个电力电子器件的安装点及主电路中各个电力电子器件接线端子。所述主电路安装板上还设置有主电路中各个电力电子器件的安装指引图。电力电子器件的安装指引图包括电力电子器件的名称、轮廓和安装方向标识。
具体的，如图2所示，主电路各器件有安装点，方便安装和拆卸，各器件端子通过导线联结。电源电压有效值220V，变压器变比为2:1，二极管整流桥额定电压200V和额定电流35A，电解电容额定电压450V，电容值为2200μF，IGBT模块额定电压1200V，IGBT模块额定电流75A，电感10mH，负载电阻10Ω。可根据需要修改各个器件的参数并更换器件。
如图1所示，所述控制电路包括基于模拟电子器件搭建的正弦波发生电路、检测电路、PI调节器电路、PWM控制电路和驱动电路；正弦波发生电路与PI调节器电路连接，用于提供正弦电压指令信号；检测电路分别与主电路中的测量电阻两端和主电路中的负载电阻的两端连接，所述检测电路还与PI调节器电路连接，用于获取测量电阻两端的电压值，并结合测量电阻的电阻值，计算流经测量电阻的电流值，作为电流反馈信号，获取负载电阻两端的电压值作为交流电压反馈信号，并将所述电流反馈信号和所述交流电压反馈信号发送给所述PI调节器电路；所述PI调节器电路与所述SPWM逆变电路连接，所述PI调节器电路用于根据正弦电压指令信号，电流反馈信号和交流电压反馈信号，进行PI调节，生成调制波信号；所述SPWM逆变电路与所述驱动电路连接，所述PWM控制电路用于根据所述调制波信号生成PWM控制信号，输出给所述驱动电路；所述驱动电路与主电路中的SPWM逆变电路的控制端连接，用于根据PWM控制信号生成驱动信号，驱动所述SPWM逆变电路进行逆变。
如图3-7所示，所述正弦波发生电路、所述检测电路、所述PI调节器电路、所述PWM控制电路和所述驱动电路的各个模拟电子器件均可插拔的设置在电路板的金属接触点内；所述正弦波发生电路、所述检测电路、所述PI调节器电路、所述PWM控制电路和所述驱动电路的各个模拟电子器件之间通过电路板内部的铜导线及金属接触点连接。所述电路板的上表面设置有所述正弦波发生电路、所述检测电路、所述PI调节器电路、所述PWM控制电路和所述驱动电路的电路原理图。
如图3所示，基于模拟电子器件的正弦波发生电路的实验平台，该实验平台将正弦波发生电路的模拟电子器件设置在电路板上，电路板上设置有正弦波发生电路的原理图和金属接触点，正弦波发生电路的各模拟电子器件之间的连线布设在电路板的内部。具体如下：
正弦波发生电路的功能是产生一个可调幅值和相位的正弦波。包括电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、二极管D1、二极管D2和运算放大器U1产生正弦波，其电路中电阻R2＝R3，电容C2＝C3，正弦波频率如式(1)所示，电阻R1与R4的关系如式(2)所示。调节R2、R3和C2、C3的值来调节正弦波输出频率。电阻R6起到限流作用，开关起到接通+15V电压的作用，电阻R7、电位器WR1和运算放大器U2，构成了放大电路，将正弦波幅值放大，电阻R8、电容C3、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C4和运算放大器U3构成了滤波电路，滤除正弦波的高次谐波。
Figure BDA0003102945800000071
Figure BDA0003102945800000072
用电阻R7与电位器WR1的比值调节正弦波幅值。
如图4所示，基于模拟电子器件的检测电路的实验平台，该实验平台将检测电路的模拟电子器件设置在电路板上，电路板上设置有检测电路的原理图和金属接触点，检测电路的各模拟电子器件之间的连线布设在电路板的内部。具体如下：
在图4所示的检测电路中，包括电压测量和电流测量，测量电压可应用测量模块LV28-P或者LV25-800，电阻R13起限流作用。将电压信号通过一个二阶或者高阶低通滤波器进行滤波，滤除开关频率的谐波和更高次的谐波。例如可以使用Butterworth低通滤波器等。图4中使用了Sallen-Key低通滤波器的负载电流信号调理电路，交流电压信号滤波器包含电阻R15、电阻R14、电容C4、电阻R16、电容C5和运算放大器U4，直流电流信号滤波器包含电阻R19、电容C6、电阻R20、电容C7和运算放大器U6。应用Butterworth函数进行逼近，即电压传移函数为二阶Butterworth函数。选择Sallen-Key低通滤波器的增益为1，传递函数如式(3)所示。
Figure BDA0003102945800000073
电阻R17、电阻R18和运算放大器U5构成了反向器，将输出信号反向；电阻R21、电阻R22和运算放大器U7构成了反向器，将输出信号反向。
如图5所示，基于模拟电子器件的PI调节器电路的实验平台，该实验平台将PI调节器电路的模拟电子器件设置在电路板上，电路板上设置有PI调节器电路的原理图和金属接触点，PI调节器电路的各模拟电子器件之间的连线布设在电路板的内部。具体如下：
图5为PI调节器电路，包括电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电容C8、电容C9、电容C10、电位器WR2和运算放大器U8构成了PI调节器；电阻R29、电阻R30和运算放大器U9构成了反向电路，将输入信号反向；电阻R31、电阻R32、电阻R33和运算放大器U10构成了加法器，将反相器输出的辛哈与同步信号(前馈)相加；电阻R34、电阻R35和运算放大器U11构成了反向电路，将输入信号反向。调节电位器WR2和电容器C10的值可以改变比例积分的系数。在图1所示的电流闭环中，为了提高输出电流的响应速度，增加了前馈环节(同步信号输入)。
如图6所示，基于模拟电子器件的PWM控制电路的实验平台，该实验平台将PWM控制电路的模拟电子器件设置在电路板上，电路板上设置有PWM控制电路的原理图和金属接触点，PWM控制电路的各模拟电子器件之间的连线布设在电路板的内部。具体如下：
图6为PWM控制电路，含两个部分，分别是基于芯片SG3525的PWM生成电路和逻辑控制电路。PWM生成电路包含电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R41、电容C11、电容C12、电容C13和芯片SG3525。逻辑控制电路包含与非门U13至U19，电容C14至C19，电阻R42至R51，二极管D3至D10，非门U22和U23，三极管T1和T2。芯片SG3525的输入为电流闭环PI调节器的输出信号，经过芯片SG3525后变为PWM脉冲信号，该PWM脉冲信号输入到逻辑控制电路，该电路将输入的PWM信号分解为两个互补的信号，可用于上、下两个桥臂的IGBT的驱动，实现相反的逻辑控制，该电路通过电容C16、C17、C18和C19，及与非门实现上、下两个桥臂驱动信号的死区。
如图7所示，基于模拟电子器件的驱动电路的实验平台，该实验平台将驱动电路的模拟电子器件设置在电路板上，电路板上设置有驱动电路的原理图和金属接触点，驱动电路的各模拟电子器件之间的连线布设在电路板的内部。具体如下：
图7为驱动电路，应用4个EXB840芯片驱动4个IGBT，输入信号与保护信号“与”逻辑后输入到EXB840芯片中，EXB840芯片具有保护功能，输出保护信号，另外，可由检测与保护电路板中输入保护信号，两个保护信号“与”逻辑后生成最终的保护信号，在正常运行状态下EXB840输出PWM驱动脉冲，在保护状态下，EXB输出低电平，封锁IGBT。需要注意的是4个EXB供电的+20V电源需要隔离，且与检测与保护板的供电源也是隔离的。第1路IGBT驱动电路包含电阻R52、R53和R54，电容C20和C21，二极管D10，光耦U24，驱动芯片EXB840，与门U26，三极管T3。其他3路IGBT驱动电路与第1路相似，在此不再赘述。
图8为本发明的一种电力电子SPWM逆变实验平台的实验方法流程图，用于设计实验平台器件参数。首先进行主电路参数选择和安装，然后进行控制电路的参数选择和安装。在正弦波发生电路中设计正弦波幅值，该值是指令电压；之后设计检测电路中低通滤波器的截止频率；安装PWM控制电路、PI调节器电路、驱动电路；选择PI调节器参数，然后开机启动，判断是否稳定，如果稳定证明电路调试成功，如果系统不稳定，在去选择其他PI调节器参数，直到系统稳定。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
电力电子SPWM逆变实验平台包含主电路和控制电路。设计主电路中的电源接线端子、单相变压器、二极管整流桥、电解电容、逆变桥、电感和负载参数，选择相关的器件安装在主电路安装板上。
分别设计正弦波发生电路、电压和电流检测电路、PI调节器电路、PWM控制电路和驱动电路参数，选择相对应的器件安装在控制电路板上。
按照使用和调试方法，调节正弦波发生电路的正弦波频率和幅值，实现指令电压，设计PI调节器中控制比例的电阻值和控制积分的电容值，使得控制闭环稳定，输出电压跟踪指令电压。
本发明可培养学生的综合分析能力和实验动手能力，除此之外，提高学生综合应用所学过的知识，从器件层面设计电力电子SPWM逆变实验。器件可安装的方式，可灵活更换器件来修改器件参数，有利于调试电路。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种电力电子SPWM逆变实验平台，其特征在于，所述实验平台包括：
主电路、主电路安装板、基于模拟电子器件搭建的控制电路和电路板；
所述控制电路与主电路中的SPWM逆变电路的控制端连接，用于控制所述主电路进行SPWM逆变；
所述主电路安装板用于可插拔的安装主电路中的各个电力电子器件；
所述电路板用于可插拔的安装控制电路中的各个模拟电子器件。
2.根据权利要求1所述的电力电子SPWM逆变实验平台，其特征在于，主电路安装板包括：电源的接线端子、主电路中各个电力电子器件的安装点及主电路中各个电力电子器件接线端子。
3.根据权利要求2所述的电力电子SPWM逆变实验平台，其特征在于，所述主电路安装板上还设置有主电路中各个电力电子器件的安装指引图。
4.根据权利要求3所述的电力电子SPWM逆变实验平台，其特征在于，电力电子器件的安装指引图包括电力电子器件的名称、轮廓和安装方向标识。
5.根据权利要求1所述的电力电子SPWM逆变实验平台，其特征在于，所述主电路包括：从输入到输出依次连接的电源us、变压器、二极管整流桥、SPWM逆变电路和负载；
所述SPWM逆变电路的一个输出端和负载的一端之间串联有滤波电感和测量电阻；
所述SPWM逆变电路的输入端并联有电解电容。
6.根据权利要求5所述的电力电子SPWM逆变实验平台，其特征在于，SPWM逆变电路包括桥式连接的IGBT模块V1、IGBT模块V2、IGBT模块V3和IGBT模块V4，及分别与IGBT模块V1、IGBT模块V2、IGBT模块V3和IGBT模块V4反向并联的二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3和二极管VD4。
7.根据权利要求1所述的电力电子SPWM逆变实验平台，其特征在于，所述控制电路包括基于模拟电子器件搭建的正弦波发生电路、检测电路、PI调节器电路、PWM控制电路和驱动电路；
正弦波发生电路与PI调节器电路连接，用于提供正弦电压指令信号；
检测电路分别与主电路中的测量电阻两端和主电路中的负载电阻的两端连接，所述检测电路还与PI调节器电路连接，用于获取测量电阻两端的电压值，并结合测量电阻的电阻值，计算流经测量电阻的电流值，作为电流反馈信号，获取负载电阻两端的电压值作为交流电压反馈信号，并将所述电流反馈信号和所述交流电压反馈信号发送给所述PI调节器电路；
所述PI调节器电路与所述SPWM逆变电路连接，所述PI调节器电路用于根据正弦电压指令信号、电流反馈信号和交流电压反馈信号，进行PI调节，生成调制波信号；
所述SPWM逆变电路与所述驱动电路连接，所述PWM控制电路用于根据所述调制波信号生成PWM控制信号，输出给所述驱动电路；
所述驱动电路与主电路中的SPWM逆变电路的控制端连接，用于根据PWM控制信号生成驱动信号，驱动所述SPWM逆变电路进行逆变。
8.根据权利要求7所述的电力电子SPWM逆变实验平台，其特征在于，所述正弦波发生电路、所述检测电路、所述PI调节器电路、所述PWM控制电路和所述驱动电路的各个模拟电子器件均可插拔的设置在电路板的金属接触点内；
所述正弦波发生电路、所述检测电路、所述PI调节器电路、所述PWM控制电路和所述驱动电路的各个模拟电子器件之间通过电路板内部的铜导线及金属接触点连接。
9.根据权利要求8所述的电力电子SPWM逆变实验平台，其特征在于，
所述电路板的上表面设置有所述正弦波发生电路、所述检测电路、所述PI调节器电路、所述PWM控制电路和所述驱动电路的电路原理图。
10.根据权利要求7所述的电力电子SPWM逆变实验平台，其特征在于，所述驱动电路包括4个EXB840芯片，4个所述EXB840芯片分别用于驱动主电路的SPWM逆变电路的四个IGBT模块。
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