单相桥式逆变电路的设计.doc

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 电力电子技术课程设计说明书 单相桥式逆变电路的设计 学 院： 电气信息与工程学院 学生姓名： 刘子豪 指导教师： 肖文英 职称 副教授 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气1505班 学 号： 15030720554 完成时间： 2018年6月 湖南工学院电力电子技术课程设计课题任务书学院： 电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化专业自动化专业 指导教师肖文英学生姓名刘子豪课题名称单相桥式逆变电路的设计内容及任务一、设计任务设计一个单相桥式逆变电路，已知直流输入电压100V，负载自拟，要求交流输出电压频率范围在3060HZ，电压3050V范围可调，其它性能指标自定。二、设计内容1、关于本课程学习情况简述；2、主电路的设计、原理分析和器件的选择；3、控制电路的设计；4、保护电路的设计； 5、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。主要参考资料1 王兆安,王俊编.电力电子技术(第5版).北京:机械工业出版社,20122 黄俊,秦祖荫编.电力电子自关断器件及电路.北京:机械工业出版社,19913 李序葆,赵永健编.电力电子器件及其应用.北京:机械工业出版社,1996教研室意见 教研室主任：（签字）年 月 日摘 要在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要把这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电动机调速用的变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。本次设计采用的是PWM型逆变电路。为了对PWM型逆变电路进行分析，首先建立了逆变器控制所需的电路模型，采用IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和PWM控制电路的工作原理进行了分析，运用MATLAB中的SIMULINK对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并运用MATLAB提供的powergui模块对仿真波形进行了FFT分析（谐波分析）。通过仿真分析表明，运用PWM控制技术可以很好的实现逆变电路的运行要求。在本次设计中我主要负责设计过程中搜集资料、数据的计算以及相关文档的整理。关键词：逆变电路；PWM控制技术；换流目录1 绪论12 课程设计的方案22.1 概述22.2 系统组成方案22.2.1 单相桥式整流电路的结构22.2.2 单相桥式无源逆变电路的结构33 主电路设计43.1 单相桥式整流主电路43.1.1 单相桥式整流主电路图43.1.2 工作原理43.2 单相桥式无源逆变电路主电路53.2.1 单相桥式整流电路主电路图53.2.2 工作原理63.3 主要元器件的选择 64 控制电路设计94.1 单相桥式整流电路控制94.1.1 触发电路94.1.2 保护电路104.2 单相桥式无源逆变电路控制电路114.2.1 驱动电路114.2.2 保护电路125 MATLAB仿真145.1 单相桥式整流电路的仿真145.2 单相桥式无源逆变电路的仿真176 课程设计总结19参考文献20III1. 绪论整流电路就把交流电转换为直流电的电路。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定，其作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。另外，还有采用全控型器件的电路，其主要控制方式为PWM脉宽调制式，后来，又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC），随着全控型电力电子器件的发展，电力电子电路的工作频率也不断提高。同时，电力电子器件的开关损耗也随之增大，为了减小开关损耗，软开关技术便应运而生，零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）把电力电子技术和整流电路的发展推向了新的高潮。逆变电路与整流电路相对应，是把直流电变成交流电的电路。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；而无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载，即将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。另外，逆变电路输出电压基波方均根值随外加控制信号电压的大小作连续调节。逆变电路的基本功能固然是将直流电能改变成所需频率的交流电能，但含逆变电路的工业特殊交流电源，除了必须具备变频功能之外，还要求其出端电压在一定范围内连续可调。例如：交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。再例如，为了防止交流电动机磁路饱和，用于变频调速的电源输出电压需要与工作频率同步调节,以保持U/f值为常数（其中U为电源输出基波电压方均根值,f为工作频率）。为了适应不同工件和工艺规范的需要，用于感应加热的电源输出功率需要在一定范围内连续可调（相当于电源输出电压可调）。为了在电网和负载波动条件下维持输出电压恒定，各种恒压电源（如不停电电源等）必须具备输出电压快速调节的功能等等。2. 课程设计的方案2.1 概述本次设计主要设计单相桥式整流电路和单相全桥无源逆变电路。这两个电路在电力电子这门课程中算是比较简单的电路，但同时也是基础型的电路。这次设计不仅可以更直观的了解电路的工作情况和各个器件的工作原理，使自己对电力电子知识的掌握更加清晰、牢固。同时可以通过对比来分辨两个电路的不同作用。整流电路要求输入单相电网220V，输出电压0100V，电阻性负载，R=20欧姆，通过设计整流电路并按照要求参数进行仿真，可以得到相应的波形。逆变电路要求单相全桥无源逆变，输出功率200W，输出电压100Hz方波，应采用无源方波逆变电路，通过对参数的正确设置，就可以仿真出所求波形。2.2 系统组成总体结构2.2.1 单相桥式整流电路的结构单相桥式整流电路在输入单相电源后经过变压器带动驱动电路使晶闸管处于通状态来控制整流电路的通断，整流电路与负载相连得到整流后的波形，保护电路在整个过程中保证电路的正常运行，防止过压或过流情况的发生。图2.1 单相桥式整流电路的结构2.2.2 单相全桥无源逆变电路的结构 无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载，即将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。直流侧与电源相接，通过滤波电路得到需要的电压范围，整流电路将直流电压转换成交流电，输出给负载，控制电路全程逆变控制电路的通断。图2.2 单相桥式无源逆变电路的结构3. 主电路设计3.1 单相桥式整流电路主电路3.1.1 单相桥式整流主电路图图3.1 单相桥式整流主电路图3.1.2 工作原理如上图所示，晶闸管VT1和VT2组成一对桥臂，晶闸管VT4和VT3组成另一对桥臂。当u2为正半周时，在t= 瞬间给VT1和VT4以触发脉冲，则电流i2从aVT1RdVT4b,VT2和VT3均承受反向电压而关断；在电源电压u2的负半周期时，仍在控制角时刻触发VT2和VT3，电流i2从bVT3RdVT2a,如此一个个周期周而复始地重复、循环。由于单相桥式整流电路直流电压在一个周期内有两个波头，故整流电压平均值可按下式计算：当=0时，晶闸管全导通，相当二极管的不可控整流，Ud=0.9U2为最大值； 当=90时，Ud=0，为最小值，可见，其移相范围为90。对电路来说,晶闸管的选取会影响到电路的功能和输出,因此,晶闸管的参数的选取十分重要,决定晶闸管性能的主要参数有:主要电压参数包括断态重复峰值电压,反向重复峰值电压,反向击穿电压,通态平均电压和断态电压临界上升率。主要电流包括通态平均电流，断态平均电流，维持电流，掣住电流和浪涌电流等。因此，出于对电路输出的考虑，选取KP1型晶闸管，其主要参数为：通态正向平均电流It为1av,断态正反向重复峰值电压Udrn,Udrrm为50160V，门极触发电压Vgt为2.5V，门极触发电流Igt为 20mA。根据以上参数可求得晶闸管承受的最大正、反向电压都是U2。 流过每个晶闸管的电流平均值和有效值公式分别为3.2 单相桥式无源逆变电路主电路3.2.1 单相桥式无源逆变主电路图图3.2 单相桥式无源逆变主电路图3.2.2 工作原理单相桥式无源逆变电路如上图所示，从图中可看出，它由两对桥臂组合而成，VT1和VT4构成一对导电臂，VT2和VT3构成另一对导电臂，两对导电臂交替导通180度。其工作过程如下：t=0时刻以前，VT2、VT3导通，VT1、VT4关断，电源电压反向加在负载上，Uo =-Ud。在t=0时刻，负载电流上升到负的最大值，此时关断VT2、VT3，同时驱动VT1、VT4，由于感性负载电流不能立即改变方向，负载电流经VD1、VD4续流，此时，由于VD1、VD4导通，VT1、VT4受反压而不能导通。负载电压Uo=+Ud。在t=t1时刻，负载电流下降到0，VD1、VD4自然关断，VT1、VT4在正向电压作用下开始导通。负载电流正向增大，负载电压0u=+Ud。在t=t2时刻负载电流上升到正的最大值，此时关断VT1、VT4，并驱动VT2、VT3，同样，由于负载电流不能立即换向，负载电流经VD2、VD3续流，负载电压0u=-Ud。在t=t3时刻，负载电流下降到0，VD2、VD3自然关断，VT2、VT3开通，负载电流反向增大时，0u=-Ud。在t=t4时刻，负载电流上升到负的最大值，完成一个工作周期。从图2-2知，单相全桥逆变电路的输出电压为方波，定量分析时，将0u展开成傅立叶级数，得其中，基波分量的幅值Uolm和有效值Uol分别为：Uolm=1.27Ud Uol=0.9Ud3.3 主要元器件选择单相桥式全控主电路中最重要的元器件是晶闸管，晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。其外型有螺栓型和平板型两种封装，引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。选择时主要考虑其参数和选取原则： 晶闸管的主要参数如下：额定电压通常取和中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 （1） 额定电流IT(AV) IT(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40和规定的冷却条件下元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值 ,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。 ：额定电流有效值，根据管子的IT(AV) 换算出，、 三者之间的关系：（2） （3）波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值与平均值之比称为该波的波形系数，用表示:（4） 额定状态下， 晶闸管的电流波形系数: （5） 晶闸管承受最大电压为考虑到2倍裕量，取400V.晶闸管的选择原则： 、所选晶闸管电流有效值 大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。 、选择时考虑（1.52）倍的安全余量。即 1.57 IT(AV) （1.5ITM （6） 因为,则晶闸管的额定电流为=10A(输出电流的有效值为最小值，所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,取20A.即晶闸管的额定电流至少应大于20A. （7）在本次设计中我选用4个KP20-4的晶闸管.2）变压器的选取 根据参数计算可知:变压器应选变比为2,容量至少为24.2VA4. 控制电路设计4.1 单相桥式整流电路控制电路4.1.1 单相桥式整流电路触发电路1.电路图图4.1 单相桥整流电路触发电路图2.晶闸管触发电路工作原理（1）由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。（2）当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。（3）VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。（4）为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。晶闸管触发电路应满足下列要求：A、触发脉冲的宽度应该保证晶闸管的可靠导通，对感性和反电动势负载的变流器采用宽脉冲或脉冲列触发，对变流器的启动，双星型带平衡电抗器电路的触发脉冲应该宽于30，三相全控桥式电路应小于60或采用相隔60的双窄脉冲。B、脉冲触发应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的35倍，脉冲前沿的陡度也要增加。一般需达1-2A/us所提供的触发脉冲不应超过晶闸管门极的电压、电流和额定功率，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。并且应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及主电路的电气隔离。4.1.2 单相桥式整流电路保护电路1.工作原理 设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。过电压保护的电压保护的方法是采用电子电路进行保护。2.电路图图4.2 单相桥式整流保护电路图4.2 单相桥式逆变电路控制电路的设计4.2.1 驱动电路1.功能介绍电力电子器件的驱动电路时电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使电流电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全都有重要的意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计更为重要。IGBT 的驱动多采用专用的混合集成驱动器。常用的有三菱公司的 M579 系列（如 M57962L 和 M57959L）和富士公司的 EXB 系列（如 EXB840、EXB841、EXB850 和 EXB851）。同一系列的不同型号其引脚和接线基本相同，只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同。下图给出了M57962L 的接线图和引脚图。这些混合集成驱动器内部都具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断 IGBT，并向外部电路给出故障信号。M57962L 输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为-10V。2.电路图M57962L 的接线图：图4.3 单相桥式逆变驱动电路图M57962L 的引脚图：M57962L 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 图4.4 M57962L 的引脚图3.工作原理当控制电路使M57962L输入端13和14脚有10mA的电流时光耦IC1导通，A点电位迅速下降至VEE，使IC2A的2脚输出为高电平Vcc，则三极管V2、V4导通，V3、V5截止，使V7导通，Vcc加到R17上，同时由R18/(R17+R18)大于R16/(R15+R16)，导致IC2D的13脚为低电位，V6截止，R4/(R3+R4)大于R16(R15+R16)使IC2B的13脚截至，故IC2的14脚为高电平V1，截止，M57962L的8脚不输出故障信号。在M57962L输入端13和14无电流时，IC1截止，A点电位上升使IC2A的2脚变为低电位，则使V3、V5导通，V2、V4截止。lGBT的门极(GATE)通过V5导通到VEE，而使IGBT关断。IC2C的14脚输出为低电平，使V1、V7导通，使IC2B、IC2D保持原先状态不变。4.2.2 保护电路1.功能介绍在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt 保护和 di/dt 保护也是必要的。这里主要讲述 IGBT 的过电压保护。2.电路图图4.5 单相桥式逆变保护电路图3.工作原理电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压。2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。可采用图4.5所示的反向阻断式 RC 电路。有关保护电路的参数计算可参照相关的工程手册。采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施。5. MATLAB仿真Matlab 被誉为三大数学软件之一，它在数学类科技应用软件中在数值方面首屈一指。Matlab 可以进行矩阵、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域，受到各个研究领域的推崇和关注。本文也采用 MATLAB 软件对研究结果经行仿真，以验证结果是否正确。5.1 单相桥式整流电路的仿真1. 整流仿真电路图要求电路单相电网220V，输出电压0100V，电阻性负载，R=20欧姆，设置参数如下：交流电网为220V，脉冲幅值为20，脉冲周期0.02s,占空比为20%，延迟时间的设置根据公式（触发角/360）*0.02来设置。图5.1 单相桥式整流仿真电路图2. 仿真波形当触发角=30度时，波形如下图：图5.2 单相桥式整流触发角为30度电路图当触发角=60度时，波形如下图：图5.3 单相桥式整流触发角为60度电路图当触发角=90度时，波形如下图图5.4 单相桥式整流触发角为90度电路图5.2 单相桥式无源逆变电路的仿真1.参数设置设计主要参数：单相全桥无源逆变，此采用电阻负载，直流侧输入电压=100V,脉宽为=90的方波，输出功率为200W，电容和电感都设置为理想零状态。频率为100Hz。由频率为100Hz即可得出周期为T=0.01s，由于V3的基波信号比V1的落后了90度（即相当1/4个周期）。通过换算得：t3=0.001/4=0.0025s，而t1=0s。同理得：t2=0.001/2=0.005S,而t4=0.00075S。由理论情况有效值：Uo=Ud/2=50V。又因为P=200W所以有电阻：R=Uo*Uo/P=12.5则输出电流有效值：Io=P/Uo=4A2.电路图图5.5 单相桥式逆变仿真电路图3. 仿真波形图5.6 单相桥式逆变输出波形电路图如上图所示，波形从上到下依次为负载电流：最大值为8A的方波。负载电压：最大值为100V，波形与负载电流相同VT4的触发脉冲波形：幅值为5，周期0.01s.VT4电流波形：最大值8A，最小值0AVT4电压波形：最大值100V，最小值0V。6. 课程设计总结我这次电力电子技术课设主要设计单相整流和逆变电路并进行仿真，让我有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中，并通过对知识的综合运用，进行必要的分析、比较，从而进一步验证了所学的理论知识。同时，这次课程设计，还让我知道了最重要的是心态，在刚开始会觉得困难，但是只要充满信心，就肯定会完成的。通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计过程中，我更进一步地熟悉了单相整流电路和逆变电路的原理和并深入了解了两者的不同之处，对它们的认识不再仅仅停留在表面，而是真正明白了两者的用途。当然，在这个过程中我也遇到了困难，查阅资料，相互通过讨论。我准确地找出了错误并及时改正，不但使我的实践能力得到进一步提高，也让我在以后的工作学习有了更大的信心。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合，从实践中得出结论，从而提高了自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计中遇到了不少困难，但也让我学到了一些课本上没有的知识，进一步的提高了我的能力。让我收获最大的是我发现了自己对以前的知识理解的不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次，我把以前所学的知识重新温故，巩固了所学知识，让我受益匪浅。参考文献1 王兆安，黄俊.电力电子技术（第四版）.北京：机械工业出版社，2001：25-362 王文郁，电力电子技术应用电路.北京：机械工业出版社，2001：115-1263 李宏，电力电子设备用器件与集成电路应用指南.北京：机械工业出版社，2001：200-2064 石玉，栗书贤，王文郁.电力电子技术题例与电路设计指导. 北京：机械工业出版社，1999：85-965 赵同贺等.新型开关电源典型电路设计与应用.北京：机械工业出版社，2010：77-796 林飞，杜欣.电力电子应用技术的 MATLAB 仿真.北京：中国电力出版社，2009：25-267 阮 忠，林金表. 综合电子电路应用指南.机械工业出版社.1998：115-1208 周明宝，瞿文龙.电力电子技术.机械工业出版社.2002：94-1009 李序葆 ，赵永建.电力电子器件及应用.机械工业出版社.2005：43-5610 汪槱生， 周鹤良.中国电工科学.电力电子. 2009 年，第 43 卷第 12 :12-2511 刘永波. 电力电子器件.电工技术. .2000年，第 32 卷第 25 期：6-1112 张莉莉，杨凯. 功率半导体器件. 中国电工 .2013年，第六期:14-2513 董丽颖，魏谨.常用晶闸管触发器.科学出版社.2011年1月:26-2714 李宏. 集成电路及应用.电力与电工.2003年，第五期:3-715 张红梅. 电力设计.华电技术.2012，年第8期:10-1416 秦鲁海，郭海龙. 晶体管的应用.电气时代. 2005年，第12卷第9期:15-1820