单相交直交变频电路.doc

电力电子技术
课程设计(论文)
单相交-直-交变频实验装置

院（系）名称
电子与信息工程学院
专业班级

学号

学生姓名

指导教师

起 止 时 间： 2014.12.15—2014.12.26

课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电子与信息工程学院 教研室：电子信息工程
学 号

学生姓名

专业班级

课程设计（论文）题目
单相交-直-交变频实验装置
课程设计（论文）任务
任务要求：
设计一单相交-直-交变频实验装置用于电力电子技术课程的教学实验，根据参数要求完成整流电路设计、逆变电路设计、通过计算选择器件的具体型号、完成驱动电路设计或选择，使学生可以通过该装置测试、观察及验证单相交-直-交变频的实现方法。
技术要求：
1、交流电源：单相220V。
2、为了IGBT的安全，中间直流电压最大为50V。
3、输出交流电压约45V。
4、输出最大电流2A。
5、输出频率50Hz
6、最大功率：100W。
指导教师评语及成绩

平时成绩： 答辩成绩： 论文成绩：
总成绩： 指导教师签字
年 月 日
注：平时成绩占20%，答辩成绩占40%，论文成绩占40%。

本科生课程设计（论文）
摘 要
随着科学技术的进步，电力电子技术取得了迅速的的发展，改变着我国工业的整体面貌，在现代化建设中发挥着越来越重要的作用。其中，单相交-直-交变频技术也得到了越来越多的重视。其在工业生产、生活娱乐和仪器应用等方面有着广泛的应用，其中目前应用最广泛的属于电网互联，将分布式发电技术发出的电变成负载可以使用的交流电或与大电网电压、频率相匹配的工频交流电。可见，研究交—直—交变频系统的基本工作原理和作用特性意义十分重大。
本次设计研究的单相交-直-交变频实验装置可分为主电路和控制电路两部分。其中，主电路包括整流电路、逆变电路和滤波电路三部分。整流电路采用不可控的二极管单相桥式整流电路；逆变电路采用IGBT组成的单相全桥逆变电路；滤波电路采用电容滤波，输出合适频率的正弦交流电。而控制电路由控制电路、驱动电路和保护电路组成。其中，控制电路以ICL8038为核心，生成两路PWM控制信号；驱动电路采用三菱公司生产的M57862L集成驱动器；用双D触发器CD4013构成保护电路。
根据以上电路组合设计，经过Multisim软件进行电路仿真，可以基本满足本次设计任务的要求，且电路比较可靠。

关键词：整流；逆变；IGBT；PWM控制

目 录
第1章 第1章 绪论 1
1.1 电力电子技术发展概况 1
1.2 本文研究内容 1
第2章 单相交-直-交变频电路设计 3
2.1 单相交-直-交变频电路总体设计方案 3
2.1.1 方案论证与选择 3
2.1.2 整体方案框图 3
2.2 具体电路设计 4
2.2.1 整流电路设计 4
2.2.2 逆变电路设计 6
2.2.3 控制电路设计 7
2.2.4 驱动电路与保护电路设计 10
2.3 元器件型号选择 11
第3章 课程设计总结 13
参考文献 15
附 录 16

II
第1章 绪论
1.1 交直交变频器发展概况
变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。
交—直—交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当电动机处于制动 (发电)状态时，只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合，在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。
近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义。
1.2 本文研究内容
本文设计研究的是100W单相交-直-交变频实验装置。该装置主要由整流电路、逆变电路以及驱动电路等组成。
任务要求：
设计一单相交-直-交变频实验装置用于电力电子技术课程的教学实验，根据参数要求完成整流电路设计、逆变电路设计、通过计算选择器件的具体型号、完成驱动电路设计或选择，使学生可以通过该装置测试、观察及验证单相交-直-交变频的实现方法。
技术要求：
1、交流电源：单相220V。
2、为了IGBT的安全，中间直流电压最大为50V。
3、输出交流电压约45V。
4、输出最大电流2A。
5、输出频率50Hz。
6、最大功率：100W。

17

第2章 单相交-直-交变频电路设计
2.1 单相交-直-交变频电路总体设计方案
2.1.1 方案论证与选择
1.逆变电路方案论证与选择
方案一：采用电压型逆变电路
电压型逆变电路具有直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗的优点，且交流侧输出电压波形与负载阻抗角无关，比较容易得到合适的交流电压。
方案二：采用电流型逆变电路
电流型逆变电路需在直流侧串联大电感，且交流侧输出电压波形和相位随负载阻抗角的不同而不同，对于本次设计，可行性差。
综上比较，本次设计采用电压型逆变电路
2.整流电路方案论证与选择
方案一：采用二极管单相桥式整流电路

二极管单相桥式整流电路输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。
方案二：采用晶闸管单相桥式整流电路
晶闸管单相桥式整流电路适用于功率较大的场合。与二极管相比，晶闸管采购价格昂贵，易受干扰而发生误导通，且需要设计相应的触发电路，可行性不好。
本次设计输出功率为100W，从经济、可操作性两方面考虑，选择方案一。
2.1.2 整体方案框图
如图2.1所示，总体设计方案由整流电路、滤波、逆变电路等组成。市电经整流电路变为直流电，直流电经滤波电路进行平滑滤波，再输入逆变电路，变为频率和电压均可调的交流电。

单相桥式
整流电路
电压型
逆变电路
交流
输出
市电
交流

滤波

变压器

控制
电路

图2.1总体设计方案框图

2.2 具体电路设计
2.2.1 整流电路设计
直流电路的原理图如图2.2所示。

图2.2整流电路
在变压器二次侧电压的正半周，其极性为上正下负，此时二极管D1、D4正向导通，D2、D3反偏截止，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D4流回变压器。于是在负载电阻RL上得到一个极性为上正下负的半波电压。在导通时二极管的正向压降很小，可以忽略不计，因此，可认为这半波电压和的变压器二次侧电压正半波是相同的。
在变压器二次侧电压的负半周，其极性为上负下正，此时二极管D2、D3正向导通，D1、D4反偏截止，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D3流回变压器。同理，在负载上得到一个半波电压，极性依旧是上正下负，与前面得到的相同，如图2.3所示。

图2.3整流电路输出波形一

所得到的半波电压经过电容滤波电路的滤波，便可得到较为平缓的直流电压，如图2.4所示。

图2.4整流电路输出波形二

2.2.2 逆变电路设计
在本次设计中，主要采用单相桥式逆变电路作为设计的主电路。其主电路结构图如图2.5所示：

图2.5单相桥式逆变电路
如上图所示，单相全桥逆变电路主要有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。其中桥臂1,4为一对，桥臂2，3为一对。每个桥臂由一个可控器件IGBT以及一个反并联的二极管组成。在直流侧接有足够大的电容，负载接在桥臂之间。
它的具体工作过程如下：设最初t1时刻时，给IGBT Q1、Q4触发信号，使其导通。 则电流通过桥臂1，负载，桥臂4构成一个导通回路。当t2 时刻时，给Q2,Q3触发信号，给Q1,Q4关断信号。但由于负载电感较大，通过它的电流不能突变，所以二极管D2,D3导通进行续流。当电流逐渐减小为0，桥臂1,4关断，桥臂2,3导通，构成一个回路，从而实现换流。
当Q1、Q4或Q2、Q3为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当D6、D8或D5、D7为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能量向直流侧反馈。反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。
单相桥式逆变电路工作波形如图2.6所示。

图2.6单相桥式逆变电路工作波形
分析其工作过程：设在t1时刻前Q1和Q4导通，输出电压Uo为Ud，t1时刻Q3和Q4栅极信号反向，Q4截止，而因负载电感中电流不能突变，Q3不立刻导通，D7导通实现续流。因为Q1和D6同时导通，所以输出电压为0。到t2时刻Q1和Q2栅极信号反向，Q1截止，而Q2不能立刻导通，D5续流，和D7构成电流通道，输出电压-Ud。到负载电流过零并开始反向时，D5和D7截止，Q2和Q3开始同时导通，仍然为-Ud。在t3时刻Q3和Q4栅极信号再次反相，Q3截止，而Q4不能立刻导通，D8导通续流，Uo再次为0。以后的过程与前面类似。
2.2.3 控制电路设计
1.PWM控制原理
PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
PWM控制的方法可分为三类,即计算法、调制法和跟踪控制法。其中,调制法是较为常用的也是基本的一类方法,而调制法中最基本的是利用三角载波与正弦信号波进行比较的调制方法,分为单极性调制和双极性调制。本次设计采用的单相桥式逆变电路既可以采用单极性调制,也可以采用双极性调制。在本次设计中,采用了双极性PWM调制技术。以下是双极性PWM调制的原理。 

双极性PWM 控制原理示意图如图2.7所示。采用双极性PWM调制技术时，以希望得到的交流正弦输出波形作为信号波，采用三角波作为载波，将信号波与载波进行比较,在信号波与载波的交点时刻控制各开关的通断。在信号波的一个周期内,载波有正有负，调制出来的输出波形也是有正有负，其输出波形有±Ud两种电平。用Ur表示信号波,，Uc表示载波。当Ur>Uc 时，给Q1、Q4施加开通驱动信号，给Q2 、Q3 施加关断驱动信号，此时如果负载电流io>0 则Q1 、Q4 开通，如果io < 0，则D6 、D8开通,但输出电压均为Uo=Ud 。反之，则Q2、Q3或D5、D7开通，Uo= -Ud 。图2.8中，Uof是输出电压Uo的基波分量。

图2.7双极性PWM控制方式波形
2.控制电路设计
控制电路的工作流程是:信号发生(包括产生信号波和载波) 、信号调制、产生IGBT的驱动信号。附录图2给出了控制电路的原理图。 
在本实验中，控制电路采用两片集成函数信号发生器ICL8038为核心，其中一片产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM波。Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波，作为主电路中两对开关管IGBT的控制信号。控制电路还设置了过流保护接口端STOP，当有过流信号时，STOP呈低电平，经与门输出低电平，封锁了两路SPWM信号，使IGBT关断，起到保护作用。 
ICL8038 是精密波形发生器,它产生的波形的频率可以从0.001Hz 到300Hz。其内部结构如图2.8所示。

图2.8 ICL8038内部结构图
原理：是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM波。Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器MC4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波。

2.2.4 驱动电路与保护电路设计
电力电子器件的驱动电路是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影响。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩小开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。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尤为重要。
本次设计采用了三菱公司生产的专用于驱动IGBT的驱动器M57962L。它的内部集成了退饱和、检测和保护单元，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。其内部结构方框图如图2.9所示，它由光电耦合器、接口电路、检测电路、定时复位电路以及门极关断电路组成。M57962L具有以下几个特点：
1.采用快速型光电耦合器实现电气隔离，具有较高的输入、输出隔离度。
2.采用双电源供电方式，确保IGBT可靠通段。
3.内部集成了短路和过流保护电路。M57962L的过流保护电路通过检测IGBT的饱和压降来判断是否过流，一旦过流，M57962L将对IGBT实施软关断，并对外部电路输出故障信号。

图2.9 M57962L的内部结构图

采用M57962L设计的驱动电路如图2.10所示。

图2.10驱动电路
2.3 元器件型号选择
根据任务要求，可知直流侧输出电压最大为50V，交流侧输出电压约为45V，输出最大电流为2A，最大功率为100W。
1.整流电路器件选择
当直流侧输出电压最大时，由于
(2-1)
计算得变压器二次侧电压≈55.6V。所以变压器匝数比
(2-2)
计算得K≈4，本设计取K=5。
二极管所承受最大电压
(2-3)
一般电网的波动范围为±10%，所以二极管两端电压为
=1.1××55.6≈86.5V，可额定电压、额定电流分别为100V、3A的1N5408二极管。
2.IGBT型号的选择
IGBT两端所承受的最大电压为
=×50≈70.7V
负载最大电流为2A，选择IGBT时电压电流应留有2至3倍的裕量，所以可选IGBT的额定电压、额定电流分别为
=3×70.7=212.1V，=3×2=6A；可选择额定电压、额定电流分别为400V、5A的型号为2N6975的IGBT。

第3章 课程设计总结
课程设计是大学必修的一门课，是我们专业知识得到实践的必要环节，这是我们步入社会，从事职业前必不可少的过程。
单相交-直-交变频电路由主电路和控制电路两部分组成。在整流电路中，采用不可控的二极管整流电路，直流输出侧用电容进行滤波，可得到较为平直的直流电压。此部分电路结构简单，选材广泛，且能满足设计要求，比较适合实验室中使用。控制电路以两片ICL8038为核心搭建，其中一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，再经过相应电路处理，最终产生两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波。驱动电路以IGBT专用驱动器M57962L为核心搭建，并利用其自带的过流检测功能设计保护电路。经Multisim软件进行仿真，此次设计能基本满足设计要求。
在设计进行的过程中，由于知识限制，自己也遇到了许多问题，但得到了指导老师们的细心辅导与耐心帮助。老师们的辅导与答疑，使自己得以顺利地完成此次设计。当然，由于水平有限，此次设计难免会有不足之处，恳请各位老师批评指正。

本人签字：
参考文献
[1] 王兆安,刘进军主编.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2009,5
[2] 李宏.MOSFET、IGBT驱动集成电路及应用.北京:科学出版社,2012
[3] 康华光主编.电子技术基础模拟部分.北京:高等教育出版社,2006,1
[4] 冷增祥,徐以荣编著.电力电子技术基础.南京:东南大学出版社,2012
[5] 曾方主编.电力电子技术.西安:西安电子科技大学出版社,2014,1
[6] 郝万新主编.电力电子技术.化学工业出版社，2002

附 录

图1主电路

图2控制电路

图3驱动电路

图4保护电路

图5整体仿真波形