電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 三相半波有源逆變電路研究

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)班級(jí)建電1001學(xué)號(hào)*姓 名*揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院電氣及自動(dòng)化工程二零一三年一月任務(wù)書(shū)一 課程設(shè)計(jì)的目的與要求1進(jìn)一步熟悉和掌握電力電子原器件的特性；2進(jìn)一步熟悉和掌握電力電子電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理；3掌握電力電子電路設(shè)計(jì)的基本方法和技術(shù)，掌握有關(guān)電路參數(shù)的計(jì)算方法；4培養(yǎng)對(duì)電力電子電路的性能分析的能力；5培養(yǎng)撰寫(xiě)研究設(shè)計(jì)報(bào)告的能力。通過(guò)對(duì)一個(gè)電力電子電路的初步設(shè)計(jì)，鞏固已學(xué)的電力電子技術(shù)課程的理論知識(shí)，提高綜合應(yīng)用能力，為今后從事電力電子裝置的設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)。二 課程設(shè)計(jì)題目三相半波有源逆變電路研究三 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容1 主電路方案確定 2 繪制電路原理圖、分析理論波形

2、3 器件額定參數(shù)的計(jì)算4 建立仿真模型并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)6 電路性能分析：輸出波形、器件上波形、參數(shù)的變化、諧波分析、故障分析等四 仿真軟件的使用1 MATLAB (推薦)Simulink 是The Math Works公司的產(chǎn)品，可在MATLAB環(huán)境下建立系統(tǒng)框圖和仿真的模塊庫(kù)，其功能非常強(qiáng)大，可用于電力電子系統(tǒng)的仿真，模塊庫(kù)中提供了大量的電力電子模型。其具體使用方法和相關(guān)電力電子模型的建立、仿真等請(qǐng)參閱課程設(shè)計(jì)教材。2 PSPICE在電力電子系統(tǒng)中，需要應(yīng)用大功率開(kāi)關(guān)器件，因此對(duì)工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)對(duì)所設(shè)計(jì)的電路最好能通過(guò)計(jì)算機(jī)分析和仿真，不斷修改和完善電路，這樣做的好處可避免元器件損耗，節(jié)省費(fèi)用

3、，縮短設(shè)計(jì)周期，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。不過(guò)計(jì)算機(jī)分析和仿真只能作為一個(gè)工具，電路是否真正達(dá)到要求的性能指標(biāo)，最終還必須通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。PSPICE (PersonaI Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是 Microsim 公司的產(chǎn)品，它能在PC機(jī)上工作。特點(diǎn)是精度高，圖形功能強(qiáng)，應(yīng)用廣。學(xué)生可選擇一種仿真工具進(jìn)行本次課程設(shè)計(jì)。五 撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)報(bào)告必須包括以下方面的內(nèi)容：1 課程設(shè)計(jì)報(bào)告的題目2 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容3 所設(shè)計(jì)電路的工作原理(包括電路原理圖、理論波形)4 電路的設(shè)計(jì)過(guò)程5 各參數(shù)的計(jì)算6 仿真模型的建立，仿

4、真參數(shù)的設(shè)置7 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，列舉仿真結(jié)果8 對(duì)仿真結(jié)果的分析9 結(jié)論六 課程設(shè)計(jì)提交內(nèi)容1 課程設(shè)計(jì)報(bào)告(包括紙版和電子版)2 仿真模型(電子版)目錄1引言11.1逆變的應(yīng)用11.2逆變的分類(lèi)11.3有源逆變產(chǎn)生的條件12主電路設(shè)計(jì)及工作原理22.1總體框架圖22.2主體電路圖22.3 工作原理33單元電路設(shè)計(jì)33.1 觸發(fā)電路33.2波形觀察電路43.3設(shè)計(jì)電路圖54參數(shù)計(jì)算55仿真波形圖65.1阻感負(fù)載65.2電阻負(fù)載75.3波形分析86結(jié)論97參考文獻(xiàn)91 引言1.1逆變的應(yīng)用隨著科技的快速發(fā)展，逆變電路已經(jīng)越來(lái)越多的出現(xiàn)在人們的生活中。目前，逆變電路的已經(jīng)在很多領(lǐng)域應(yīng)用到，比如電腦、

5、電視、洗衣機(jī)、空調(diào)、家庭影院、電動(dòng)砂輪、電動(dòng)工具、縫紉機(jī)、錄像機(jī)、按摩器、風(fēng)扇、照明、交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。它的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。1.2逆變的分類(lèi)逆變與整流相對(duì)應(yīng)，是把直流電能經(jīng)過(guò)直交變換，向交流電源反饋能量的變換電路。當(dāng)交流側(cè)接電網(wǎng)，稱為有源逆變，當(dāng)交流側(cè)接負(fù)載，稱為無(wú)源逆變。當(dāng)直流側(cè)是電壓源，稱為電壓源型逆變電路，當(dāng)直流側(cè)是電流源，又稱為電流源型逆變電路，電壓型逆變電路輸出電壓是矩形波，電流型逆變電路輸出電流是矩形波。全控整流電路既能工作在整流方式，又能

6、工作在有源逆變方式，即電路在一定條件下，電能從ACDC；在另外條件下，電能又可以從DC返回AC。1.3 有源逆變產(chǎn)生的條件（1）負(fù)載側(cè)存在一個(gè)直流電源E，由它提供能量，其電勢(shì)極性與變流器的整流電壓相反，對(duì)晶閘管為正向偏置電壓。（2）變流器在其直流側(cè)輸出應(yīng)有一個(gè)與原整流電壓極性相反的逆變電壓u，其平均值U<E，以吸收能量，并將其能量饋送給直流電源。（3）晶閘管的控制角>90°，使輸出電壓為負(fù)值。2主電路設(shè)計(jì)及工作原理2.1總體框架圖總體工作原理說(shuō)明，交流電給主電路的晶閘管和觸發(fā)電路供電，觸發(fā)電路觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，由于直流電源電壓大于交流電源平均電壓，故能量由直流電源側(cè)流向交流

7、電源側(cè)。2.2主體電路圖（用protues繪制）圖2 主電路圖主電路分析，由3個(gè)相位依次相差120的交流電源組成三相交流電源，并分別于三個(gè)晶閘管相連，三個(gè)晶閘管共陰極連接，負(fù)載為電阻、電感、直流電源，直流電源與晶閘管正向?qū)ǚ较蛞恢隆?.3 工作原理三相半波有源逆變電路帶電阻電感負(fù)載時(shí)，負(fù)載直流電源對(duì)晶閘管正向偏置電壓，電路觸發(fā)脈沖控制角移相范圍在之間，即逆變角范圍是。在某時(shí)刻（本題）VT1觸發(fā)導(dǎo)通，由于直流電源的作用，即使VA相電壓為負(fù)，VT1仍能導(dǎo)通。接下來(lái)VT2，VT3依次落后導(dǎo)通。VT1、VT2、VT3依次導(dǎo)通,因?yàn)橹绷麟娫措妷捍笥诮涣麟娫雌骄妷?，電能由直流轉(zhuǎn)換為交流，實(shí)現(xiàn)了有源逆變

8、。3 單元電路設(shè)計(jì)3.1 觸發(fā)電路觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管開(kāi)關(guān)可靠導(dǎo)通（門(mén)極電流應(yīng)大于擎柱電流），觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，不超過(guò)門(mén)極電壓、電流和功率，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)，應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。晶閘管可控整流電路，通過(guò)控制觸發(fā)角a的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來(lái)控制輸出電壓大小。為保證相控電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角a的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。圖3觸發(fā)電路3.2波形觀察電路控制輸出電壓大小。為保證相控電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角a的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。如上圖為觸發(fā)電路。由三片集成觸發(fā)

9、電路芯片KJ004和一片集成雙脈沖發(fā)生器芯片KJ041形成六路脈沖，再由六個(gè)晶閘管進(jìn)行脈沖放大，即構(gòu)成完整的觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)用接插線與主電路各晶閘管鏈接。該電路可分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個(gè)環(huán)節(jié)。在物理學(xué)上常用的觀察波形的器件是示波器，在matlab軟件中，也是使用虛擬的scope（示波器）作為電路的輸出波形觀察裝置。示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。它能把肉眼看不見(jiàn)的電信號(hào)變換成看得見(jiàn)的圖象，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過(guò)程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)。在被測(cè)信號(hào)的作用下，電子束就好像一支

10、筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測(cè)試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。在軟件中，將需要觀察的物理量通過(guò)電壓表或電流表進(jìn)行量化，然后將電壓表或電流表的輸出段端接到示波器的輸入端，通過(guò)運(yùn)行，便可直觀的看到所要測(cè)得的器件兩端的物理量。3.3設(shè)計(jì)電路圖原理圖4 參數(shù)計(jì)算(1) 實(shí)驗(yàn)電源選擇 100V/50HZ三相電源，相位互差120度。(2) 晶閘管參數(shù)設(shè)置Ron=0.001，Lon=0.5mH,Vf=0V,Rs=10,Cs=4.7*10-6F(3) 負(fù)載參數(shù)的設(shè)置a) 阻感負(fù)載R=6，L=0

11、.08H,C=infb) 電阻負(fù)載R=6(4) 直流電源DC=120V(5) 脈沖發(fā)射器模塊（pulse）的參數(shù)設(shè)置當(dāng)a=60度，pulse延遲0.00500s，pulse1延遲0.01167s，pulse2延遲0.01833s；當(dāng)a=90度，pulse延遲0.00667s，pulse1延遲0.01333s，pulse2延遲0.02000s；當(dāng)a=120度，pulse 延遲 0.00833s，pulse1 延遲 0.01500s，pulse2 延遲0.021667s。周期T=0.02s，脈寬10%，高度為1。5仿真波形圖5.1阻感負(fù)載a=120度a=90度a=60度5.2電阻負(fù)載a=60度a=

12、90度a=120度5.3 波形分析根據(jù)上面的波形圖，可以看出在輸入電源的正弦波一個(gè)周期內(nèi)，輸出波有三個(gè)周期。由此可知，圖形中的三個(gè)晶閘管分別各自輪流導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間是120°，關(guān)斷時(shí)間240。并有3個(gè)觸發(fā)脈沖。波形上輸出電壓在負(fù)半軸，與逆變結(jié)果相應(yīng)。阻感負(fù)載時(shí)由于負(fù)載接大電感，輸出電流波形近似直線。6結(jié)論有源逆變電路實(shí)質(zhì)上是整流電路工作于移相控制角大于90度，且存在一個(gè)極性與晶閘管到同方向一致的反電動(dòng)勢(shì)時(shí)的特殊情況，a=90度時(shí)是整流與逆變交界時(shí)的波形。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我從不懂到逐漸了解，再到基本學(xué)會(huì)使用Matlab仿真，它是與我們專(zhuān)業(yè)密切聯(lián)系的軟件。其中掌握了用Matlab對(duì)電力電子電路進(jìn)行仿真，觀察波形，調(diào)整參數(shù)等操作。當(dāng)然這次實(shí)驗(yàn)有遇到了不少的困難，也出現(xiàn)了不少的錯(cuò)誤，反映出基礎(chǔ)知識(shí)的某些地方還有薄弱的地方。通過(guò)自己查找資料，苦心探索實(shí)踐，與同學(xué)討論學(xué)習(xí)，使我進(jìn)步了許多，學(xué)到了很多東西。不論是在基礎(chǔ)理論上還是思維能力、動(dòng)手能力上都有了比較大的提高。很高興有這么一次課程設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，我想它將對(duì)以后的學(xué)習(xí)和今后的工作帶來(lái)一定的好處。電力電子技術(shù)既是一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課程，也是實(shí)用性很強(qiáng)的一門(mén)課程。因此，電力電子裝置的應(yīng)用是十分重要的。電力電子裝置提供給負(fù)載的是各種不同的直流電源，恒頻交流電源和變頻交流電源，因此也可以說(shuō)電力電子技術(shù)研究的也是電源技術(shù)。7參考文獻(xiàn)1