單相交直交變頻電路

1、精選文檔電力電子技術課程設計(論文)單相交-直-交變頻實驗裝置 院（系）名稱電子與信息工程學院 專業(yè)班級 學號 學生姓名 指導教師起 止 時 間： 2014.12.152014.12.26課程設計（論文）任務及評語院（系）：電子與信息工程學院 教研室：電子信息工程學 號學生姓名專業(yè)班級課程設計（論文）題目單相交-直-交變頻實驗裝置課程設計（論文）任務任務要求：設計一單相交-直-交變頻實驗裝置用于電力電子技術課程的教學實驗，根據(jù)參數(shù)要求完成整流電路設計、逆變電路設計、通過計算選擇器件的具體型號、完成驅動電路設計或選擇，使學生可以通過該裝置測試、觀察及驗證單相交-直-交變頻的實現(xiàn)方法。技術要求：1

2、、交流電源：單相220V。2、為了IGBT的安全，中間直流電壓最大為50V。3、輸出交流電壓約45V。4、輸出最大電流2A。5、輸出頻率50Hz6、最大功率：100W。指導教師評語及成績平時成績： 答辯成績： 論文成績： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：平時成績占20%，答辯成績占40%，論文成績占40%。精選文檔摘 要隨著科學技術的進步，電力電子技術取得了迅速的的發(fā)展，改變著我國工業(yè)的整體面貌，在現(xiàn)代化建設中發(fā)揮著越來越重要的作用。其中，單相交-直-交變頻技術也得到了越來越多的重視。其在工業(yè)生產(chǎn)、生活娛樂和儀器應用等方面有著廣泛的應用，其中目前應用最廣泛的屬于電網(wǎng)互聯(lián)，將分布式發(fā)電技

3、術發(fā)出的電變成負載可以使用的交流電或與大電網(wǎng)電壓、頻率相匹配的工頻交流電。可見，研究交直交變頻系統(tǒng)的基本工作原理和作用特性意義十分重大。本次設計研究的單相交-直-交變頻實驗裝置可分為主電路和控制電路兩部分。其中，主電路包括整流電路、逆變電路和濾波電路三部分。整流電路采用不可控的二極管單相橋式整流電路；逆變電路采用IGBT組成的單相全橋逆變電路；濾波電路采用電容濾波，輸出合適頻率的正弦交流電。而控制電路由控制電路、驅動電路和保護電路組成。其中，控制電路以ICL8038為核心，生成兩路PWM控制信號；驅動電路采用三菱公司生產(chǎn)的M57862L集成驅動器；用雙D觸發(fā)器CD4013構成保護電路。根據(jù)以上

4、電路組合設計，經(jīng)過Multisim軟件進行電路仿真，可以基本滿足本次設計任務的要求，且電路比較可靠。關鍵詞：整流；逆變；IGBT；PWM控制目 錄第1章 第1章 緒論11.1 電力電子技術發(fā)展概況11.2 本文研究內(nèi)容1第2章 單相交-直-交變頻電路設計32.1 單相交-直-交變頻電路總體設計方案32.1.1 方案論證與選擇32.1.2 整體方案框圖32.2 具體電路設計42.2.1 整流電路設計42.2.2 逆變電路設計62.2.3 控制電路設計72.2.4 驅動電路與保護電路設計102.3 元器件型號選擇11第3章 課程設計總結13參考文獻15附 錄16第1章 緒論1.1 交直交變頻器發(fā)展

5、概況變頻器是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器。當今的運動控制系統(tǒng)是包含多種學科的技術領域，總的發(fā)展趨勢是：驅動的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。交直交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖，它的一個突出優(yōu)點是當電動機處于制動 (發(fā)電)狀態(tài)時，只需改變網(wǎng)側可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到直流側的再生電能方便地回饋到交流電網(wǎng)，構成的調(diào)速系統(tǒng)具有四象限運行能力，可用于頻繁加減速等對動態(tài)性能有要求的單機應用場合，在大容量風機、泵類節(jié)能調(diào)速中也有應用。近年來，隨著

6、電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，交流傳動與控制技術成為目前發(fā)展最為迅速的技術之一，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。交流變頻調(diào)速技術是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。深入了解交流傳動與控制技術的走向，具有十分積極的意義。1.2 本文研究內(nèi)容本文設計研究的是100W單相交-直-交變頻實驗裝置。該裝置主要由整流電路、逆變電路以及驅動電

7、路等組成。任務要求：設計一單相交-直-交變頻實驗裝置用于電力電子技術課程的教學實驗，根據(jù)參數(shù)要求完成整流電路設計、逆變電路設計、通過計算選擇器件的具體型號、完成驅動電路設計或選擇，使學生可以通過該裝置測試、觀察及驗證單相交-直-交變頻的實現(xiàn)方法。技術要求：1、交流電源：單相220V。2、為了IGBT的安全，中間直流電壓最大為50V。3、輸出交流電壓約45V。4、輸出最大電流2A。5、輸出頻率50Hz。6、最大功率：100W。第2章 單相交-直-交變頻電路設計2.1 單相交-直-交變頻電路總體設計方案2.1.1 方案論證與選擇1.逆變電路方案論證與選擇 方案一：采用電壓型逆變電路電壓型逆變電路具

8、有直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗的優(yōu)點，且交流側輸出電壓波形與負載阻抗角無關，比較容易得到合適的交流電壓。方案二：采用電流型逆變電路電流型逆變電路需在直流側串聯(lián)大電感，且交流側輸出電壓波形和相位隨負載阻抗角的不同而不同，對于本次設計，可行性差。綜上比較，本次設計采用電壓型逆變電路2.整流電路方案論證與選擇方案一：采用二極管單相橋式整流電路二極管單相橋式整流電路輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內(nèi)都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。方案二：采用晶閘管單相橋式整流電路晶閘管單相橋式整流電路適用于功率較大的場合。與二極管

9、相比，晶閘管采購價格昂貴，易受干擾而發(fā)生誤導通，且需要設計相應的觸發(fā)電路，可行性不好。本次設計輸出功率為100W，從經(jīng)濟、可操作性兩方面考慮，選擇方案一。2.1.2 整體方案框圖如圖2.1所示，總體設計方案由整流電路、濾波、逆變電路等組成。市電經(jīng)整流電路變?yōu)橹绷麟?，直流電?jīng)濾波電路進行平滑濾波，再輸入逆變電路，變?yōu)轭l率和電壓均可調(diào)的交流電。單相橋式整流電路電壓型逆變電路交流輸出市電交流濾波變壓器控制電路圖2.1總體設計方案框圖2.2 具體電路設計2.2.1 整流電路設計直流電路的原理圖如圖2.2所示。圖2.2整流電路在變壓器二次側電壓的正半周，其極性為上正下負，此時二極管D1、D4正向導通，D

10、2、D3反偏截止，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過二極管D1流向RL，再由二極管D4流回變壓器。于是在負載電阻RL上得到一個極性為上正下負的半波電壓。在導通時二極管的正向壓降很小，可以忽略不計，因此，可認為這半波電壓和的變壓器二次側電壓正半波是相同的。在變壓器二次側電壓的負半周，其極性為上負下正，此時二極管D2、D3正向導通，D1、D4反偏截止，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過二極管D2流向RL，再由二極管D3流回變壓器。同理，在負載上得到一個半波電壓，極性依舊是上正下負，與前面得到的相同，如圖2.3所示。圖2.3整流電路輸出波形一所得到的半波電壓經(jīng)過電容濾波電路的濾波，便可得

11、到較為平緩的直流電壓，如圖2.4所示。圖2.4整流電路輸出波形二2.2.2 逆變電路設計在本次設計中，主要采用單相橋式逆變電路作為設計的主電路。其主電路結構圖如圖2.5所示：圖2.5單相橋式逆變電路如上圖所示，單相全橋逆變電路主要有四個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。其中橋臂1,4為一對，橋臂2，3為一對。每個橋臂由一個可控器件IGBT以及一個反并聯(lián)的二極管組成。在直流側接有足夠大的電容，負載接在橋臂之間。它的具體工作過程如下：設最初t1時刻時，給IGBT Q1、Q4觸發(fā)信號，使其導通。 則電流通過橋臂1，負載，橋臂4構成一個導通回路。當t2 時刻時，給Q2,Q3觸發(fā)信號，給Q1,Q4關

12、斷信號。但由于負載電感較大，通過它的電流不能突變，所以二極管D2,D3導通進行續(xù)流。當電流逐漸減小為0，橋臂1,4關斷，橋臂2,3導通，構成一個回路，從而實現(xiàn)換流。當Q1、Q4或Q2、Q3為通態(tài)時，負載電流和電壓同方向，直流側向負載提供能量；而當D6、D8或D5、D7為通態(tài)時，負載電流和電壓反向，負載電感中儲存的能量向直流側反饋，即負載電感將其吸收的無功能量向直流側反饋。反饋回的能量暫時儲存在直流側電容器中，直流側電容器起著緩沖這種無功能量的作用。單相橋式逆變電路工作波形如圖2.6所示。圖2.6單相橋式逆變電路工作波形分析其工作過程：設在t1時刻前Q1和Q4導通，輸出電壓Uo為Ud，t1時刻Q

13、3和Q4柵極信號反向，Q4截止，而因負載電感中電流不能突變，Q3不立刻導通，D7導通實現(xiàn)續(xù)流。因為Q1和D6同時導通，所以輸出電壓為0。到t2時刻Q1和Q2柵極信號反向，Q1截止，而Q2不能立刻導通，D5續(xù)流，和D7構成電流通道，輸出電壓-Ud。到負載電流過零并開始反向時，D5和D7截止，Q2和Q3開始同時導通，仍然為-Ud。在t3時刻Q3和Q4柵極信號再次反相，Q3截止，而Q4不能立刻導通，D8導通續(xù)流，Uo再次為0。以后的過程與前面類似。2.2.3 控制電路設計1.PWM控制原理PWM（Pulse Width Modulation）控制脈沖寬度調(diào)制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等

14、效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。PWM控制的方法可分為三類,即計算法、調(diào)制法和跟蹤控制法。其中,調(diào)制法是較為常用的也是基本的一類方法,而調(diào)制法中最基本的是利用三角載波與正弦信號波進行比較的調(diào)制方法,分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制。本次設計采用的單相橋式逆變電路既可以采用單極性調(diào)制,也可以采用雙極性調(diào)制。在本次設計中,采用了雙極性PWM調(diào)制技術。以下是雙極性PWM調(diào)制的原理。 雙極性PWM 控制原理示意圖如圖2.7所示。采用雙極性PWM調(diào)制技術時，以希望得到的交流正弦輸出波形作為信號波，采用三角波作為載波，將信號波與載波進行比較,在信號波與載波的交點時刻控制各開關的通斷。在信

15、號波的一個周期內(nèi),載波有正有負，調(diào)制出來的輸出波形也是有正有負，其輸出波形有±Ud兩種電平。用Ur表示信號波,，Uc表示載波。當Ur>Uc 時，給Q1、Q4施加開通驅動信號，給Q2 、Q3 施加關斷驅動信號，此時如果負載電流io>0 則Q1 、Q4 開通，如果io < 0，則D6 、D8開通,但輸出電壓均為Uo=Ud 。反之，則Q2、Q3或D5、D7開通，Uo= -Ud 。圖2.8中，Uof是輸出電壓Uo的基波分量。圖2.7雙極性PWM控制方式波形

16、2.控制電路設計控制電路的工作流程是:信號發(fā)生(包括產(chǎn)生信號波和載波) 、信號調(diào)制、產(chǎn)生IGBT的驅動信號。附錄圖2給出了控制電路的原理圖。 在本實驗中，控制電路采用兩片集成函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038為核心，其中一片產(chǎn)生正弦調(diào)制波Ur，另一片用以產(chǎn)生三角載波Uc，將此兩路信號經(jīng)比較電路LM311異步調(diào)制后，產(chǎn)生一系列等幅，不等寬的矩形波Um，即SPWM波。Um經(jīng)反相器后，生成兩路相位相差180度的±PWM波，再經(jīng)觸發(fā)器CD4528延時后，得到兩路相位相差180度并帶一定死區(qū)范圍的兩路SPWM1和SPWM2波，作為主電路中兩對開關管IGBT的控制信號?？刂齐娐愤€設

17、置了過流保護接口端STOP，當有過流信號時，STOP呈低電平，經(jīng)與門輸出低電平，封鎖了兩路SPWM信號，使IGBT關斷，起到保護作用。 ICL8038 是精密波形發(fā)生器,它產(chǎn)生的波形的頻率可以從0.001Hz 到300Hz。其內(nèi)部結構如圖2.8所示。 圖2.8 ICL8038內(nèi)部結構圖原理：是由兩片集成函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038為核心組成，其中一片8038產(chǎn)生正弦調(diào)制波Ur，另一片用以產(chǎn)生三角載波Uc，將此兩路信號經(jīng)比較電路LM311異步調(diào)制后，產(chǎn)生一系列等幅，不等寬的矩形波Um，即SPWM波。Um經(jīng)反相器后，生成兩路相位相差180度的±PW

18、M波，再經(jīng)觸發(fā)器MC4528延時后，得到兩路相位相差180度并帶一定死區(qū)范圍的兩路SPWM1和SPWM2波。2.2.4 驅動電路與保護電路設計電力電子器件的驅動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大影響。采用性能良好的驅動電路，可使電力電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮小開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。另外，對電力電子器件或整個裝置的一些保護措施也往往就近設在驅動電路中，或者通過驅動電路來實現(xiàn)，這使得驅動電路的設計尤為重要。本次設計采用了三菱公司生產(chǎn)的專用于驅動IGBT的驅動器M57962L。它的內(nèi)部集

19、成了退飽和、檢測和保護單元，當發(fā)生過電流時能快速響應，但慢速關斷IGBT，并向外部電路給出故障信號。其內(nèi)部結構方框圖如圖2.9所示，它由光電耦合器、接口電路、檢測電路、定時復位電路以及門極關斷電路組成。M57962L具有以下幾個特點：1.采用快速型光電耦合器實現(xiàn)電氣隔離，具有較高的輸入、輸出隔離度。2.采用雙電源供電方式，確保IGBT可靠通段。3.內(nèi)部集成了短路和過流保護電路。M57962L的過流保護電路通過檢測IGBT的飽和壓降來判斷是否過流，一旦過流，M57962L將對IGBT實施軟關斷，并對外部電路輸出故障信號。圖2.9 M57962L的內(nèi)部結構圖采用M57962L設計的驅動電路如圖2.

20、10所示。圖2.10驅動電路2.3 元器件型號選擇根據(jù)任務要求，可知直流側輸出電壓最大為50V，交流側輸出電壓約為45V，輸出最大電流為2A，最大功率為100W。1.整流電路器件選擇當直流側輸出電壓最大時，由于 (2-1)計算得變壓器二次側電壓55.6V。所以變壓器匝數(shù)比 (2-2)計算得K4，本設計取K=5。二極管所承受最大電壓 (2-3)一般電網(wǎng)的波動范圍為±10%，所以二極管兩端電壓為=1.1××55.686.5V，可額定電壓、額定電流分別為100V、3A的1N5408二極管。2.IGBT型號的選擇IGBT兩端所承受的最大電壓為=×5070.7V負載最大電流為2A，選擇IGBT時電壓電流應留有2至3倍的裕量，所以可選IGBT的額定電壓、額定電流分別為=3×70.7=212.1V，=3×2=6A；可選擇額定電壓、額定電流分別為400V、5A的型號為2N6975的IGBT。第3章 課程設計總結課程設計是大學必修的一門課，是我