單相交直交變頻電路的設(shè)計及性能研究畢業(yè)論文

1、摘要隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及自動控制技術(shù)的快速發(fā)展，單相交-直-交變頻系統(tǒng)也得到了迅速發(fā)展，它顯著的變頻能力，廣泛的應(yīng)用范圍，完善的保護效力，和易于實現(xiàn)的變頻功能，獲到了廣大使用者的認可，在運行的安全可靠、安裝使用以及維修維護等方面，也給使用者帶來了極大的益處。課題研究的單相交-直-交變頻電路設(shè)計主要分為主電路和控制電路兩部分，其中主電路還分為整流電路、濾波電路和單相橋式pwm逆變電路，而逆變部分則需要用到控制電路，控制電路分為控制電路、驅(qū)動電路和保護電路。課題的整流部分選用不可控的橋式整流電路；濾波部分則選用lc低通濾波，獲得高頻率的交流正弦波輸出；逆變部分選用四個igbt管組成的單

2、相橋式逆變電路?？刂齐娐分饕詥纹珊瘮?shù)發(fā)生器icl8038為核心設(shè)計的，生成兩路pwm信號用來分別控制兩對igbt管；驅(qū)動電路則是選用了具備電氣隔離的集成驅(qū)動芯片m57962l；保護電路選用雙d觸發(fā)器cd4013。用matlab軟件仿真出設(shè)計的電路，其中對純電阻負載以及電阻電感負載分別進行數(shù)據(jù)和波形的分析，并采取相關(guān)措施使最后輸出的波形接近正弦波。關(guān)鍵詞：整流 濾波 逆變 igbt pwm matlababstractwith the rapid development of power electronics technology, computer technology, automa

3、tic control technology, single-phase orthogonal frequency system has been developing rapidly, its remarkable frequency capability, a wide range of applications, perfect protection, as well as easy to implement the conversion function, has been recognized by the majority of users in the safe and reli

4、able operation, installation, repair and maintenance, etc., but also to bring users great convenience.research of single phase ac- dc - ac inverter circuit design divided into the main circuit and control circuit, which can be divided into the main circuit rectifier circuit, filter circuit and singl

5、e-phase bridge pwm inverter circuit, and inverter control part of the need to use circuit, the control circuit is divided into a control circuit, drive circuit and protection circuit. subject rectifier bridge rectifier using uncontrollable; filtering section using lc low-pass filter to obtain a high

6、-frequency sine wave ac output; inverter part of the single-phase bridge inverter circuit composed of four igbt tube. monolithic integrated control circuit icl8038 function generator core designed to generate two pwm signals to control the two pairs of igbt; drive circuit is the use of integrated dr

7、iver chip m57962l with electrical isolation; protection circuit uses dual d flip-flop cd4013. using matlab software simulation of the design of the circuit, in which the purely resistive load and inductive load resistor respectively for data analysis and waveforms, and take measures to make the fina

8、l output of nearly sinusoidal waveform.keyword: rectifier filter inverter igbt pwm matlab目錄第1章 緒論11.1電力電子技術(shù)概況11.1.1 電子電力技術(shù)基本概念11.1.2 電力電子技術(shù)的基本應(yīng)用11.2 課題的設(shè)計內(nèi)容2第2章 單相交-直-交變頻電路的總體設(shè)計32.1總體框圖32.2 總電路設(shè)計42.2.1 主電路原理圖42.2.2 整流電路42.2.3 濾波電路52.2.4 逆變電路6第3章 逆變部分的電路組成93.1 主電路93.2 驅(qū)動電路103.3 控制電路13第4章 matlab的仿真與分析

9、164.1 matlab簡介與使用164.1.1 matlab簡介164.1.2 matlab（simulink）簡介164.1.3 matlab(simulink)的基本使用174.2 matlab的仿真184.2.1 仿真電路圖184.2.2 仿真模型使用模塊及參數(shù)設(shè)置184.3 仿真的分析224.3.1 整流與濾波輸出電壓計算與仿真224.3.2 逆變輸出電壓與仿真244.3.3負載對波形的影響26第5章 總結(jié)與展望30致謝31參考文獻32第1章 緒論1.1電力電子技術(shù)概況1.1.1 電子電力技術(shù)基本概念電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，即使用電力電子器件（如晶閘管，gt

10、o，igbt等）對電能進行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的電力功率可大到數(shù)百mw甚至gw，也可以小到數(shù)w甚至1w以下，以及以信息處理為主導(dǎo)的信息電子技術(shù)不同于電力電子技術(shù)其主要用于電力變換1。電能變換主要就是指電壓、電流與頻率之間的變換。因此電能變換的基本類型可以分為四種，即ac/dc變換、dc/ac變換、dc/dc變換、ac/ac變換。1.1.2 電力電子技術(shù)的基本應(yīng)用一般的工業(yè)領(lǐng)域：交流直流電機、電化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)；交通運輸領(lǐng)域：電氣化鐵道、航空航海；電力系統(tǒng)領(lǐng)域：高壓直流電輸電、柔性交流電的輸電、無功補償；電子裝置電源領(lǐng)域：為信息電子裝置提供動力；家用電器等領(lǐng)域：“節(jié)能燈”、變頻

11、空調(diào)；其他領(lǐng)域：ups、航天飛行器、新能源以及電力發(fā)電裝置。其顯著作用：（1）優(yōu)化電能使用。用電力 電子技術(shù)對電能進行處理，可以使電能的使用達到、高效率以及節(jié)能，實現(xiàn)電能使用的最佳化。比如，在節(jié)能的方面，對于風(fēng)機 水泵、電力的牽引、軋機 冶煉、輕工 造紙、工業(yè) 窯爐、加熱、電焊、化工、點解等14個方面的 調(diào)查，潛在的節(jié)電量大約是1990年的全國發(fā)電總量的16%2，因此發(fā)揚應(yīng)用型的電力電子技術(shù)成為節(jié)能的一項重要的戰(zhàn)略舉措，一般的節(jié)能效率能夠達到10%-14%2，我國已經(jīng)把很多裝置并入節(jié)能的應(yīng)用項目中。（2）改 造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)以及推廣機電一體化等新興的產(chǎn)業(yè)。根據(jù)發(fā)達國家的預(yù)計，往后會有95%2的電能需

12、經(jīng)過電力電子的加工后再使用，即工業(yè)和全國的各類的機電儀器中，會有95%2和電力電子的產(chǎn)業(yè)相關(guān)，主要是，電力電子是弱電操控強電的媒體，也成為機電設(shè)備跟計算機的關(guān)鍵接口，它為傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)及新興的產(chǎn)業(yè)選用微電子技術(shù)提供了有利條件，成為了發(fā)展計算機作用的保障和基礎(chǔ)2。（3）電力 電子技術(shù)中高頻化以及變頻 技術(shù)的發(fā)展，將會使機電儀器突破傳統(tǒng)，朝向高頻化的目標發(fā)展。能夠?qū)崿F(xiàn)最佳工作效率，將會使機電儀器的體積可以減小幾倍甚至幾十倍，響應(yīng)速度也達到高速化，并可以適應(yīng)任何基準信號，實現(xiàn)無噪音而且具有全新的功能及用途。例如在交-直-交變頻器的直流環(huán)節(jié)選用了大電感當(dāng)作儲能元件，無功 功率將會由大電感進行緩沖，其一個突

13、出的優(yōu)點就是當(dāng)電動機處在制動的狀態(tài)下時，只需要改變網(wǎng)側(cè)中可控整流器件的電壓的極性即能夠把反饋到直流側(cè)的再生電能便捷地反饋到電網(wǎng)中，組成的系統(tǒng)擁有四象限運行的能力，能夠用于頻繁的加減速于單機的應(yīng)用場合，其中在大容量的風(fēng)機調(diào)速中也得到了應(yīng)用。近幾年來，隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動及控制技術(shù)也成為如今發(fā)展最快速的技術(shù)之一，電氣傳動技術(shù)面臨著一場歷史性的革命，其發(fā)展的趨勢即交流調(diào)速將代替直流調(diào)速以及計算機控制技術(shù)將代替模擬控制技術(shù)。（4）電力電子的智能化的進展，在某種程度上是將信息處理和功率處理合一，并使微電子技術(shù)和電子技術(shù)一體化，其發(fā)展有能力引起電子技術(shù)的重大革新。甚至有人提出，

14、電子學(xué)的下一項重要改革將會發(fā)生在以工業(yè)設(shè)備以及電網(wǎng)為目標的電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子技術(shù)將把人們領(lǐng)到第二次電子革命的邊緣2。1.2 課題的設(shè)計內(nèi)容課題單相交-直-交變頻電路的設(shè)計主要分為主電路和控制電路，其中主電路可以分為整流電路、濾波電路和單相橋式pwm逆變電路，而逆變部分需要用到控制電路，控制電路則分為控制電路、驅(qū)動電路和保護電路。課題的整流部分選用不可控的橋式整流；濾波部分選用lc低通濾波，并得到高頻率的正弦波交流輸出；逆變部分選用四個igbt管構(gòu)成的單相橋式逆變電路?？刂齐娐沸枰詥纹珊瘮?shù)發(fā)生器icl8038為核心設(shè)計，通過生成兩路pwm信號來分別控制兩對igbt管；驅(qū)動電路是選

15、用具有電氣隔離的集成驅(qū)動芯片m57962l；保護電路選用雙d觸發(fā)器cd4013。最后用matlab軟件仿真出設(shè)計的電路，其中對純電阻負載以及電阻電感負載分別進行數(shù)據(jù)和波形的分析，并采取相關(guān)措施使最后輸出的波形接近正弦波。章節(jié)安排第一章：緒論第二章：課題的方案設(shè)計第三章：逆變部分的設(shè)計第四章：matlab的簡介及仿真第五章：總結(jié)與展望第2章 單相交-直-交變頻電路的總體設(shè)計2.1總體框圖單相交-直-交變頻電路首先是將單相交流電源通過整流濾波得到直流電，再用控制逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換成某個頻率的交流電。pwm逆變是最為常見的一種控制方法，本設(shè)計采用pwm的正弦波脈寬調(diào)制，可以改變調(diào)制頻率來實現(xiàn)交-直

16、-交變頻的目的。pwm控制的方法可以分為三種，即調(diào)制法、計算法以及跟蹤控制法。其中調(diào)制法是也是最為常見的一類方法，也是最基本的一類方法。在調(diào)制法中最普遍的是通過三角載波與正弦信號波進行比較來調(diào)制方法，其可分為單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制。而本設(shè)計是單相橋式逆變既可以選用單極性調(diào)制也可以選用雙極性調(diào)制。在本設(shè)計中，采用了雙極性pwm調(diào)制技術(shù)。整流部分采用不可控制整流電路，濾波部分則采選用lc低通濾波電路，濾除整流中的高次諧波，獲得高頻率的正弦波交流輸出。逆變部分是由四只igbt管構(gòu)成單相橋式逆變電路?？傮w方案框圖如圖2-1所示。交流整流逆變交流直流單相橋式 濾波單相橋式igbtpwm波圖2-1 總體框

17、圖圖中各部分功能如下：整流電路：把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。其中一部分為電路提供電源。濾波電路：濾波電路接在主電路與逆變電路之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。逆變電路：逆變電路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?？刂齐娐罚嚎刂齐娐肥菫槟孀冸娐樊a(chǎn)生spwm信號。驅(qū)動電路：驅(qū)動電路是控制電路和主電路的中間環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是將控制電路產(chǎn)生的spwm信號轉(zhuǎn)化為驅(qū)動信號，它可以完成電氣隔離的功能。2.2 總電路設(shè)計2.2.1 主電路原理圖圖2-2 主電路如圖2-2所示，主電路是由整流電路、濾波電路以及逆變電路構(gòu)成的。交直流變換部分電路采用不

18、可控整流電路，輸入的交流電源通過變壓器和橋式整流電路轉(zhuǎn)化為直流電，濾波電路部分采用電感和電容的濾波，逆變部分則選用四只igbt管構(gòu)成的單相橋式逆變電路，輸出電流經(jīng)lc低通濾波器，濾去高次諧波，獲得頻率和電壓都可調(diào)的交流電輸出。2.2.2 整流電路整流電路的主要功用是把交流電源轉(zhuǎn)變成直流電源。整流電路一般情況下都是獨立的一個整流模塊。大部分的整流電路是由變壓器、整流主電路以及濾波器等電路組成，主電路中大多用硅整流二極管以及晶閘管組成，濾波電路接在主電路跟負載之間，作用是濾除脈動的直流電壓中的交流部分，變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是為了滿足交流輸入電壓與直流輸出電壓之間的相互匹配以及

19、交流電網(wǎng)和整流電路間的電隔3。此部分的電路結(jié)構(gòu)簡單、操作可靠,其性能也滿足課題的需要，因而采用橋式整流電路。其主要的作用是將固定電壓和頻率的交流電能整流成直流電能。單相橋式整流原理本設(shè)計采用單相橋式不可控電路，也就是采用電力二極管。橋式整流電路如圖2-3所示，主要是由電源變壓器、四只電力二極管d14以及負載電阻rl組合而成。四只整流的二極管組接成電橋的形式，故稱橋式整流3。橋式整流電路的基本工作原理：當(dāng)在u2的正半周時，d1和d3導(dǎo)通，d2和d4截止，電流的方向為d1- rl-d3，在負載rl上獲得了一半的波整流電壓。當(dāng)在u2的負半周時，d1和d3截止，d2和d4導(dǎo)通，電流的方向為d2- rl

20、- d4，在負載rl上獲得了另一半波整流電壓。因此就可以在負載rl上得到一個跟全波整流相同的電壓波形，其電流的計算和全波整流計算相同，即ul=0.9 u2 ir=0.9 u2/rl。流經(jīng)過每個整流二極管的平均電流是：id=il/2=0.45 u2/rl,每一個整流二極管所能承受的最高的反向電壓為：urm =1.414 u2。圖2-3 橋式整流電路除此之外，整個電路還需要用輔助正負5v的電源，所以通過降壓，整流和濾波，穩(wěn)壓獲得了穩(wěn)定的正負5v電壓，經(jīng)過交流電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫春螅娐范紩须妷旱牟▌?，為了抑制其中的電壓波動，選用簡單的電容濾波。整流濾波后一般都是有獨立的整流穩(wěn)壓模塊來進行穩(wěn)壓的，電

21、路如下圖2-4所示。圖2-4 整流濾波電路和輔助電源2.2.3 濾波電路濾波電路的原理以及作用：濾波電路通常用以濾掉整流輸出電壓中的一些紋波，通常情況下是由阻抗元件組成，比方在電阻的兩端可以并聯(lián)電容器c，或和電阻串聯(lián)電感l(wèi)，以及把電容和電感組合成的復(fù)式的濾波電路。對于電源的濾波是無源濾波，通常選用lc濾波，即電感和電容組合而成的濾波 電路。經(jīng)過交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源后，電路會有電壓的波動，為了抑制電壓的波動，選用簡單的電容濾波。如果流過電感線圈的電流發(fā)生變化的時候，電感中將產(chǎn)生感生電動勢來阻礙電流的變化。當(dāng)流過電感的電流變大的時候，電感線圈所產(chǎn)生的自感電動勢的方向跟電流相反，妨礙了電流增加，于

22、此同時把一部分的電能轉(zhuǎn)換成了磁場能存儲在電感中；而當(dāng)經(jīng)過電感的電流變小的時候，自感 電動勢跟電流的方向相同，妨礙了電流地減小，相反則放出儲存的能量，來補償電流的損失。因此經(jīng)過電感濾波以后，不僅負載電流和電壓減小了，波形也變得平滑，并且二極管導(dǎo)通角也隨之增大了，電感沒變的狀態(tài)之下，倘若負載電阻變小，則輸出電壓的分量也會變小。因此只有在rll的時候才能得到較優(yōu)的濾波效果。此外，在濾波電感電動勢的作用下，能夠使二極管的導(dǎo)通角比較接近，減弱了電流對二極管的沖擊，平滑了流過二極管的電流，從而延長了整流二極管的壽命。2.2.4 逆變電路逆變電路以及整流電路剛好相反，逆變電路即把直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽仡l率的交流

23、電壓。逆變電路把低電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠妷?，把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的電路。逆變電路也是常用變頻器件的重要部件之一，起到十分關(guān)鍵的作用。其中最基礎(chǔ)作用是通過控制電路的作用把直流電路的直流電能轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都可調(diào)節(jié)的交流電源，把直流電能轉(zhuǎn)化成交流電能的變換電路。本設(shè)計中的逆變部分，選用單相橋式逆變電路，pwm控制技術(shù)，輸出電壓的大小及頻率都可以通過pwm控制進行調(diào)節(jié)。脈寬調(diào)制原理脈寬調(diào)制技術(shù)：通過對于一系列脈沖的寬度的調(diào)制，來得到等效的所需要的波形（包括形狀和幅值）。pwm控制的方式可分為三類，即調(diào)制法、計算法與跟蹤控制法。三類中,調(diào)制法是最為常見的也是最基本的一類方式，而調(diào)制法之中最基本的方法是利用

24、三角載波和正弦信號波來比較的調(diào)制方法，可以分為單極性調(diào)制調(diào)制和雙極性調(diào)制調(diào)制。本設(shè)計采用的單相橋式逆變電路既可以選用單極性調(diào)制的方法，也可以選用雙極性調(diào)制的方法。本設(shè)計采用的雙極性pwm調(diào)制技術(shù)。以下是雙極性pwm調(diào)制的原理。調(diào)制法原理（如圖2-5所示）：將輸出的波形作為調(diào)制信號，進行調(diào)制來得到所期望的pwm波；通常采用等腰三角形或者鋸齒 波作當(dāng)作載波；等腰三角形作為載波使用的最多，它任意一點的水平寬度與高度都成線性的關(guān)系并且左右相互對稱；和任何一個均滑變化的信號調(diào)制波相交，在兩波的交點處控制器件的通斷，就可以獲得寬度與信號波的幅值成正比的脈沖。若調(diào)制信號波為正弦波，所獲得的即為spwm波；調(diào)

25、制波不為正弦波，而是其他所需要的波形時，也可以獲得等效果的pwm波。通過結(jié)合igbt 單相橋式的電 壓型逆 變電路對調(diào)制法來進行說明：假設(shè)負載為電阻電感負載，工作時v1和v2的通斷互補，v3和v4的通斷也是互補的。其控制規(guī)律為：當(dāng)輸出電壓u0正半周時，保持v1為通態(tài)，v2保持斷態(tài)，v3和v4交替通斷，負載電流比電壓滯后，在電壓正半周時，電流有一段的區(qū)間為正，一段區(qū)間的電流為負。當(dāng)負載電流為正的區(qū)間時，v1和v4導(dǎo)通，負載電壓u0等于直流電壓ud；v4關(guān)斷時，負載電流通過v1和vd3續(xù)流，u0=0。在負載電流為負的區(qū)間，仍然為v1和v4導(dǎo)通時，因i0為負，故i0實際上從vd1和vd4流過，仍有u

26、0= ud；v4關(guān)斷，v3開通后，i0從v3和vd1續(xù)流，u0=0。這樣，u0可以得到ud和零兩種電平。同樣，當(dāng)在u0的負半周時，v2保持通態(tài)狀態(tài)，v1保持斷態(tài)，v3和v4交替通斷，負載電壓u0能夠獲到-ud和零兩種電平。圖2-5 單相橋式pwm逆變電路單極性pwm的控制方法如圖2-6所示。選用單極性pwm調(diào)制技術(shù)時，在u和u交點的時刻控制igbt的通斷。當(dāng)在ur的正半周時，保持v1通態(tài)，保持v2斷態(tài)，當(dāng)ucur時使v4導(dǎo)通，v3關(guān)斷，u0 = ud；當(dāng)ucur時使v4關(guān)斷，v3導(dǎo)通，u0=0。當(dāng)在ur負半周時，保持v1斷態(tài)，保持v2通態(tài)，當(dāng)ucur時，將v4關(guān)斷，v3導(dǎo)通， u0=-ud；當(dāng)

27、ucur時，將v4導(dǎo)通，v3關(guān)斷,u0=0。雙極性pwm控制原理示意圖如圖2-7所示。選用雙極性的pwm調(diào)制技術(shù)的時候，是為了獲到的正弦交流輸出波形作為信號波，把三角波當(dāng)作載波，使信號波和載波進行相互的比較，當(dāng)信號波和載波相交的時刻控制各個開關(guān)的通斷。信號波的一個周期內(nèi)，載波是有正有負的，調(diào)制出來的輸出波形同樣也是有正有負的，其輸出的波形分為兩種電平。信號波用ur代表，載波用uc來表示。當(dāng)ucur的時候，施加開通驅(qū)動信號給v1、v4，施加關(guān)斷驅(qū)動信號給v2、v3，此刻如果i00，則v1、v4保持開通，如果i00,則vd1、vd4保持開通，不過其輸出電壓均為u0=ud。相反，則v2、v3或vd2

28、、vd3保持開通，而u0=-ud。圖中，u0f是輸出電壓u0的基波分量3。 圖2-6 單極性pwm控制方法波形 圖2-7 雙極性pwm控制方法波第3章 逆變部分的電路組成課題采用spwm正弦波脈寬調(diào)制，通過改變調(diào)制頻率，實現(xiàn)交直交變頻的目的。設(shè)計電路由三部分組成：即主電路,驅(qū)動電路和控制電路。交直流變換部分（ac/dc）為不可控整流電路；逆變部分（dc/ac）由四只igbt管組成單相橋式逆變電路，采用雙極性調(diào)制方式。輸出經(jīng)lc低通濾波器，濾除高次諧波，得到高頻率的正弦波（基波）交流輸出。3.1 主電路主電路如圖3-1所示，采用單相橋式逆變電路,共用到4個開關(guān)器件,采用了目前應(yīng)用最多的全控型電力

29、電子器件之一的igbt。igbt管的工作原理：igbt的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。當(dāng)柵極施加以正電壓的時候，在mosfet中出現(xiàn)溝道，而且還給pnp晶體管創(chuàng)造了基極電流，促使igbt產(chǎn)生導(dǎo)通。此刻從n+區(qū)流入n-區(qū)的空穴(少子)對n-區(qū)形成了電導(dǎo)調(diào)制，使區(qū)的電阻r減小，令阻斷電壓高的igbt管也擁有了較低的通態(tài)壓降。當(dāng)在柵極上加以負電壓的時候，mosfet中的溝道就消失了，pnp晶體管基極的電流就會被切斷，igbt管也就是被關(guān)斷了。在igbt管導(dǎo)通了以后，如果把柵極的電壓忽然降到零，那么溝道就消失了，流過溝道的電子電流就變?yōu)榱?，集電極電流就會有降低，但是因為n-區(qū)中流入了大部分的電子以及

30、空穴對，因此集電極的電流不可能立即變?yōu)榱悖瑫幸粋€拖尾的時間。igbt管的驅(qū)動方法和mosfet基本相同，只需要控制輸入極n-溝道m(xù)osfet，因此其擁有高輸入阻抗特性45。圖3-1 主電路3.2 驅(qū)動電路圖3-2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路（如圖3-2所示）作為控制電路和主電路的中間環(huán)節(jié)。主要任務(wù)是將控制電路產(chǎn)生的控制器件通斷的信號轉(zhuǎn)化為器件的驅(qū)動信號。它可以完成電氣隔離的功能，由于全橋電路的4個igbt管的驅(qū)動信號也不全都是共地的,因此需要與控制信號隔離。此外,控制電路中電壓的等級較低,而在主電路中的電壓等級較高,為了避免相互間的干擾,也有必要采用電氣隔離。采用igbt管專用驅(qū)動芯片m57962l，

31、其輸入信號電流幅值為16ma,輸出最大脈沖電流為+2a和-3a，輸出驅(qū)動電壓+15v和-10v5，其結(jié)構(gòu)引腳圖及原理圖如圖3-3、3-4所示，其輸入端接控制電路產(chǎn)生的spwm信號，輸出可用以直接驅(qū)動igbt管。特點如下：1）采用快速型的光藕實現(xiàn)電氣隔離。2） 波形整形，將控制電路產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)化為控制igbt通斷所需要的驅(qū)動信號。3）具有過流保護功能，通過檢測igbt管的飽和壓降來判斷igbt是否過流。過流時igbt管ce結(jié)之間的飽和壓降升到某一定值，使8腳輸出低電平，在光藕tlp521的輸出端oc1呈現(xiàn)高電平，經(jīng)過流保護電路（如圖3-5），使4013的輸出q端呈現(xiàn)低電平，送給控制電路，起到了封

32、鎖保護作用。圖3-3 集成驅(qū)動芯片m57962l引腳圖芯片m57962l內(nèi)部原理及特性：m57962l為日本三菱公司生產(chǎn)的主用于igbt模塊的驅(qū)動芯片，其內(nèi)部集成了退飽和、檢測以及保護單元等功能，如果發(fā)生過流時能夠迅速地響應(yīng)，但慢速地關(guān)斷igbt，同時也向外部的電路發(fā)出了故障的信號。芯片輸出的正驅(qū)動電壓是+15v，而負驅(qū)動電壓是-10v。其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-4所示，其是通過光電耦合器、接口電路、檢測電路、定時復(fù)位電路和門關(guān)斷電路組成的。m57962l為n溝道的大功率igbt模塊的驅(qū)動芯片，可以驅(qū)動600v/400a與1200v/400a的igbt。m57962l擁有以下幾個特性。（1）用

33、快速型的光電耦合器來實行電氣隔離，適合大約20hz的高頻開關(guān)的運動。光電耦合器的原邊已串聯(lián)限流電阻（約185），可以把5v電壓直接與輸入側(cè)直接相連，擁有相對高的輸入和輸出的隔離度（u=2500v,有效值）。（2）用雙電源的供電方法，來保證igbt的可靠通斷。若選用雙電源驅(qū)動方法，它輸出的負柵壓相對較高。其中直流電源電壓的極值是+18v/-15v，通常用+15v/-10v。（3）內(nèi)部設(shè)置了短路以及過流保護的電路。m57962l的過流保護電路是來檢測igbt的飽和降從而判斷是否過流，一經(jīng)發(fā)生過流，m57962l就對igbt實行軟關(guān)斷，同時輸出過流的故障信號。（4）輸出端為ttl門電平，對單片機控制

34、較為適用。信號的傳輸延遲時間較短，低電平轉(zhuǎn)化為高電平傳輸?shù)难舆t時間和高電平轉(zhuǎn)化為低電平傳輸?shù)难舆t時間均在1.5以下6。圖3-4 集成驅(qū)動芯片m57962l原理圖保護電路：圖3-5 保護電路4013芯片原理：如圖3-6所示，設(shè)電路初始狀態(tài)均在復(fù)位狀態(tài)，q1、q2端均為低電平。fi信號輸入時，由于輸入端異或門的作用，其輸出還受到了觸發(fā)器ic2的q2端的反饋控制(非門f2是增加的一級延遲門，a點波形與q2相同)。由于第1個fi時鐘脈沖的上升沿的作用，觸發(fā)器ic1、ic2都發(fā)生了翻轉(zhuǎn)。又因為q2端的反饋的影響會使異或門輸出了一個非常窄的正脈沖，而兩級的d觸發(fā)器以及反相門的延時決定了其寬度。若第1個fi

35、脈沖下跳的時候，異或門的輸出又馬上上跳，將ic1觸發(fā)器又一次發(fā)生翻轉(zhuǎn)，但ic2觸發(fā)器的狀態(tài)不發(fā)生變化。因此在第1個的輸入時鐘的半個周期以內(nèi)迫使ic1觸發(fā)器的時鐘脈沖部分cl1有了一個整周期的輸入，不過在之后的一個輸入時鐘的作用之下，因為ic2觸發(fā)器的q2端呈現(xiàn)高電平，ic1觸發(fā)器時鐘的輸入伴隨著fi的信號(反相或同相)。本來ic1觸發(fā)器輸入兩個完整的輸入脈沖便可輸出一個完整周期的脈沖，現(xiàn)在由于異或門及ic2觸發(fā)器q2端的反饋控制作用，在第1個fi脈沖的作用下得到一個周期的脈沖輸出，所以實現(xiàn)了每輸入一個半時鐘脈沖，在ic1觸發(fā)器的q1端取得一個完整周期的輸出6。圖3-6 雙d觸發(fā)器cd4013引

36、腳圖3.3 控制電路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(qū)動信號如圖3-7所示。圖3-8給出了控制電路的原理圖。8038三角波發(fā)生器8038正弦波發(fā)生器信號變換與控制lm311比較器spwm1spwm2compwm+pwm-圖3-7 控制電路結(jié)構(gòu)框控制電路：圖3-8 控制電路控制電路是由兩片集成函數(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c

37、d4528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(guān)管igbt的控制信號。在圖3-1所示的電壓型單相橋式逆變電路中需要注意的一點是v1和v4不能同時導(dǎo)通，v2和v3不能同時導(dǎo)通，否則將會使直流部分發(fā)生短路。為避免兩對器件同時導(dǎo)通，需要在兩對器件的開關(guān)狀態(tài)時切換時設(shè)置死區(qū)，確保先斷后通。圖3-8的控制電路中使用了單穩(wěn)態(tài)多頻率振蕩器4528來實現(xiàn)死區(qū)的控制。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器cd4528bc簡介：圖3-9 cd4528bc芯片引腳圖及內(nèi)部原理圖icl8038芯片簡介：集成函數(shù)發(fā)生器8038工作原理：函數(shù)發(fā)生器是一種可以同時產(chǎn)生方波、三角波和鋸齒波

38、的專用集成電路。適當(dāng)調(diào)節(jié)外部電路參數(shù)是，還可以獲得占空比可調(diào)的矩形波和鋸齒波。在本設(shè)計的控制電路中共使用了兩片8038芯片，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。icl8038芯片的電路及引腳如圖3-10，它主要的特點：（1）擁有在發(fā)生溫度改變時產(chǎn)生較低的頻率漂移，但是最大的不超過50ppm/。（2）輸出的正弦波具有低于1%的失真度。（3）輸出的三角波具有01%高線性度。（4）輸出頻率的范圍為0.001hz1mhz；工作變化的周期寬。（5）可以將占空比在2%98%之間任意調(diào)動。（6）電平的輸出范圍較高；從ttl電平到28v。（7）能夠輸出正弦波、三角波和方波等多種函數(shù)

39、信號。（8）方便使用，對于外部條件很少。圖3-10 8038芯片的應(yīng)用外圍電路圖及引腳圖第4章 matlab的仿真與分析采用matlab軟件建立單相交-直-交變頻電路的仿真模型。將單相220v、50hz交流電源經(jīng)單相不可控整流環(huán)節(jié)，進行l(wèi)c濾波后即為中間直流環(huán)節(jié)。再進入pwm逆變，又一次lc濾波后，形成所需的交流信號，驗證電路設(shè)計的可行性。比較純電阻負載與電阻電感負載對輸出信號的影響。4.1 matlab簡介與使用4.1.1 matlab簡介matlab軟件是由美國math works公司推出的用于數(shù)值計算和圖形處理的科學(xué)計算軟件系統(tǒng)，被譽為“巨人肩上的工具”。matlab早期主要用于控制系統(tǒng)

40、的仿真，經(jīng)過不斷地擴展已經(jīng)成為包含通信電氣工程優(yōu)化控制等諸多領(lǐng)域的科學(xué)計算軟件，可以用于電力電子電路和電力拖動控制系統(tǒng)的仿真。電力電子技術(shù)里關(guān)于電能的變換以及控制的過程，還有有各類的電路原理的研究和分析、批量的計算、測量電能轉(zhuǎn)換的波形、繪制以及分析等等，相關(guān)的工作都特別適合使用matlab。首先，matlab的運算能力非常強大，它所提供的向量、復(fù)數(shù)和符號運算、常微方程中的數(shù)值積分運算等，都是大量存在于交流電的可控整流、無源逆變以及直流電的有源逆變里，比如說對整流輸出的直流平均值、有效值和電路功率的因數(shù)、控制角、導(dǎo)通角以及最小逆變角的計算等相關(guān)的課題，使用matlab運算簡單快捷而又精確。其次，

41、matlab的simpowersystems實體的圖形仿真化的系統(tǒng)，將表示晶匣管等各個類別的實物特有的圖形符號，連接成為一個整流電路、一個逆變裝置或者是一個模型系統(tǒng)。這樣的將實體圖形化的仿真模型的仿真更加簡單與便捷、更節(jié)省設(shè)計制作的時間和成本。另有，變流技術(shù)即是討論電能轉(zhuǎn)換和控制，必須對各類的電壓電流的波形進行測量、繪制以及研究，matlab中的功能強大并且有方便的圖形函數(shù)，非常合適完成這樣的任務(wù)。坐標的體系健全，線性種類豐富多彩，matlab仿真的圖形特別準確和精良，能夠簡潔的來對電路的工作原理進行研究和分析。最后，matlab的主界面友好，使操作者樂于接受，容易操作1415 。4.1.2

42、matlab（simulink）簡介simulink是matlab中的一種可視化仿真工具，是一種基于matlab的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、方針和分析的一個軟件包被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采用速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口（gui），這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以馬上看到模型系統(tǒng)的結(jié)果。simulin

43、k是基于模型的設(shè)計通常是在動態(tài)系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)等多個領(lǐng)域仿真的工具。對于各類模型系統(tǒng)，比如通訊、控制、信號處理以及視頻圖像處理系統(tǒng)，simulink中用了交互式的圖形化環(huán)境與可定制的模塊庫來進行設(shè)計與仿真、運行與測試。在simulink基礎(chǔ)為框架的其余產(chǎn)品也拓展了simulink多個領(lǐng)地的建立模塊的功能，同時給予了用來設(shè)計與執(zhí)行、檢驗與確認任務(wù)的相關(guān)的工具。simulink是matlab中緊密的環(huán)，能夠任意訪問matlab中大部分的仿真工具來進行仿真的分析、研發(fā)、創(chuàng)建批量的執(zhí)行腳本、定制建模的環(huán)境和定義信號的參數(shù)以及數(shù)據(jù)測試16。4.1.3 matlab(simulink)的基本使用（1）將圖

44、片放在matlab/work/文件夾下。（2）使用語句“i=imread（miss256g.bmp）”讀入圖像，注意這里需要擴展名“.bmp”。（3）然后在matlab的左側(cè)中workspace中可看到變量i，如果沒有的話，可在菜單中設(shè)置顯示該欄。（4）可以點擊“新建”按鈕，顯示“new mfile”建立新m文件，可在該文件中輸入程序，然后保存該文件。然后點擊運行“run”按鈕，可直接運行該程序。創(chuàng)建簡單的simulink的模型：1、啟動simulink：命令窗中輸入simulink；點擊工具欄中的按鈕。打開模型編輯的窗口。2、根據(jù)具體問題建立數(shù)學(xué)模型。3、確定需要的仿真模塊。仿真過程用示波器

45、（scope）來反映。4、對模塊進行操作，以方便模型的建立。5、連線（特別注意端點的連接、分點的連接（右鍵）、信號線的移動、信號線的標簽（單左選中目標線），移開后雙左）等）6、模塊參數(shù)的設(shè)置。7、仿真輸出。數(shù)學(xué)輸出先雙擊示波器，對示波器設(shè)置然后仿真運行。非數(shù)學(xué)輸出必須先建立s函數(shù)，然后方可仿真運行。4.2 matlab的仿真本次設(shè)計仿真用matlab仿真，采用示波器觀察整流和逆變的輸出波形圖，從而評估整個系統(tǒng)的功能。4.2.1仿真電路圖將單相220v、50hz交流電源經(jīng)單相不可控整流環(huán)節(jié)，進行l(wèi)c濾波后即為中間直流環(huán)節(jié)。再進入pwm逆變，又一次lc濾波后，形成所需的交流信號，驗證電路設(shè)計的可行

46、性。仿真圖如圖4-1所示。圖4-1 仿真電路圖4.2.2 仿真模型使用模塊及參數(shù)設(shè)置仿真模塊的提取路徑1、pwm發(fā)生器模塊：simulinksimpower systemspower electronicsdiscrete control blocksdiscrete pwm generator2、信號終結(jié)模塊terminatorsimulinkcommonly used blocksterminator3、示波器simulinksinksscope4、逆變模塊simulinksimpower systemspower electronicsuniversity bridge5、不可控整流橋模

47、塊也同樣是simulinksimpower systemspower electronicsuniversity bridge,但是參數(shù)需要修改。6、電壓測量模塊simulinksimpower systemsmeasurementsvoltage measurement7、電源輸入模塊simulinksimpower systemselectronical sourcesac voltage source8、萬用表模塊simulinksimpower systemsmeasurementsmultimeter各模塊參數(shù)的設(shè)置交流電源模塊：“phase”初相位角0，“frequency”頻率5

48、0hz，“sample time”采樣時間0(默認值0表示交流電源為連續(xù)源)，“peak amplitude”變頻輸出頻率為50hz時設(shè)置為220v。交流電源參數(shù)設(shè)置如圖4-2所示。圖4-2 電源參數(shù)設(shè)置濾波電感l(wèi)1：選擇“series rlc branch ”模塊，將參數(shù)“inductance（h）”設(shè)置為：80e-3。l1參數(shù)設(shè)置如圖4-3所示。圖4-3 l1參數(shù)設(shè)置濾波電感l(wèi)2：選擇“series rlc branch ”模塊，將參數(shù)“inductance（h）”設(shè)置為：30e-3。l2參數(shù)設(shè)置如圖4-4所示。圖4-4 l2參數(shù)設(shè)置濾波電容c1：選擇“series rlc branch

49、”模塊，將參數(shù)“capaciatance（f）”設(shè)置為：1800e-6。c1參數(shù)設(shè)置如圖4-5所示。圖4-5 c1參數(shù)設(shè)置濾波電容c2：選擇“series rlc branch ”模塊，將參數(shù)“capaciatance（f）”設(shè)置為：320e-6。c2參數(shù)設(shè)置如圖4-6所示。圖4-6 c2參數(shù)設(shè)置不可控整流橋universal bridge的參數(shù)設(shè)置如圖4-7所示。圖4-7 universal bridge參數(shù)設(shè)置模擬仿真時間以及算法的設(shè)置如圖4-8所示，設(shè)置仿真時間為0.5s，算法為ode45。圖4-8 仿真參數(shù)設(shè)置4.3 仿真的分析4.3.1 整流與濾波輸出電壓計算與仿真運用matlab對

50、交流電源與經(jīng)過橋式整流之后的電壓信號進行仿真之前，對量電壓的波形進行理論分析：單相橋式全控整流電路中，晶匣管vt1和vt4組成一對橋臂，vt2和vt3組成另一對橋臂，在u2正半周，若4 個晶匣管均不導(dǎo)通，負載電流為零，輸出電壓u也為零，vt1、vt4串聯(lián)承受電壓u2，設(shè)vt1和vt4漏電阻相等，則各承受u2的一半。若在觸發(fā)角處給vt1和vt4加觸發(fā)脈沖，vt1和vt4即導(dǎo)通，電流從電源端經(jīng)vt1、r、vt4流回電源另一端。當(dāng)u2過零時，流經(jīng)晶匣管的電流也降到零，vt1和vt4關(guān)斷。晶匣管承受的最大正向電壓和最大反向電壓的值分別為0.5*u2和u2。在u2負半周，仍在觸發(fā)延遲角處出發(fā)vt2和vt

51、3，vt2和vt3導(dǎo)通，其電流電壓情況與正半周情況相同。并且按照此種規(guī)律循環(huán)往復(fù)的工作下去，在此種原理規(guī)律下可以計算出以下公式（4-1）。橋式整流輸出電壓： (4-1)經(jīng)過濾波之后，電壓會上升，其實際值接近200v。整流與濾波兩信號的matlab仿真波形記錄如下圖4-8所示。圖4-8 整流與濾波仿真圖由上圖可以看出整流輸出的是脈動的直流電壓波形，通過濾波電路，將其變成紋波較小的直流電壓。4.3.2 逆變輸出電壓與仿真電壓型全橋逆變電路的原理圖在上章的基礎(chǔ)電路中已經(jīng)給出，它共有四個橋臂，可以看成是由兩個半橋電路組合而成。把橋臂1和4作為一對，橋臂2和3作為一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替導(dǎo)

52、通180度，其輸出電壓如公式4-2所示。 (4-2)其中，基波的幅值u01m和基波有效值u01分別為公式4-3、4-4所示。 (4-3) (4-4)由于輸出的電壓由開關(guān)管的開通與關(guān)斷頻率決定的，所以輸出電壓為無數(shù)的寬度極小的矩形波組成，在matlab中，逆變電路輸出電壓頻率有pwm脈沖觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置。其參數(shù)設(shè)置如下圖4-9所示。圖4-9 pwm脈沖觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置在pwm控制電路中，載波頻率fc與調(diào)制頻率fr之比稱為載波比。通過載波與信號波能否同步以及載波比變化的情況，pwm的調(diào)制方法能夠分成異步調(diào)制與同步調(diào)制兩種方法。本設(shè)計采用異步調(diào)制的方法。載波的信號與調(diào)制的信號沒有維持同步的調(diào)制方法叫做異

53、步調(diào)制。異步調(diào)制方法里，大多將載波頻率fc固定不發(fā)生變化，因此若信號波的頻率fr變化的時候，載波比n就會變化。于此同時，于信號波的半 個周期以內(nèi)，pwm波脈沖的個數(shù)不是固定不變的，相位也不是固定不變的，正負半周的脈沖就不會對稱，半周期以內(nèi)四分之一的周期脈沖也不是對稱的。載波比n的大小會影響輸出波形，若信號波 頻率較低，載波比n較大，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)量較多，正負半周期不對稱以及半周期內(nèi)四分之一周期的脈沖不對稱所產(chǎn)生的不利影響都比較小，pwm波形近似正弦波。若信號波的頻率增大，載波比n減小，一周期內(nèi)脈沖數(shù)減小，pwm脈沖不對 稱的影響就會變大，有的時候信號波的微小改變還會產(chǎn)生pwm脈沖的跳動。這就

54、會使輸出的pwm波形和正弦波的差距較大。因此，在采用異步調(diào)制方式的時候，采用較高的載波頻率，以使得信號頻率較高時仍能保持較大的載波比，輸出波形更可能接近正弦波。參數(shù)中，占空比的大小能夠影響輸出的電壓的大小，占空比即一個脈沖周期內(nèi)高電平的所整個周期占的比例。占空比的大小在0-1之間，一般設(shè)置為0.85逆變輸出電壓波形如圖4-10所示。圖4-10 逆變電壓輸出波形除此之外，采樣理論里有一個非常重要的結(jié)論：沖量相等但是形狀不相同的窄脈沖加在擁有慣性環(huán)節(jié)上的時候，它們的效果大致相同，沖量就是指窄脈沖的面積。這里邊所說的效果大致相同，也就是指在環(huán)節(jié)上輸出的相應(yīng)的波形大致相同。如果把脈沖序列運用相等量的等

55、幅但是寬度不等的矩形脈沖替代，把矩形脈沖的中點以及相對應(yīng)的正弦波部分的中點相互重合，并讓矩形波的脈沖以及相對應(yīng)的正弦波部分的面積相同就可以獲到相對應(yīng)的脈沖序列，也就是pwm波?？梢钥闯?，各個脈沖的幅值相同，但是寬度卻是根據(jù)正弦波的規(guī)律變化的。利用面積的等效定理，pwm的波形與正弦波就是效果相同的。正弦波的負半周，也同樣能夠用此方法獲得pwm波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的pwm波形，也稱spwm波形。圖4-9中設(shè)置的輸出的信號波的頻率為50hz，由圖4-10可知輸出電壓的正弦周期為0.02s，頻率即為50hz，與分析的理論值一致，可得，此交流變頻仿真得到了正確的結(jié)果，仿真系統(tǒng)可行。經(jīng)過濾波電路，可以得到正弦波輸出，以負載為純電阻負載為例如圖4-11所示。圖4-11 逆變?yōu)V波輸出波形4.3.3負載對波形的影響研究不同種類的負載對輸出波形的影響，主要比較純電阻負載和電阻電感負載（阻感）的波形。逆變部分的仿真電路圖如圖4-12所示。圖4-12 pwm逆變仿真電路純電阻負載：負載參數(shù)設(shè)置如圖4-13所示，設(shè)置