電力電子課程設(shè)計(jì)單相橋式晶閘管有源逆變電路設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)學(xué)生姓名： 謝海椿 學(xué) 號(hào)： 0905054236 學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 題 目： 單相橋式晶閘管有源逆變電路設(shè)計(jì) （反電勢(shì)阻感負(fù)載） 指導(dǎo)教師： 方煒 職稱(chēng): 講師 2011年12月31日中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 11/12 學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 謝海椿 學(xué) 號(hào)： 0905054236 課程設(shè)計(jì)題目： 單相橋式晶閘管有源逆變電路設(shè)計(jì) （反電勢(shì)阻感負(fù)載） 起 迄 日 期： 12月25日 12月31日 課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 電氣工程系實(shí)驗(yàn)中心 指 導(dǎo) 教 師： 方煒 系 主 任： 王忠

2、慶 下達(dá)任務(wù)書(shū)日期: 2011年 12月 25 日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)1設(shè)計(jì)目的：1）培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用internet檢索需要的文獻(xiàn)資料。2）培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。3）培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力和工程設(shè)計(jì)的能力。4）提高學(xué)生課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫(xiě)水平。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：設(shè)計(jì)內(nèi)容：1、設(shè)計(jì)一個(gè)單相橋式晶閘管有源逆變電路（反電勢(shì)阻感負(fù)載）設(shè)計(jì)要求： 1）電源電壓：交流50v/50hz；2）逆變功率：200w；3）反電勢(shì)： e=70v；4）逆變角：=35。3設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、圖紙、實(shí)物

3、樣品等：設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求：1）根據(jù)課程設(shè)計(jì)題目，收集相關(guān)資料、設(shè)計(jì)主電路和觸發(fā)電路； 2）用multisim等軟件制作主電路和控制電路原理圖；3）撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告畫(huà)出主電路、控制電路原理圖，說(shuō)明主電路的工作原理，完成元器件參數(shù)計(jì)算，元器件選型，說(shuō)明控制電路的工作原理，用multisim或ewb等軟件繪出主電路典型的輸出波形（比較實(shí)際波形與理論波形），繪出觸發(fā)信號(hào)（驅(qū)動(dòng)信號(hào)）波形，說(shuō)明設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法，附參考資料。課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)4主要參考文獻(xiàn)：1、樊立萍，王忠慶.電力電子技術(shù).北京:北京大學(xué)出版社,20062、徐以榮，冷增祥.電力電子技術(shù)基礎(chǔ).南京：東南

4、大學(xué)出版社，19993、王兆安,黃俊.電力電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,20054、童詩(shī)白.模擬電子技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社, 20015、閻石.數(shù)字電子技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社, 19986、邱關(guān)源.電路.北京：高等教育出版社，19995設(shè)計(jì)成果形式及要求：1）撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告；2）用protel或其它軟件畫(huà)出主電路和觸發(fā)電路原理圖；3）用ewb或其它軟件繪出主電路典型波形，觸發(fā)信號(hào)（驅(qū)動(dòng)信號(hào)）波形。6工作計(jì)劃及進(jìn)度：2011年 12月25日 12月27日 收集資料，計(jì)算所需參數(shù)并選定元器件；12月28日 12月29日 完成主電路、控制電路設(shè)計(jì)；繪出波形圖；12月30日 12月31日

5、完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，下午答辯。系主任審查意見(jiàn)： 簽字： 2011年12月25日一、緒論1.逆變技術(shù)介紹：逆變技術(shù)的原理早在1931 年就有人研究過(guò)，從1948 年美國(guó)西屋電氣公司研制出第一臺(tái)3khz 感應(yīng)加熱逆變器至今已有近60 年歷史了，而晶閘管scr 的誕生為正弦波逆變器的發(fā)展創(chuàng)造了條件，到了20 世紀(jì)70 年代，可關(guān)斷晶閘管（gto）、電力晶體管（bjt） 的問(wèn)世使得逆變技術(shù)得到發(fā)展應(yīng)用。到了20 世紀(jì)80 年代，功率場(chǎng)效應(yīng)管（mosfet）、絕緣柵極晶體管（igbt）、mos 控制晶閘管（mct）以及靜電感應(yīng)功率器件的誕生為逆變器向大容量方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，因此電力電子器件的發(fā)展為逆變技

6、術(shù)高頻化，大容量化創(chuàng)造了條件。進(jìn)入80 年代后，逆變技術(shù)從應(yīng)用低速器件、低開(kāi)關(guān)頻率逐漸向采用高速器件，提高開(kāi)關(guān)頻率方向發(fā)展。逆變器的體積進(jìn)一步減小，逆變效率進(jìn)一步提高，正弦波逆變器的品質(zhì)指標(biāo)也得到很大提高。2.軟件介紹：ni multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借ni multisim，可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫(kù)的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)spice模擬器模仿電路行為。借助專(zhuān)業(yè)的高級(jí)spice分析和虛擬儀器，能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與ni labview和signalexpress軟件的集成，完善

7、了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測(cè)量。二、原理概述在電力電子技術(shù)中，把直流電能變換成為交流電能的過(guò)程稱(chēng)為逆變。當(dāng)交流側(cè)為供電電源時(shí)稱(chēng)為有源逆變。要使負(fù)載側(cè)反過(guò)來(lái)通過(guò)變流器向交流電源供電（即能量反傳遞）而且電流流向不變，則在負(fù)載側(cè)必須存在一個(gè)直流電源e（電動(dòng)勢(shì)），這個(gè)電源可以是電池，也可以是直流發(fā)電機(jī)或直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，這個(gè)電源的極性與整流電壓極性相反。兩個(gè)電源之間的能量交換必須使這兩電源同極性相連接。這樣，欲使負(fù)載中直流電源的能量反流回交流電源中去，則必須要求變流器能產(chǎn)生一個(gè)與原整流電壓u極性相反的電壓，稱(chēng)之為逆變電壓u，且ue，u為逆變電壓的平均值。由于希

8、望在能量交換中的能量損失盡可能地小，因此回路中的電阻r均較小，這樣u較接近于e。綜上所訴，有源逆變本質(zhì)上是觸發(fā)角大于90度的整流，有源逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與整流一模一樣，只是當(dāng)觸發(fā)角大于90度時(shí)整流電路的功率方向發(fā)生了變化。為了實(shí)現(xiàn)逆變功能，有源逆變電路必須滿足兩個(gè)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ue，并將其能量饋送給交流電源。三、參數(shù)計(jì)算題目要求：電源電壓：交流50v/50hz逆變功率：p=200w反電勢(shì)：e=70v逆變角：=35計(jì)算：輸入電壓有

9、效值u=50v u=和=得u=0.9cos() i= p=|e i|ir和p=200w u=-36.86v i=5.43a r=6.10晶閘管的選?。侯~定電壓：=70.71v，取23倍的電壓安全儲(chǔ)備，并考慮晶閘管電壓安全系列取額定電壓為200v。額定電流：查表可得k=ii=2，i=k/1.57=2.41，取2倍電流安全儲(chǔ)備并考慮晶閘管原件額定電流系列取額定電流為5a。控制電路設(shè)計(jì)： 電源頻率f=50hz,周期t1=20ms 觸發(fā)電路周期t2=t1=20ms 觸發(fā)角=180-=180-35=145 d1，d3觸發(fā)時(shí)間為：t=t2=8.06ms d2, d4觸發(fā)時(shí)間為：t=t+t2=18.06ms

10、四、實(shí)驗(yàn)原理圖及其分析實(shí)驗(yàn)理論圖實(shí)驗(yàn)原理圖原理圖分析：負(fù)載側(cè)存在一個(gè)直流電源e=70v（電動(dòng)勢(shì)），由它提供能量，其電勢(shì)極性與單向橋式整流電壓相反，對(duì)晶閘管為正向偏置電壓。 在0145時(shí)，d1、d3導(dǎo)通，145325時(shí)，d2、d4導(dǎo)通，如此循環(huán)。變流器在其直流側(cè)輸出了一個(gè)與原整流電壓極性相反的逆變電壓u=36.86v，其平均值ue，以吸收能量，并將其能量饋送給交流電源?？刂齐娐吩韴D控制電路原理：控制電路采用脈沖信號(hào)發(fā)生器，作為晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，其參數(shù)如上圖所示。其中d1，d3觸發(fā)時(shí)間為：t=t=8.06ms，d2,d4觸發(fā)時(shí)間為：t=t+t=18.06ms，且控制電路周期和交流電源周期相同，使

11、得兩組晶閘管交替觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)逆變。晶閘管d1、d3門(mén)極觸發(fā)電源參數(shù)晶閘管d2、d4門(mén)極觸發(fā)電源參數(shù)d1、d3觸發(fā)脈沖波形圖d2、d4觸發(fā)脈沖波形圖ud波形圖ud波形與u2波形比較晶閘管1、3電壓波形圖晶閘管2、4電壓波形圖逆變電壓、平均電流、逆變功率讀數(shù)晶閘管、電感、電流表不是理想器件，它們都有電阻，而電阻為6.1，數(shù)值較小，器件電阻對(duì)電路電流影響較大，導(dǎo)致電流達(dá)不到理想值，從而使得逆變功率與理想值有出入。五、實(shí)驗(yàn)問(wèn)題及解決方案1.電感的選取問(wèn)題：測(cè)定輸出電壓波形時(shí)，當(dāng)電感小于10mh時(shí)，仿真若干周期后輸出電壓波形出現(xiàn)嚴(yán)重失真并且電路運(yùn)行出錯(cuò)，當(dāng)電感大于10mh時(shí)，輸出電壓一直很穩(wěn)定。所以我們?cè)?/p>

12、實(shí)驗(yàn)中選定1gh的電感，使輸出電壓穩(wěn)定。測(cè)定逆變功率時(shí)，當(dāng)電感太大時(shí)（例如1mh），平均電流i很小，而電感較小時(shí)（例如1h），仿真一開(kāi)始即會(huì)報(bào)錯(cuò)，所以測(cè)定逆變功率時(shí)，我們選取的電感為40h，使得輸出電壓波形較穩(wěn)定，且i、逆變功率p比較接近理想值。2.晶閘管的選取：選定不恰當(dāng)?shù)木чl管，仿真時(shí)會(huì)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)或者輸出電壓波形嚴(yán)重失真的情況。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最后選定型號(hào)為egh16-16的晶閘管，此晶閘管在仿真10s后仍能輸出穩(wěn)定準(zhǔn)確的波形。3.逆變功率達(dá)不到要求：剛做實(shí)驗(yàn)時(shí)所選器件不是理想器件，它們都存在電阻，使得逆變功率比要求值小，即使把器件設(shè)置為理想器件，由于電感的存在，逆變功率也只是能接近要求，大概

13、能達(dá)到170w。六、實(shí)驗(yàn)心得 本次電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)我的研究對(duì)象為單項(xiàng)橋式有源逆變電路，對(duì)此我結(jié)合課本知識(shí)與網(wǎng)上搜索的資料，對(duì)其原理及實(shí)現(xiàn)做出了深刻的研究和分析。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，暴露出我在平時(shí)的學(xué)習(xí)中，沒(méi)有注意理論與實(shí)際的差別，僅局限于學(xué)習(xí)課本知識(shí)，沒(méi)有及時(shí)擴(kuò)充自己的視野，譬如晶閘管有很多不同的型號(hào)，我只能計(jì)算出理論的額定電壓額定電流，但是根據(jù)額定電壓和額定電流選取晶閘管時(shí)，我就不知道該如何選取了，導(dǎo)致在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中花費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間才選出合適的晶閘管。我平時(shí)沒(méi)有在學(xué)習(xí)仿真軟件方面下功夫，只是在實(shí)驗(yàn)時(shí)才偶爾使用一兩次，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)不知如何使用軟件，通過(guò)問(wèn)同學(xué)和上網(wǎng)查資料才知道如何使用multisim研究我們的課程設(shè)計(jì)。在網(wǎng)上搜索資料時(shí)，查出的信息往往不