電力電子課程設計-交流交流變頻器設計

1、課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 題 目: 交流/交流變頻器設計初始條件：輸入三相交流電：380V，50HZ。要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、輸出單相交流電，100V，1200HZ。2、采用兩級變換：AC/DC,DC/AC。3、設計出完整電路圖。時間安排：課程設計時間為兩周，將其分為三個階段。第一階段：復習有關(guān)知識，閱讀課程設計指導書，搞懂原理，并準備收集設計資料，此階段約占總時間的20%。第二階段：根據(jù)設計的技術(shù)指標要求選擇方案，設計計算。約占總時間的40%。第三階段：完成設計和文檔整理，約占總時間的40%。指

2、導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日交流/交流變頻器設計1 設計任務及要求1.1設計任務設計一個交流/交流變頻器設計1.2設計要求初始條件：輸入三相交流電：380V，50HZ。要求完成的主要任務: 1、輸出單相交流電，100V，1200HZ。2、采用兩級變換：AC/DC,DC/AC。3、設計出完整電路圖2 總體設計方案2.1總體結(jié)構(gòu)原理圖根據(jù)設計要求，本次設計的交流/交流變換器需要采用兩級電路，即先采用AC/DC的整流電路，把380V的三相交流電變成直流電，再采用DC/AC的變電路，把直流電變成單相交流電輸出。結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-1所示：輸 入三相交流電AC/DC三相整

3、流電路DC/AC單相逆變電路輸出信號圖2-1 總體結(jié)構(gòu)原理圖2.2 整流濾波電路2.2.1方案選擇方案一：采用三相半波整流電路。該整流電路在控制角小于30時，輸出電壓和輸出電流波形是連續(xù)的，每個晶閘管按相序依次被觸發(fā)導通，同時關(guān)斷前面已經(jīng)導通的晶閘管，每個晶閘管導通120；當控制角大于30時，輸出電壓和輸出電流的波形是斷續(xù)的。當兩個晶閘管同時導通時，即在換向重疊角部分，晶閘管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，而承受的最大正向電壓為相電壓的峰值。方案二：三相橋式整流電路。該整流電路是由一組共陰極和一組共陽極電路串聯(lián)而成的。三相橋式的整流電壓為三相半波的兩倍。三相橋式整流電路在任何時候都有兩個晶閘

4、管導通，而且這兩個晶閘管中一個是共陰極組的，一個是共陽極組的，他們同時導通，形成導電回路。晶閘管承受的最大反向電壓和方案一中一樣，均為線電壓的峰值，但是晶閘管承受的最大正向電壓為相電壓峰值的一半。比較以上兩種方案，方案二整流輸出電壓高，紋波電壓較小而且不存在斷續(xù)現(xiàn)象，同時因電源變壓器在正、負半周內(nèi)部有電流供給給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率高，而且對晶閘管的要求較低，可以減小在整流過程中的功率損耗，提高利用率，因此選用方案二。濾波電路用于濾波整流輸出電壓中的紋波，采用負載電阻兩端并聯(lián)電容器C的方式。2.2.2整流濾波電路設計圖根據(jù)選擇的方案，采用三相橋式全控整流電路。電路圖如圖2-2所

5、示：圖2-2 三相橋式全控整流電路2.2.3 整流濾波電路工作原理當晶閘管的觸發(fā)角=0時，各個晶閘管均在自然換向點處換向。對于共陰極組的三個晶閘管，陽極所接交流電壓只最大的一個導通，而對于共陰極組的三個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最?。ɑ蛘哒f負的最多）的一個導通。通過觸發(fā)脈沖的控制，六個晶閘管按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的順序?qū)ǎ辔灰来蜗嗖?0；共陰極組按VT1VT3VT5的順序?qū)?，相位依次相?20；共陽極組按VT4VT6VT2的順序?qū)ǎ辔灰彩且来蜗嗖?20；同一相的上下兩個橋臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2導通相差180。通過改晶閘管變觸發(fā)角，整流

6、輸出的波形也隨之改變。當帶電阻性負載時，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為120；當帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的角移相范圍為90。三相橋式全控整流電路在=0時的輸出波形圖如圖2-3所示：圖2-3 三相橋式全控整流電路在=0時的輸出波形圖2.2.4 整流濾波電路定量分析根據(jù)三相橋式全控整流電路的工作原理，整流輸出電壓的波形在一個周期內(nèi)脈動六次，而且每次的波形相同，結(jié)合圖2-3，對三相橋式全控整流電路的定量分析只須針對一個脈波進行計算即可。阻感性負載時，由于電流連續(xù)，故有整流輸出電壓平均值為：電阻性負載時，由于電流可能斷續(xù)，故有以下兩種計算方法：當60時，有當60時，有2.3 逆變電路設計

7、2.3.1 方案選擇方案一：采用電流型全橋逆變電路。在電流型逆變電路中，直流輸入時交流整流后，由大電感濾波后形成的電流源。此電流源的交流內(nèi)阻近似于無窮大，他吸收負載的諧波無功功率。逆變電路工作時，輸出電流是幅值等于輸入電流的方波電流。方案二：采用電壓型全橋逆變電路。在電壓型逆變電路中，直流電源是交流整流后，由大電容濾波后形成的電壓源。此電壓源的交流內(nèi)阻抗近似于零，他吸收負載端得諧波無功功率。逆變電路工作時，輸出電壓幅值等于輸入電壓的方波電壓。比較以上兩種方案，電流型橋式逆變電路采用的是半控器件晶閘管，可能出現(xiàn)換相失敗等情況，導致逆變失敗。電壓型橋式逆變電路采用的是全控器件IGBT，便于控制。綜

8、上所述，選擇方案二。2.3.2 SPWM控制技術(shù)的原理SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）控制技術(shù)就是在PWM的基礎上，改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按照正弦規(guī)律排列，這樣波形經(jīng)過適當?shù)臑V波就可以做到正弦波輸出。PWM控制技術(shù)的基礎源于采樣控制理論中的面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。圖2-4中，正弦波被分成N等份，就可以把正弦波看成是由N個彼此相連的脈沖序列組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于/N，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同

9、數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形波脈沖和相應的正弦部分面積（沖量）相等，就得到圖2-4下半部分所示的脈沖序列，這就是PWM波形?？梢钥闯龈髅}沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到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2-4 用PWM波代替正弦半波根據(jù)PWM控制的基本原理，如果給出了逆變電路的正弦波輸出的頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)，PWM波形中各個脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算的結(jié)果

10、控制逆變電路中各個開關(guān)的器件的通斷，就可以的到所需要的PWM波形。這種方法稱之為計算法。很明顯可以看出，計算法十分繁瑣，當需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要發(fā)生變化。與計算法相對的是調(diào)制法，即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接收調(diào)制的信號作為載波，通過信號波的調(diào)制的到所期望的PWM波形。圖2-5 調(diào)制法產(chǎn)生SPWM波形2.3.3 逆變電路設計圖根據(jù)選擇的方案，采用電壓型橋式逆變電路。電路圖如圖2-5所示：圖2-5 電壓型橋式逆變電路2.3.4 逆變電路工作原理設在時刻前和導通，輸出電壓為，時刻和柵極信號反向，截止，而電流不能突變，不能立刻導通，導通續(xù)流。因和同時導通，所以為零。

11、時刻和柵極信號反向，截止，不能立刻導通，導通續(xù)流，和構(gòu)成電流通道，輸出電壓為。負載電流過零反向時，和導通，輸出電仍為。以后過程和前面類似。圖2-6 電壓型橋式逆變電路工作波形圖3 MATLAB仿真3.1 整流電路仿真利用MATLAB軟件對設計的整流部分進行仿真，仿真電路圖如圖3-1所示：圖3-1整流電路仿真電路圖圖3-2 整流電路仿真結(jié)果3.2 逆變電路仿真利用MTLAB軟件對逆變部分進行仿真，仿真電路如圖3-3所示：圖3-3 逆變電路仿真電路圖圖3-4逆變電路仿真結(jié)果4.心得體會剛開始看到這個題目的時候，覺得好像不是很難，因為理論知識在課本上都講過了，而且不難理解。對于交流/交流逆變器，一般

12、有兩種方法，一種是直接的AC/AC變換，另一種是先AC/DC整流，再DC/AC逆變。相比之下，第二種方法簡單一點，因為就是整流電路和逆變電路的結(jié)合，只要分別做好兩個部分，然后把它們組合成一個完整電路，就完成了交流/交流變頻器電路的設計。但是在實際操作的過程中，還是遇到了一些問題，比如在使用protel繪制原理圖時，有一些元件找不到，最后只能通過修改元件的方法，自己繪制了一個。在設計過程中遇到的最大問題就是在使用MATLAB仿真。因為很少使用MATLAB軟件，對它不是很了解，在仿真的過程中，按照以前使用proteus等軟件的思路去一個一個的找元件，然后按照原理圖把他們連接好，但是連接好后，發(fā)現(xiàn)需

13、要的脈沖信號太多了，不知道要怎樣設置各個信號之間的間隔，導致不能仿真，只能重新來過。后來通過請教同學，知道可以使用simulink仿真元件庫里的一些集成元件，比如整流橋等，只需要對他們的參數(shù)進行調(diào)試，就能很輕松的用較少的元件完成原理圖的設計。在確認電路圖無誤后，就開始仿真，但是仿真出來的結(jié)果和理論值千差萬別，自己也不知道為什么，只好在每個部分都添加了電流表和電壓變，并通過示波器顯示的波形來研究究竟是哪一個環(huán)節(jié)出了問題，然后嘗試著去修改一些元件的參數(shù)值，然后再仿真，再修改，如此反復，直到波形和理論值相近，最終調(diào)出了滿意的波形。通過這次課程設計，我個人感覺獲益匪淺， 不僅通過這次課程設計加深了對書

14、本理論知識的理解，更通過自己的親身實踐，對書本知識在實踐中的應用有了更深的認識。除此之外，這次課程設計用到的一些軟件，比如protel和MATLAB等，都是自己平時很少接觸的，但是作為自動化專業(yè)的學生，這些軟件又是必須掌握的，正好借這次課程設計，初步認識了解了一下這些軟件，對今后的學習會有很大幫助。附表一 總體電路圖設計附表二 總體MATLAB仿真圖參考文獻1 何超.交流變頻調(diào)速技術(shù).北京：北京航空航天出版社,2006.1-65.2 梁昊.最新變頻器標準實施和設計.北京：電力出版社，2005.125-136.3 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2007.1-165. 4 杜金

15、城.電氣變頻調(diào)速設計技術(shù).北京：中國電力出版社，2001.195-205. 5 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎.北京：高等教育出版社，2001.171-201.6 孫立志.PWM與數(shù)字電動機控制技術(shù)應用.北京：中國電力出版社，2008. 1-22 7 陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，1998.5-35. 8 葉斌.電力電子應用技術(shù).北京：清華大學出版社，2006.199-236. 目錄1 設計任務及要求11.1設計任務1設計一個交流/交流變頻器設計11.2設計要求12 總體設計方案22.1總體結(jié)構(gòu)原理圖22.2 整流濾波電路22.2.1方案選擇22.2.2整流濾波電路設計圖32.2.3 整流濾波電路工作原理32.2.4 整流濾波電路定量分析42.3 逆變電路設計52.3.1 方案選擇52.3.2 SPWM控制技術(shù)的原理52.3.3 逆變電路設計圖72.3.4 逆變電路工作原理73 MATLAB仿真83.1 整流電路仿真83.2 逆變電路仿真94 心得體會10附表一