電力電子課程設(shè)計(jì)6

1、目 錄1主電路設(shè)計(jì)2 1.1主電路圖2 1.2主電路原理分析2 1.3波形分析3 1.4保證晶閘管的可靠關(guān)斷及有關(guān)參數(shù)計(jì)算4 1.5規(guī)則采樣法51.6元件清單52控制電路設(shè)計(jì)6 2.1逆變控制電路的設(shè)計(jì)6 2.2 正弦波輸出變壓變頻電源調(diào)制方式8 2.2.1 正弦脈寬調(diào)制技術(shù)82.2.2單極性調(diào)制方式92.2.3 雙極性調(diào)制方式92.2.4 單極性倍頻調(diào)制方式92.3 3種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分析92.3.1單極性調(diào)制方式102.3.2對(duì)單極性調(diào)制方式如上公式102.3.3對(duì)單極性倍頻調(diào)制方式如上公式103關(guān)于逆變電路各項(xiàng)注意11 3.1提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)11 3.2 線

2、電壓控制方式（疊加3次諧波）11 3.3 電路的保護(hù)與散熱113.4 過電流保護(hù) 123.5驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)133.6 元件清單144 仿真實(shí)驗(yàn)154.1 單相橋式pwm逆變主電路原理圖154.2 控制電路原理圖154.3 仿真所得波形165 結(jié)論221 主電路設(shè)計(jì)1.1 主電路圖 圖1-1單相橋式pwm逆變電路1.2 主電路原理分析圖1是采用電力晶體管作為開關(guān)器件的電壓型單相橋式逆變電路，設(shè)負(fù)載為電感性，對(duì)各晶體管的控制按下面的規(guī)律進(jìn)行：在正半周期，讓晶體管v1一直保持導(dǎo)通，而讓晶體管v4交替通斷。當(dāng)天v1和v4導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載上所加的電壓為直流電源電壓ud 。當(dāng)v1導(dǎo)通而使v4關(guān)斷后，由于電感性

3、負(fù)載中的電流不能突變，負(fù)載電流將通過二極管vd3續(xù)流，負(fù)載上所加電壓為零。如負(fù)載電流較大，那么，直到使v4再一次導(dǎo)通之前，vd3一直持續(xù)導(dǎo)通。如負(fù)載電流較快地衰減到零，在v4再一次導(dǎo)通之前，負(fù)載電壓也一直為零。這樣，負(fù)載上的輸出電壓uo就可得到零和ud交替的兩種電平。同樣，在負(fù)半周期，讓晶體管v2保持導(dǎo)通。當(dāng)v3導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載被加上負(fù)電壓 ud，當(dāng)v3關(guān)斷時(shí)，vd4續(xù)流，負(fù)載電壓為零，負(fù)載電壓uo可得到 ud 和零兩種電平。這樣，在一個(gè)周期內(nèi)，逆變器輸出的pwm波形就由 ±ud 、0三種電平組成。v3的基極信號(hào)比v1落后q （0 q 180 °）。v3、v4的柵極信號(hào)分別比v

4、2、v1前移180°q。輸出電壓是正負(fù)各為q 的脈沖。改變q 就可調(diào)節(jié)輸出電壓。故移相調(diào)壓就是調(diào)節(jié)輸出電壓的脈寬。 圖1-2工作波形1.3 波形分析 控制v4或v3通斷的方法如圖1-3所示。載波uc在信號(hào)波ur的正半周為正極性的三角波，在負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。調(diào)制信號(hào)ur為正弦波。在ur和uc 的交點(diǎn)時(shí)刻控制晶體管v4或v3的通斷。在ur的正半周，v1保持導(dǎo)通，當(dāng)ur>uc時(shí)，使v4導(dǎo)通，負(fù)載電壓 uo=ud ，當(dāng)ur<uc時(shí)，使v4關(guān)斷，uo=0；在ur 的負(fù)半周，v1關(guān)斷，v2保持導(dǎo)通，當(dāng)ur<uc時(shí)，使v3導(dǎo)通，uo=-ud，當(dāng)ur>uc時(shí)，使v3關(guān)斷

5、，uo=0。這樣，就得到了spwm波形 uo 。圖中的虛線 uof 表示 uo中的基波分量。像這種在 ur 的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波只在一個(gè)方向變化，所得到的pwm波形也只在一個(gè)方向變化的控制方式稱為單極性pwm控制方式。 圖1-3單極性pwm控制方式波形 圖1-4雙極性pwm控制方式波形和單極性pwm控制方式不同的是雙極性pwm控制方式。圖1-1的單相橋式逆變電路在采用雙極性控制方式是的波形如圖1-4所示。在雙極性方式中ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波是在正負(fù)兩個(gè)方向變化的，所得到的pwm波形也是在兩個(gè)方向變化的。在ur的一周期內(nèi)，輸出的pwm波形只有±ud兩種電平。仍然在調(diào)制信號(hào)ur

6、 和載波信號(hào)uc 的交點(diǎn)時(shí)刻，控制各開關(guān)器件的通斷。在ur的正負(fù)半周，對(duì)各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當(dāng) ur>uc 時(shí)，給晶體管v1和v4以導(dǎo)通信號(hào)，給v2、v3以關(guān)斷的信號(hào)，輸出電壓 uo=ud 。當(dāng)ur<uc時(shí)，給v2和v3以導(dǎo)通信號(hào)，給v1和v4以關(guān)斷信號(hào)，輸出電壓 uo=-ud ?？梢钥闯觯话霕蛏舷聝蓚€(gè)橋臂晶體管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)極性相反，處于互補(bǔ)工作方式。在電感性負(fù)載的情況下，若v1和v4處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，給v1和v4以關(guān)斷信號(hào)，而給v2和v3以導(dǎo)通信號(hào)后，則v1和v4立即關(guān)斷，因感性負(fù)載電流不能突變，v2和v3并不能立即導(dǎo)通，二極管vd2和vd3導(dǎo)通續(xù)流。當(dāng)感性負(fù)載電流較大時(shí)，

7、直到下一次v1和v4重新導(dǎo)通前，負(fù)載電流方向始終未變，vd2和vd3持續(xù)導(dǎo)通，而v2和v3始終未導(dǎo)通。當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，在負(fù)載電流下降到零之前，vd2和vd3續(xù)流，之后v2和v3導(dǎo)通，負(fù)載電流反向。不論vd2和vd3導(dǎo)通，還是v2和v3導(dǎo)通，負(fù)載電壓都是 ud 。從v2和v3導(dǎo)通向v1和v4導(dǎo)通切換時(shí)，vd1和vd4的續(xù)流情況和上述情況類似。1.4保證晶閘管的可靠關(guān)斷及有關(guān)參數(shù)計(jì)算晶閘管需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力，換流結(jié)束后還要使vt1、vt4承受一段反壓時(shí)間t，tb= t5- t4應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。為保證可靠換流，應(yīng)在uo過零前td= t5- t2時(shí)刻觸發(fā)vt2、vt3 。.

8、t 為觸發(fā)引前時(shí)間 ： io超前于uo的時(shí)間 ： 表示為電角度 ： 為電路工作角頻率；g、b分別是tg、tb對(duì)應(yīng)的電角度。忽略換流過程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級(jí)數(shù)： 基波電流有效值 ：基波電流有效值 ： 負(fù)載電壓有效值uo和直流電壓ud的關(guān)系（忽略ld的損耗，忽略晶閘管壓降）： 實(shí)際上如中頻加熱過程中，感應(yīng)線圈參數(shù)隨時(shí)間變化，必須使工作頻率適應(yīng)負(fù)載的變化而自動(dòng)調(diào)整，這種控制方式稱為自勵(lì)方式；定工作頻率的控制方式稱為他勵(lì)方式。自勵(lì)方式存在起動(dòng)問題，解決方法：1）先用他勵(lì)方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵(lì)方式；2）附加預(yù)充電起動(dòng)電路，形成衰減振蕩后，再轉(zhuǎn)入自勵(lì)。1.5規(guī)則采樣法單相橋式pwm

9、逆變電路所包含的諧波角頻率為式中，n=1,3,5,時(shí)，k=0,2,4, ；n=2,4,6,時(shí)，k=1,3,5, 其pwm波中不含有低次諧波，只含有角頻率為wc及其附近的諧波，以及2wc、3wc等及其附近的諧波。幅值最高影響最大的是角頻率為wc的諧波分量。 設(shè)正弦調(diào)制信號(hào)波為 式中，a稱為調(diào)制度，0a<1；wr為正弦信號(hào)波角頻率，從圖1-5中可以得出如下關(guān)系式 可以得出 脈沖兩邊的間隙寬度d'為 圖4規(guī)則采樣法1.6元件清單 表1 元件清單2控制電路設(shè)計(jì)2.1 逆變控制電路的設(shè)計(jì)逆變電源控制電路的核心是spwm發(fā)生器。spwm的實(shí)現(xiàn)包括分立電路、集成芯片和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。它們的電氣性能

10、和成本有所不同，各有自己的優(yōu)勢(shì)和不足之處。逆變電源spwm電路的調(diào)制頻率固定為50hz不變，為了降低成本，這里用分立電路組成，如圖（2-1）所示。圖2-1單相spwm逆變電源控制電路放大第一路tr1,tr4輸出，第二路tr2,tr3輸出 ic3輸出正值比較 ic4輸出負(fù)值比較,圖中，正弦波發(fā)生器和三角波發(fā)生器分別見下兩圖2-1、2-2。 圖2-2正弦波發(fā)生器c1=0.08µ、r1=10k,c2=0.08µ,r2=1.8k,r3=1.8k,r6=180k,r4=1.6k,r5=1.6k 圖2-3三角波發(fā)生器上圖中c1=0.2µ,c2=1µ,r1=100k,

11、r2=22k,r3=10k,rf=1m,r4=10k.以標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)為參考，將輸出電壓的反饋信號(hào)與之相比較，經(jīng)由ic1及其外圍電路組成的pi型誤差放大器調(diào)節(jié)后得到一個(gè)控制信號(hào)，送到ic2去調(diào)制三角波，既可得到spwm波形。ic3和ic4分別為正負(fù)值比較器，它們的輸出信號(hào)分別ic5和ic6，從而將spwm交替地分成兩路，各自放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開關(guān)管對(duì)，控制主回路完成spwm逆變。需要注意的是，驅(qū)動(dòng)電路要將每一路信號(hào)分成相互隔離的兩路，分別驅(qū)動(dòng)處于對(duì)角位置上的兩只開關(guān)管。圖2-3為雙極性spwm調(diào)制方式波形。以上控制電路的特點(diǎn)是不僅能控制正弦波輸出的有效值，還能調(diào)節(jié)輸出電壓的瞬時(shí)值，優(yōu)化波形，減

12、小諧波失真，提高帶負(fù)載能力。 圖2-3 雙極性spwm調(diào)制方式波形2.2 正弦波輸出變壓變頻電源調(diào)制方式2.2.1 正弦脈寬調(diào)制技術(shù)隨著逆變器控制技水的發(fā)展電壓型逆變器出現(xiàn)了多種的變壓、變頻控制方法。目前采用較多的是正弦脈寬調(diào)制技術(shù)即spwm控制技術(shù)。單相全橋式電壓型spwm逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖（2-4）所示。圖 (2-4) 中s1s4的通斷由正弦脈寬調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)來控制。 spwm正弦脈寬調(diào)制可分為雙極性調(diào)制方式、單極性調(diào)制方式和單極性倍頻調(diào)制方式。 圖2-4主電路拓?fù)鋱D2.2.2單極性調(diào)制方式單極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開關(guān)頻率互補(bǔ)開關(guān)，保證可以得到理想的正

13、弦輸出電壓：另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開關(guān)損耗。但又不是固定其中一個(gè)橋臂始終為低頻(輸出基頻)，另一個(gè)橋臂始終為高頻載波頻率)，而是每半個(gè)輸出電壓周期切換工作，即同一個(gè)橋臂在前半個(gè)周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個(gè)橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對(duì)于選用同樣的功率管時(shí)，使其使用壽命均衡，對(duì)增加可靠性有利。2.2.3 雙極性調(diào)制方式 雙極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是4個(gè)功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，雖然能得到正弦輸出電壓波形，但其代價(jià)是產(chǎn)生了較大的開關(guān)損耗。2.2.4 單極性倍頻調(diào)制方式單極性倍頻調(diào)制方式的特點(diǎn)足輸出spwm波的脈動(dòng)頻率是單極性的兩

14、倍，4個(gè)功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，因此，開關(guān)管損耗與雙極性相同。2.3 3種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分析用mathcad可推導(dǎo)出3種不同調(diào)制方式下逆變器輸出電壓各次諧波有效值與頻率的關(guān)系式。2.3.1單極性調(diào)制方式2.3.2對(duì)單極性調(diào)制方式如上公式（2）2.3.3對(duì)單極性倍頻調(diào)制方式如上公式（3）式中：m為調(diào)制比；n為載波比； f0為正弦波輸出變頻變壓電源的輸出電壓頻率。3種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓未經(jīng)濾波前，單極性調(diào)制方式及雙極性調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分量主要集中在升關(guān)頻率及其倍頻附近，且單極性調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分量比雙極性要小。單極性倍頻調(diào)制方式下輸出電壓的諧

15、波分量主要在2倍升關(guān)頻率及4倍開關(guān)頻率附近。選擇wpwm逆變器的輸出lc濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為開關(guān)頻率的ii0，lc濾波器對(duì)開關(guān)頻率及其倍頻附近的諧波具有明顯的衰減作用。3 關(guān)于逆變電路各項(xiàng)注意3.1提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)直流電壓利用率逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值和直流電壓之比。提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出能力；減少器件的開關(guān)次數(shù)可以降低開關(guān)損耗；正弦波調(diào)制的三相pwm逆變電路，調(diào)制度a為1時(shí)，輸出相電壓的基波幅值為，輸出線電壓的基波幅值為，即直流電壓利用率僅為0.866。這個(gè)值是比較低的，其原因是正弦調(diào)制信號(hào)的幅值不能超過三角波幅值，實(shí)際電路工作時(shí)，考慮到功率器件的開通和關(guān)

16、斷都需要時(shí)間，如不采取其他措施，調(diào)制度不可能達(dá)到1。采用這種調(diào)制方法實(shí)際能得到的直流電壓利用率比0.866還要低。3.2 線電壓控制方式（疊加3次諧波）對(duì)兩個(gè)線電壓進(jìn)行控制，適當(dāng)?shù)乩枚嘤嗟囊粋€(gè)自由度來改善控制性能。目標(biāo)使輸出線電壓不含低次諧波的同時(shí)盡可能提高直流電壓利用率，并盡量減少器件開關(guān)次數(shù)。在相電壓調(diào)制信號(hào)中疊加3次諧波，使之成為鞍形波，輸出相電壓中也含3次諧波，且三相的三次諧波相位相同。合成線電壓時(shí)，3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波。鞍形波的基波分量幅值大。除疊加3次諧波外，還可疊加其他3倍頻的信號(hào)，也可疊加直流分量，都不會(huì)影響線電壓。3.3 電路的保護(hù)與散熱對(duì)于單相橋式電壓型逆變電

17、路需要對(duì)電路提供保護(hù)與散熱，因?yàn)殡娐反嬖诤芏嗖淮_定的外界因素，所以要裝過載保護(hù)和短路保護(hù)還有就是過電流保護(hù)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)晶體管需要提供散熱器來讓它散熱，且晶體管必須隔離rt 總內(nèi)阻，/w；rtj器件的內(nèi)熱阻，/w；rtc器件與散熱器界面間的界面熱阻，/w；rtf 散熱器熱阻，/w；tj 發(fā)熱源器件自有溫度，；tc發(fā)熱源器件表面殼溫度，；tf 散熱器溫度，；ta 環(huán)境溫度，；pc器件使用功率，w；tfa 散熱器溫升，；二，散熱計(jì)算公式：rtf =(tj-ta)pc - rtj -rtc式中：rff（散熱器熱阻）是選擇散熱器的主要依據(jù)。tj 和rtj 是發(fā)熱源器件提供的參數(shù)（前述），pc 是設(shè)計(jì)要求的

18、參數(shù)，rtc 可從熱設(shè)計(jì)專業(yè)書籍中查表。（1） 計(jì)算總熱阻rt：rt= (tjmax-ta)pc（2） 計(jì)算散熱器熱阻rtf 或溫升tfa：rtf = rtrtjrtc tfartf×pc（3）確定散熱器 按照散熱器的工作條件（自然冷卻或強(qiáng)迫風(fēng)冷），根據(jù)rtf 或tfa 和pc 選擇散熱器，查所選散熱器的散熱曲線（rtf 曲線或tfa 線），曲線上查出的值小于計(jì)算值時(shí)，就找到了合適的散熱器。3.4 過電流保護(hù) 過電流保護(hù)采用電流互感器作為電流檢測(cè)元件,其具有足夠快的響應(yīng)速度,能夠在igbt允許的過流時(shí)間內(nèi)將其關(guān)斷,起到保護(hù)作用。 如圖3-1所示,過流保護(hù)信號(hào)取自ct2,經(jīng)分壓、濾波后

19、加至電壓比較器的同相輸入端,如圖11所示。當(dāng)同相輸入端過電流檢測(cè)信號(hào)比反相輸入端參考電平高時(shí),比較器輸出高電平,使d2從原來的反向偏置狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎驅(qū)?并把同相端電位提升為高電平,使電壓比較器一直穩(wěn)定輸出高電平。同時(shí),該過電流信號(hào)還送到sg3525的腳10。當(dāng)sg3525的腳10為高電平時(shí),其腳11及腳14上輸出的脈寬調(diào)制脈沖就會(huì)立即消失而成為零。 圖3-1 過電流保護(hù)電路 3.5驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)既要考慮在功率管需要導(dǎo)通時(shí),能迅速地建立起驅(qū)動(dòng)電壓,又要考慮在需要關(guān)斷時(shí),能迅速地泄放功率管柵極電容上的電荷,拉低驅(qū)動(dòng)電壓。具體驅(qū)動(dòng)電路如圖3-2所示 圖3-2 驅(qū)動(dòng)電路 其工作原理是： （1）當(dāng)光耦原邊有控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過時(shí),光耦導(dǎo)通,使q1的基極電位迅速上升,導(dǎo)致d2導(dǎo)通,功率管的柵極電壓上升,使功率管導(dǎo)通; （2）當(dāng)光耦原邊無控制電路的驅(qū)動(dòng)脈沖電流流過時(shí),光耦不導(dǎo)通,使q1的基極電位拉低,而功率管柵極上的電壓還為高,所以導(dǎo)致q1導(dǎo)通,功率管的柵極電荷通過q1及電阻r3迅速泄放,使功率管迅速可靠地關(guān)斷。 當(dāng)然,對(duì)于功率管的保護(hù)同樣重要,所以在功率管源極和漏極之間要加一個(gè)緩沖電路避免功率管被過高的正、反向電壓所損壞。3.6 元件清單編號(hào)元件名個(gè)數(shù)1放大器52二極管若干3igbt44光耦合晶閘管15示波器16lc濾波單元17變