電力電子課程設計6

1、目 錄1主電路設計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斷及有關參數(shù)計算4 1.5規(guī)則采樣法51.6元件清單52控制電路設計6 2.1逆變控制電路的設計6 2.2 正弦波輸出變壓變頻電源調制方式8 2.2.1 正弦脈寬調制技術82.2.2單極性調制方式92.2.3 雙極性調制方式92.2.4 單極性倍頻調制方式92.3 3種調制方式下逆變器輸出電壓諧波分析92.3.1單極性調制方式102.3.2對單極性調制方式如上公式102.3.3對單極性倍頻調制方式如上公式103關于逆變電路各項注意11 3.1提高直流電壓利用率和減少開關次數(shù)11 3.2 線

2、電壓控制方式（疊加3次諧波）11 3.3 電路的保護與散熱113.4 過電流保護 123.5驅動電路的設計133.6 元件清單144 仿真實驗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 結論221 主電路設計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器件的電壓型單相橋式逆變電路，設負載為電感性，對各晶體管的控制按下面的規(guī)律進行：在正半周期，讓晶體管v1一直保持導通，而讓晶體管v4交替通斷。當天v1和v4導通時，負載上所加的電壓為直流電源電壓ud 。當v1導通而使v4關斷后，由于電感性

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

4、2、v1前移180°q。輸出電壓是正負各為q 的脈沖。改變q 就可調節(jié)輸出電壓。故移相調壓就是調節(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在信號波ur的正半周為正極性的三角波，在負半周為負極性的三角波。調制信號ur為正弦波。在ur和uc 的交點時刻控制晶體管v4或v3的通斷。在ur的正半周，v1保持導通，當ur>uc時，使v4導通，負載電壓 uo=ud ，當ur<uc時，使v4關斷，uo=0；在ur 的負半周，v1關斷，v2保持導通，當ur<uc時，使v3導通，uo=-ud，當ur>uc時，使v3關斷

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 的半個周期內，三角波載波只在一個方向變化，所得到的pwm波形也只在一個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的半個周期內，三角波載波是在正負兩個方向變化的，所得到的pwm波形也是在兩個方向變化的。在ur的一周期內，輸出的pwm波形只有±ud兩種電平。仍然在調制信號ur

6、 和載波信號uc 的交點時刻，控制各開關器件的通斷。在ur的正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律相同。當 ur>uc 時，給晶體管v1和v4以導通信號，給v2、v3以關斷的信號，輸出電壓 uo=ud 。當ur<uc時，給v2和v3以導通信號，給v1和v4以關斷信號，輸出電壓 uo=-ud ?？梢钥闯?，同一半橋上下兩個橋臂晶體管的驅動信號極性相反，處于互補工作方式。在電感性負載的情況下，若v1和v4處于導通狀態(tài)時，給v1和v4以關斷信號，而給v2和v3以導通信號后，則v1和v4立即關斷，因感性負載電流不能突變，v2和v3并不能立即導通，二極管vd2和vd3導通續(xù)流。當感性負載電流較大時，

7、直到下一次v1和v4重新導通前，負載電流方向始終未變，vd2和vd3持續(xù)導通，而v2和v3始終未導通。當負載電流較小時，在負載電流下降到零之前，vd2和vd3續(xù)流，之后v2和v3導通，負載電流反向。不論vd2和vd3導通，還是v2和v3導通，負載電壓都是 ud 。從v2和v3導通向v1和v4導通切換時，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斷及有關參數(shù)計算晶閘管需一段時間才能恢復正向阻斷能力，換流結束后還要使vt1、vt4承受一段反壓時間t，tb= t5- t4應大于晶閘管的關斷時間tq。為保證可靠換流，應在uo過零前td= t5- t2時刻觸發(fā)vt2、vt3 。.

8、t 為觸發(fā)引前時間 ： io超前于uo的時間 ： 表示為電角度 ： 為電路工作角頻率；g、b分別是tg、tb對應的電角度。忽略換流過程，io可近似成矩形波，展開成傅里葉級數(shù)： 基波電流有效值 ：基波電流有效值 ： 負載電壓有效值uo和直流電壓ud的關系（忽略ld的損耗，忽略晶閘管壓降）： 實際上如中頻加熱過程中，感應線圈參數(shù)隨時間變化，必須使工作頻率適應負載的變化而自動調整，這種控制方式稱為自勵方式；定工作頻率的控制方式稱為他勵方式。自勵方式存在起動問題，解決方法：1）先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉入自勵方式；2）附加預充電起動電路，形成衰減振蕩后，再轉入自勵。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，k=0,2,4, ；n=2,4,6,時，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。 設正弦調制信號波為 式中，a稱為調制度，0a<1；wr為正弦信號波角頻率，從圖1-5中可以得出如下關系式 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控制電路設計2.1 逆變控制電路的設計逆變電源控制電路的核心是spwm發(fā)生器。spwm的實現(xiàn)包括分立電路、集成芯片和單片機實現(xiàn)。它們的電氣性能

10、和成本有所不同，各有自己的優(yōu)勢和不足之處。逆變電源spwm電路的調制頻率固定為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.以標準的正弦波信號為參考，將輸出電壓的反饋信號與之相比較，經由ic1及其外圍電路組成的pi型誤差放大器調節(jié)后得到一個控制信號，送到ic2去調制三角波，既可得到spwm波形。ic3和ic4分別為正負值比較器，它們的輸出信號分別ic5和ic6，從而將spwm交替地分成兩路，各自放大后驅動相應的開關管對，控制主回路完成spwm逆變。需要注意的是，驅動電路要將每一路信號分成相互隔離的兩路，分別驅動處于對角位置上的兩只開關管。圖2-3為雙極性spwm調制方式波形。以上控制電路的特點是不僅能控制正弦波輸出的有效值，還能調節(jié)輸出電壓的瞬時值，優(yōu)化波形，減

12、小諧波失真，提高帶負載能力。 圖2-3 雙極性spwm調制方式波形2.2 正弦波輸出變壓變頻電源調制方式2.2.1 正弦脈寬調制技術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制技術即spwm控制技術。單相全橋式電壓型spwm逆變器電路拓撲結構圖如圖（2-4）所示。圖 (2-4) 中s1s4的通斷由正弦脈寬調制產生的信號來控制。 spwm正弦脈寬調制可分為雙極性調制方式、單極性調制方式和單極性倍頻調制方式。 圖2-4主電路拓撲圖2.2.2單極性調制方式單極性調制方式的特點是在一個開關周期內兩只功率管以較高的開關頻率互補開關，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損耗。但又不是固定其中一個橋臂始終為低頻(輸出基頻)，另一個橋臂始終為高頻載波頻率)，而是每半個輸出電壓周期切換工作，即同一個橋臂在前半個周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對于選用同樣的功率管時，使其使用壽命均衡，對增加可靠性有利。2.2.3 雙極性調制方式 雙極性調制方式的特點是4個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，但其代價是產生了較大的開關損耗。2.2.4 單極性倍頻調制方式單極性倍頻調制方式的特點足輸出spwm波的脈動頻率是單極性的兩

14、倍，4個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，因此，開關管損耗與雙極性相同。2.3 3種調制方式下逆變器輸出電壓諧波分析用mathcad可推導出3種不同調制方式下逆變器輸出電壓各次諧波有效值與頻率的關系式。2.3.1單極性調制方式2.3.2對單極性調制方式如上公式（2）2.3.3對單極性倍頻調制方式如上公式（3）式中：m為調制比；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種調制方式下逆變器輸出電壓未經濾波前，單極性調制方式及雙極性調制方式下逆變器輸出電壓諧波分量主要集中在升關頻率及其倍頻附近，且單極性調制方式下逆變器輸出電壓諧波分量比雙極性要小。單極性倍頻調制方式下輸出電壓的諧

15、波分量主要在2倍升關頻率及4倍開關頻率附近。選擇wpwm逆變器的輸出lc濾波器的轉折頻率為開關頻率的ii0，lc濾波器對開關頻率及其倍頻附近的諧波具有明顯的衰減作用。3 關于逆變電路各項注意3.1提高直流電壓利用率和減少開關次數(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；減少器件的開關次數(shù)可以降低開關損耗；正弦波調制的三相pwm逆變電路，調制度a為1時，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。這個值是比較低的，其原因是正弦調制信號的幅值不能超過三角波幅值，實際電路工作時，考慮到功率器件的開通和關

16、斷都需要時間，如不采取其他措施，調制度不可能達到1。采用這種調制方法實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）對兩個線電壓進行控制，適當?shù)乩枚嘤嗟囊粋€自由度來改善控制性能。目標使輸出線電壓不含低次諧波的同時盡可能提高直流電壓利用率，并盡量減少器件開關次數(shù)。在相電壓調制信號中疊加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，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，也可疊加直流分量，都不會影響線電壓。3.3 電路的保護與散熱對于單相橋式電壓型逆變電

17、路需要對電路提供保護與散熱，因為電路存在很多不確定的外界因素，所以要裝過載保護和短路保護還有就是過電流保護。對于驅動晶體管需要提供散熱器來讓它散熱，且晶體管必須隔離rt 總內阻，/w；rtj器件的內熱阻，/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。tj 和rtj 是發(fā)熱源器件提供的參數(shù)（前述），pc 是設計要求的

18、參數(shù)，rtc 可從熱設計專業(yè)書籍中查表。（1） 計算總熱阻rt：rt= (tjmax-ta)pc（2） 計算散熱器熱阻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（自然冷卻或強迫風冷），根據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算值時，就找到了合適的散熱器。3.4 過電流保護 過電流保護采用電流互感器作為電流檢測元件,其具有足夠快的響應速度,能夠在igbt允許的過流時間內將其關斷,起到保護作用。 如圖3-1所示,過流保護信號取自ct2,經分壓、濾波后

19、加至電壓比較器的同相輸入端,如圖11所示。當同相輸入端過電流檢測信號比反相輸入端參考電平高時,比較器輸出高電平,使d2從原來的反向偏置狀態(tài)轉變?yōu)檎驅?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,該過電流信號還送到sg3525的腳10。當sg3525的腳10為高電平時,其腳11及腳14上輸出的脈寬調制脈沖就會立即消失而成為零。 圖3-1 過電流保護電路 3.5驅動電路的設計 驅動電路的設計既要考慮在功率管需要導通時,能迅速地建立起驅動電壓,又要考慮在需要關斷時,能迅速地泄放功率管柵極電容上的電荷,拉低驅動電壓。具體驅動電路如圖3-2所示 圖3-2 驅動電路 其工作原理是： （1）當光耦原邊有控制電路的驅動脈沖電流流過時,光耦導通,使q1的基極電位迅速上升,導致d2導通,功率管的柵極電壓上升,使功率管導通; （2）當光耦原邊無控制電路的驅動脈沖電流流過時,光耦不導通,使q1的基極電位拉低,而功率管柵極上的電壓還為高,所以導致q1導通,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斷。 當然,對于功率管的保護同樣重要,所以在功率管源極和漏極之間要加一個緩沖電路避免功率管被過高的正、反向電壓所損壞。3.6 元件清單編號元件名個數(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