遼寧工業(yè)大學(xué)100W單相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)裝置

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)（論文）題目：100W單相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)裝置院（系）： 新能源學(xué)院 專業(yè)班級： 電氣141 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間：課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語院（系）：新能源學(xué)院 教研室： 電氣學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級 課程設(shè)計(jì)（論文）題目100W單相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)裝置課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)課題完成的設(shè)計(jì)任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)功能為了電力電子技術(shù)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)此裝置，使學(xué)生通過該裝置測試、觀察及驗(yàn)證單相交-直-交變頻的實(shí)現(xiàn)方法。設(shè)計(jì)任務(wù)1、方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證。2、整流電路設(shè)計(jì)。3、逆變電路設(shè)計(jì)。4、通過計(jì)算選擇器件的具體型

2、號。5、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)或選擇。6、繪制相關(guān)電路圖。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理論分析與計(jì)算要正確。3、文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術(shù)參數(shù)1、交流電源：單相220V。2、為了IGBT的安全，中間直流電壓最大為50V。3、輸出交流電壓約45V。4、輸出最大電流2A。5最大功率：100W。進(jìn)度計(jì)劃 第1天：集中學(xué)習(xí)；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)；第5天：逆變電路設(shè)計(jì)；第6天：控制電路設(shè)計(jì)；第7天：器件選擇；第8天：系統(tǒng)調(diào)試或仿真；第9天：總結(jié)并撰寫說明書；第10天：答辯指導(dǎo)教師評語及成績 平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)

3、教師簽字： 年 月 日注：成績：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算                                           

4、                                                  

5、                     摘 要 隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，單相交-直-交變頻系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，其顯著的變頻能力，寬泛的應(yīng)用范圍，完善的保護(hù)功能，以及易于實(shí)現(xiàn)的變頻功能，得到了廣大用戶的認(rèn)可，在運(yùn)行的安全可靠、安裝使用、維修維護(hù)等方面，也給使用者帶來了極大的便利。因此，研究交直交變頻系統(tǒng)的基本工作原理和作用特性意義十分重大

6、。 本文研究的單相交-直-交變頻電路可分為主電路和控制電路，其主電路包括整流電路、濾波電路和逆變電路，而控制電路包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路。對于整流部分采用不可控制整流電路；濾波部分采用LC低通濾波器，得到高頻率的正弦波交流輸出；逆變部分由四只IGBT管組成單相橋式逆變電路?？刂齐娐愤x用以單片集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038為核心組成，生成兩路PWM信號，分別用于控制兩對IGBT；驅(qū)動(dòng)電路采用了具有電氣隔離集成驅(qū)動(dòng)芯片M57962L；保護(hù)電路采用雙D觸發(fā)器CD4013。關(guān)鍵詞：整流；濾波；逆變；IGBT；PWM。目錄第1章 緒論11.1 電力電子技術(shù)概況11.2 本文設(shè)計(jì)

7、內(nèi)容2第2章 單相交直交變頻電路設(shè)計(jì)32.1單相交直交變頻電路總體設(shè)計(jì)方案32.2具體電路設(shè)計(jì)32.2.1主電路設(shè)計(jì)32.2.2整流電路42.2.3濾波電路52.2.4逆變電路62.2.5控制電路設(shè)計(jì)82.2.6驅(qū)動(dòng)電路92.3器件參數(shù)的確定11第3章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)12參考文獻(xiàn)13附錄14第1章 緒論1.1 電力電子技術(shù)概況隨著科技的不斷發(fā)展和人們要求的不斷提高，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。當(dāng)今世界先進(jìn)工業(yè)國家正處于由“工業(yè)經(jīng)濟(jì)”模式向“信息經(jīng)濟(jì)”模式轉(zhuǎn)變的時(shí)期。電力電子技術(shù)作為信息產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之間的橋梁，是在非常廣泛的領(lǐng)域內(nèi)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、支持高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，

8、電力電子技術(shù)將在國民經(jīng)濟(jì)中扮演者越來越重要的角色。集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)的電力系統(tǒng)是目前電能生產(chǎn)、輸送和分配的主要方式。但是在配電網(wǎng)中，城市居民和商業(yè)用戶、農(nóng)村和半城鎮(zhèn)區(qū)域的負(fù)荷具有很大的隨機(jī)波動(dòng)性。家用空調(diào)隨氣溫變化的無規(guī)律啟停，降水降雪和大風(fēng)的無常發(fā)生，以及其他不確定因素所引起的負(fù)荷變化給配電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行帶來了巨大的難題和挑戰(zhàn)。特別是在我國中西部的偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)村和一些游牧民族地區(qū)，如果采用傳統(tǒng)的集中式供電方式，新建配電網(wǎng)絡(luò)，不僅在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)起來難度非常大，而且在經(jīng)濟(jì)效益上也是不可取的。因此，歐美的電力專家提出了投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容的分布式發(fā)電與大電網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行的

9、方式，以提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性、可靠性和安全性。目前，大電網(wǎng)與分布電網(wǎng)相結(jié)合被世界許多電力專家公認(rèn)為是能夠節(jié)省投資降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性的主要方式，是21世紀(jì)電力工業(yè)的發(fā)展方向。一般來說，分布式發(fā)電指的是通過規(guī)模不大、分布在負(fù)荷附近的發(fā)電設(shè)施，為了滿足一些特殊用戶的需求，經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的發(fā)電系統(tǒng)。近年來，分布式發(fā)電技術(shù)的研究取得了突破性的進(jìn)展，分布式發(fā)電有望在電能產(chǎn)中占有越來越大的比重，并對傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)供電方式產(chǎn)生重大的影響。 通常這些發(fā)出的電都不是與電網(wǎng)供電系統(tǒng)相同的交流電，無法與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)或者直接供給普通負(fù)載使用，都需要變頻裝置將其變換成負(fù)載可以使用的交流電

10、或者與大電網(wǎng)電壓、頻率相匹配的工頻交流電。因此，針對特定的分布式發(fā)電技術(shù)研究與其相配套的變頻電路就很有必要。1.2 本文設(shè)計(jì)內(nèi)容 本文設(shè)計(jì)的是100W單相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)裝置。主要是由整流電路、逆變電路以及濾波器組成。 設(shè)計(jì)任務(wù) 1、方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證。2、整流電路設(shè)計(jì)。3、逆變電路設(shè)計(jì)。4、通過計(jì)算選擇器件的具體型號。5、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)或選擇。6、繪制相關(guān)電路圖。 技術(shù)參數(shù) 1、交流電源：單相220V。2、為了IGBT的安全，中間直流電壓最大為50V。 3、輸出交流電壓約45V。4、輸出最大電流2A。5、最大功率：100W。第2章&

11、#160;單相交直交變頻電路設(shè)計(jì)2.1單相交直交變頻電路總體設(shè)計(jì)方案 如圖2.1交直交變頻器原理是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，再經(jīng)過逆變器把這個(gè)直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。交流整流直流逆變交流單相橋式濾波單相橋式IGBT圖2.1 單相交直交變頻電路總體方案圖2.2具體電路設(shè)計(jì)2.2.1主電路設(shè)計(jì)                圖2.2 主電路原理圖 如圖2.2

12、所示，交直流變換電路為不可控整流電路，輸入的交流電通過變壓器和橋式整流電路轉(zhuǎn)化為直流電，濾波電路用電感和電容濾波，逆變部分采用四只IGBT管組成單項(xiàng)橋式逆變電路，采用雙極性調(diào)制方式，輸出經(jīng)LC低通濾波器濾波，濾除高次諧波，得到頻率可調(diào)的交流電。2.2.2整流電路 整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。整流電路一般都是單獨(dú)的一塊整流模塊。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成，主電路多用硅整流二極管組成，濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分，變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間

13、的電隔離。 此部分結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠,其性能滿足實(shí)驗(yàn)的需要，故采用橋式整流電路。其作用是將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能。 電路圖如下：      圖2.3 整流濾波電路1. 橋式整流器工作原理： 正向?qū)镈1和D4，反向?qū)镈2和D3。當(dāng)一個(gè)二極管短路時(shí)，則其余二極管過流燒毀；當(dāng)一個(gè)二極管開路時(shí)，則整流電路變成半波整流。 U2的波形：2圖2.4 的波形Ud的波形圖2.5的波形 2.主要的數(shù)量關(guān)系 輸出電壓平均值空載時(shí)R=，放電時(shí)間常數(shù)為無窮大，輸出電壓

14、最大，Ud=U2。通常在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)負(fù)載的情況選擇電容C值，使RC T ，T為交流電源的周期，此時(shí)輸出電壓為Ud=1.2U2。設(shè)計(jì)要求中間直流電壓最大為50V，即Udmax=50V，所以U242V。又單相電壓220V，故變壓器變比約為5。 2.2.3濾波電路 濾波電路的原理及作用：濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。 在交流電源轉(zhuǎn)換直流電源后，電路會(huì)有電壓波動(dòng)，為抑制電壓的波動(dòng)，采用簡單的電容濾波。當(dāng)流過電感的電流變化時(shí)，電感線圈中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢

15、將阻止電流的變化。當(dāng)通過電感線圈的電流增大時(shí)，電感線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢與電流方向相反，阻止電流的增加，同時(shí)將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場能存儲(chǔ)于電感之中；當(dāng)通過電感線圈的電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢與電流方向相同，阻止電流的減小，當(dāng)通過電感線圈的電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢與電流方向相同，阻止電流的減小，同時(shí)釋放出存儲(chǔ)的能量，以補(bǔ)償電流的減小。因此經(jīng)電感濾波后，不但負(fù)載電流及電壓的脈動(dòng)減小，波形變得平滑，而且整流二極管的導(dǎo)通角增大，在電感線圈不變的情況下，負(fù)載電阻愈小，輸出電壓的交流分量愈小。只有在RL>>L時(shí)才能獲得較好的濾波效果。L愈大，濾波效果愈好。另外，由于濾波電感電動(dòng)勢的作用，可以使二極管的

16、導(dǎo)通角接近，減小了二極管的沖擊電流，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 逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓轉(zhuǎn)換為所要頻率的交流電壓，逆變電路是與整流電路相對應(yīng)，將低電壓變?yōu)楦唠妷海阎绷麟娮兂山涣麟姷碾娐?。逆變電路是通用變頻器核心部件之一，起著非常重要的作用。它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，將直流電能變換為交流電能的變換電路。 本方案中的逆變部分,采用單相橋式逆變電路,PWM控制,輸出電壓的大小及頻率均可通過PWM控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。電路如下：圖2.6 逆變

17、電路 1. 主要的數(shù)量關(guān)系 全橋逆變電路是單相逆變電路中應(yīng)用最多的。下面對其電壓波形作定量分析。把幅值為Ud 的矩形波Uo展開成傅里葉級數(shù)得其中，基波的幅值和基波有效值分別為： 2.變頻器的工作原理 以單相橋式逆變電路為例，S1-S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。用可控開通、可控關(guān)斷的電力電子開關(guān)，切換電流方向，將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。                

18、;       圖2.7開關(guān)示意圖圖2.7 開關(guān)示意圖S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓Uo為正  S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓Uo為負(fù) 3.脈寬調(diào)制原理 脈寬調(diào)制技術(shù)：通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。 PWM 控制的方法可分為三類,即計(jì)算法、調(diào)制法和跟蹤控制法。其中,調(diào)制法是較為常用的也是基本的一類方法,而調(diào)制法中最基本的是利用三角載波與正弦信號波進(jìn)行比較的調(diào)制方法,分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制。本實(shí)驗(yàn)采用的單相

19、橋式逆變電路既可以采用單極性調(diào)制,也可以采用雙極性調(diào)制。在本實(shí)驗(yàn)裝置中,采用了雙極性PWM 調(diào)制技術(shù)。以下是雙極性PWM 調(diào)制的原理。 雙極性PWM 控制原理示意圖如圖2.8所示。采用雙極性PWM調(diào)制技術(shù)時(shí),以希望得到的交流正弦輸出波形作為信號波,采用三角波作為載波,將信號波與載波進(jìn)行比較,在信號波與載波的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)的通斷。在信號波的一個(gè)周期內(nèi),載波有正有負(fù),調(diào)制出來的輸出波形也是有正有負(fù),其輸出波形有±Ud兩種電平。用Ur表示信號波, Uc表示載波。當(dāng)Ur > Uc 時(shí),給V1 

20、、V4 施加開通驅(qū)動(dòng)信號,給V2 、V3 施加關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號,此時(shí)如果io > 0 則V1 、V4 開通,如果io < 0 則VD1 、VD4開通,但輸出電壓均為Uo=Ud 。反之，則V2、V3或VD2、VD3開通,Uo= -Ud 。圖2.8中,Uof是輸出電壓Uo的基波分量圖2.8 雙極性PWM控制的原理2.2.5控制電路設(shè)計(jì) 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(dòng)信

21、號。附錄圖3給出了控制電路的原理圖。 在本實(shí)驗(yàn)中，控制電路采用兩片集成函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038為核心，其中一片產(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)比較電路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CD4528延時(shí)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?？刂齐娐愤€設(shè)置了過流保護(hù)接口端STOP，當(dāng)有過流信號時(shí)，STOP呈低電平，經(jīng)與門輸出低電平，封鎖了兩路SPWM信號，使IGBT

22、關(guān)斷，起到保護(hù)作用。 在圖2.2 所示的電壓型單相橋式逆變電路中,需要注意的一點(diǎn)是,V1 和V4 不能同時(shí)導(dǎo)通,V2 和V3 不能同時(shí)導(dǎo)通,否則將使直流側(cè)發(fā)生短路。為避免兩對器件同時(shí)導(dǎo)通,需要在兩對器件的開關(guān)狀態(tài)切換時(shí)設(shè)置死區(qū),確?！跋葦嗪笸ā?避免直通。附錄圖3 的控制電路中使用了單穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器4528 來實(shí)現(xiàn)死區(qū)的控制。 ICL8038 是精密波形發(fā)生器,它產(chǎn)生的波形的頻率可以從0.001Hz 到300Hz。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.9 所示。   

23、;       圖2.9  ICL8038 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖原理：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)比較電路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MC14528延時(shí)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。 2.2.6驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路作為控制

24、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(dòng)信號。 本實(shí)驗(yàn)中使用了目前廣泛應(yīng)用的一種集成驅(qū)動(dòng)芯片三菱公司的M57959L 驅(qū)動(dòng)芯片。它可以完成以下功能: （1）電氣隔離 全橋電路的4個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)信號并不都是共地的,為此需要將控制信號進(jìn)行隔離。另外,控制電路的電壓等級低,而主電路電壓等級高,為了避免干擾，也必須進(jìn)行電氣隔離。 （2）波形整形  將控制電路產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)化為控制IGBT通斷所需要的合適的驅(qū)動(dòng)信號。 （3）保護(hù)  具有退飽和保護(hù)功能,防止過流、短路

25、的損壞器件。驅(qū)動(dòng)電路圖：       圖2.10 驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路圖：       圖2.11 保護(hù)電路M57962L芯片原理圖：   圖2.12 M57962L芯片2.3器件參數(shù)的確定 已知單相電壓220V1=U，21.2U=Ud。設(shè)計(jì)要求中間直流電壓最大為V50，輸出電流最大A2，輸出交流電壓約45V，輸出最大電流2A，最大功率：100W。  1、變壓器的選擇 變壓器副邊電壓=42V=，變比K=,容量2、二極管的選擇 二極管的額定電壓： (23) ×=(118.79178.19)V=´= 額定電流：  =(1.52) ×(34)A 3、IGBT的選擇 IGB