電力電子技術(shù)課設(shè) 交直交變頻裝置

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計電氣工程及其自控化專業(yè)電力電子技術(shù)課程設(shè)計報告姓名：學號：專業(yè)班級：題目：交直交變頻實驗裝置設(shè)計電氣與電子工程學院二一四年XX月XX日目錄一、設(shè)計的技術(shù)數(shù)據(jù) 2二、方案論證及選擇 2三、主電路設(shè)計 4四、控制電路設(shè)計 6五、驅(qū)動電路設(shè)計 9六、保護電路設(shè)計 10七、總結(jié)及心得體會 12八、參考文獻 13九、電路原理圖 14十、仿真圖 16一、設(shè)計的技術(shù)數(shù)據(jù)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。二、方案論證及選擇 單相交-直-交變頻電路主要是通過整流濾波得到直流電，再

2、通過控制逆變電路將直流電變成某個頻率的交流電。根據(jù)實驗任務要求，對控制電路部分可以采用多種方案，具體方案如下：方案一：用可控整流調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的交-直-交變頻器。調(diào)壓和調(diào)頻分別在兩個環(huán)節(jié)上，由控制電路進行協(xié)調(diào)。由于輸入環(huán)節(jié)采用可控整流，當電壓和頻率調(diào)得較低的時候，晶閘管整流器的控制角較大，電網(wǎng)端的功率因素較低。輸出環(huán)節(jié)較多采用晶閘管組成的逆變器，輸出電壓的諧波分量較大，一般用于較大功率的變頻器。方案二：用斬波器調(diào)壓的交-直-交變頻器。整流環(huán)節(jié)采用二極管不可控整流，增設(shè)斬波器進行調(diào)壓，再用逆變器調(diào)頻。雖然多了一個中間調(diào)壓環(huán)節(jié)，但是輸入的功率因數(shù)提高了。輸出仍然采用晶閘管逆變器，所以仍然存在諧波

3、問題。方案三：用PWM逆變器同時調(diào)壓調(diào)頻的交-直-交變頻器。由于采用二極管不可控整流產(chǎn)生恒定直流電源，功率因數(shù)問題用這種方法就可以解決。用PWM逆變器，輸出電壓是一系列脈沖，調(diào)節(jié)脈沖寬度就可以調(diào)節(jié)輸出電壓值。假如脈沖寬度按正弦分布，則輸出電壓中諧波可以大大減少。諧波減少的成度還取決于逆變器功率開關(guān)的開關(guān)頻率。因此，PWM逆變器中很少采用像晶閘管之類開關(guān)頻率低的半控型器件作為開關(guān)器件，而是采用開關(guān)頻率高的全控型器件如GTR、GTO、MOSFET、IGBT 等。同時調(diào)頻調(diào)壓都集中在逆變器一側(cè)，控制也簡化了。因此，這種結(jié)構(gòu)成為當前中小型交-直-交變頻器中普遍采用的一種結(jié)構(gòu)形式。 因此采用PWM正弦波

4、脈寬調(diào)制，通過改變調(diào)制頻率，實現(xiàn)交-直-交變頻的目的。PWM 控制的方法可分為3 類，即計算法、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。本設(shè)計采用的單相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。在本設(shè)計裝置中，采用了雙極性PWM 調(diào)制技術(shù)。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，濾除高次諧波，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，采用雙極性調(diào)制方式。總體方案框圖如圖2.1所示。PWM信號DCDC輔助電源交流

5、輸入驅(qū)動信號交流輸出整流電路濾波電路逆變電路驅(qū)動電路控制電路圖2.1 總體方案框圖各部分功能：（1）整流電路：把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。其中一部分為電路提供電源。（2）濾波電路：濾波電路接在主電路與逆變電路之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。（3）逆變電路：逆變電路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。（4）控制電路：控制電路為逆變電路產(chǎn)生SPWM信號。（5）驅(qū)動電路：驅(qū)動電路作為控制電路和主電路的中間環(huán)節(jié)，其主要任務是將控制電路產(chǎn)生的控制器件的SPWM信號轉(zhuǎn)化為器件的驅(qū)動信號，它可以完成電氣隔離的功能。三、主電路設(shè)計主電路由三部分

6、組成，即整流電路、濾波電路和逆變電路，如圖2.2所示。整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源，大多數(shù)整流電路由變壓器、整流電路和濾波電路等組成。整流電路多用硅整流二極管和晶閘管組成，濾波電路接在主電路與逆變電路之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器的作用是實現(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)與整流電路之間的電氣隔離。此部分結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，其性能滿足實驗的需要，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。在交流電源轉(zhuǎn)換直流電源后，電路會有電壓波動，為抑制電壓的波動，采用簡單的電容濾波。逆變電路同整流電路相對應，將低電壓變?yōu)楦唠妷?，將直流電壓裝

7、換為所要頻率的交流電壓。逆變電路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。本設(shè)計中的逆變部分,采用單相橋式PWM逆變電路, 輸出電壓的大小及頻率均可通過PWM 控制進行調(diào)節(jié)。對于可控器件選擇IGBT，IGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。當柵極施以正電壓時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通。此時從N+區(qū)注入到N-區(qū)的空穴(少子)對N-區(qū)進行電導調(diào)制，減小區(qū)的電阻R，使阻斷電壓高的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。當柵極上施以負電壓時MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即被關(guān)斷

8、。在IGBT導通之后。若將柵極電壓突然降至零，則溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使集電極電流有所下降，但由于N-區(qū)中注入了大量的電子和空穴對，因而集電極電流不會馬上為零，而出現(xiàn)一個拖尾時間。對于大功率IGBT，選擇驅(qū)動電路基于以下的參數(shù)要求：器件關(guān)斷偏置、門極電荷、耐固性和電源情況等。門極電路的正偏壓VGE負偏壓-VGE和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)壓降、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、承受短路能力以及dv/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系見表1。柵極正電壓 的變化對IGBT的開通特性、負載短路能力和dVcE/dt電流有較大影響，而門極負偏壓則對關(guān)斷特性的影響比較大。

9、在門極電路的設(shè)計中，還要注意開通特性、負載短路能力和由dVcE/dt 電流引起的誤觸發(fā)等問題。 要求輸入單相交流電220V，為了IGBT的安全，中間直流電壓最大為50V，輸出交流電壓約45V，輸出最大電流2A，最大功率100W。對于主電路整流電路，根據(jù)傅里葉級數(shù)對經(jīng)電力二極管整流后直流電壓的波形進行分解后可得式中恒定分量即為電壓整流后直流電壓的平均值，因此有為了IGBT的安全，中間直流電壓最大為50V,所以就是最大值為50V。當=50v，根據(jù)可得：對于變壓器的選擇變壓比在橋式整流電路中，二極管D1、D2和D3、D4是兩兩輪流導通的，在正半周時，D1、D4導通，D2、D3截止。此時D2、D3所承

10、受到的最大反向電壓均為的最大值：通過最大電流因此選用目前市場上已有的整流橋堆QL62AL。其中整流橋堆QL62AL的額定電流為2A,其最大反向電壓為251000V。對于濾波電容器的選擇，首先根據(jù)可得濾波電容電容器所承受的最高電壓為：所以選用標稱值為的電容器。對于逆變電路IGBT的選擇：IGBT承受的最大反向電壓為：流過每個IGBT的電流最大值為所以IGBT選擇2A/100V以上的IGBT，例如G40N150D。主電路四、控制電路設(shè)計控制電路包括三部分，分別是控制電路、驅(qū)動電路以及輔助電源電路?？刂齐娐肥怯蓛善珊瘮?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

11、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)置了過流保護接口端STOP，當有過流信號時，STOP呈低電平，經(jīng)與門輸出低電平，封鎖了兩路SPWM信號，使IGBT 關(guān)斷，起到保護作用。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

12、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?？刂圃韴D如圖3.1所示芯片ICL8038的引腳結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示。其主要特點如下：（1）具有在發(fā)生溫度變化時產(chǎn)生低的頻率漂移，最大不超過50ppm/。 （2）正弦波輸出具有低于1%的失真度。 （3）三角波輸出具有01%高線性度。 （4）具有0.001Hz1MHz的頻率輸出范圍；工作變化周期寬。 （5）占空比2%98%之間任意可調(diào)。 （6）

13、高的電平輸出范圍；從TTL電平至28V。 （7）具有正弦波、三角波和方波等多種函數(shù)信號輸出。 （8）易于使用，只需要很少的外部條件。圖3.1控制電路圖3.2 芯片ICL8038的引腳結(jié)構(gòu)圖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。觸發(fā)器CD4528的引腳結(jié)構(gòu)圖如圖3.3所示?？刂齐娐愤€設(shè)置了過流保護接口端STOP，當有過流信號時，STOP呈低電平，經(jīng)與門輸出低電平，封鎖了兩路SPWM信號，使IGBT關(guān)斷，起到保護作用。STOP信號

14、是通過雙D觸發(fā)器CD4013來產(chǎn)生的。具體雙D觸發(fā)器CD4013的結(jié)構(gòu)引腳圖如圖3.4所示。圖3.3 觸發(fā)器CD4528的引腳結(jié)構(gòu)圖圖3.4 雙D觸發(fā)器CD4013的引腳結(jié)構(gòu)圖五、驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路作為控制電路和主電路的中間環(huán)節(jié)，其主要任務是將控制電路產(chǎn)生的控制器件的SPWM信號轉(zhuǎn)化為器件的驅(qū)動信號，它可以完成電氣隔離的功能。驅(qū)動電路原理圖如圖2.6所示。圖2.6 驅(qū)動電路六、保護電路設(shè)計1、本設(shè)計中使用了目前廣泛應用的集成驅(qū)動芯片M57962L。其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖5.1所示。它可以完成以下功能：(1) 電氣隔離：全橋電路的4 個管子的驅(qū)動信號并不都是共地的，為此需要將控制信號進行隔離。另外，

15、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)動信號。(3) 保護：具有過載保護功能，防止過流、短路的損壞器件。2、此外整個電路需要輔助的電源，故需要通過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的正負5V和正負15V電壓。在交流電源轉(zhuǎn)換直流電源后，電路會有電壓波動，為抑制電壓的波動，采用簡單的電容濾波。整流濾波后一般都是有單獨的整流穩(wěn)壓模塊來穩(wěn)壓，本設(shè)計采用了目前廣泛應用的LM7805CT、LM7815CT、LM7905CT、LM7915CT穩(wěn)壓模塊。電路如圖5.2所示。圖5.2 輔助電源電路七、總

16、結(jié)及心得體會1、總結(jié)：單相交直交變頻電路由兩部分組成，交流變直流(UiUd)為整流部分，采用不可控的二極管整流電路，直流側(cè)用電容和電感進行濾波，可得到平直的中間直流電壓。此部分結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，其性能滿足實驗的需要。直流變交流(UdUo)為逆變部分，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控制進行調(diào)節(jié)。由于中間直流環(huán)節(jié)為電容濾波，因此選用電壓型逆變電路。PWM控制技術(shù)，即脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，是通過對脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得需要的波形。PWM控制在逆變電路中的應用最為廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了PWM控制技術(shù)。PWM控制技術(shù)對逆變電路的影響十分深刻

17、。PWM控制的方法可分為三類，即計算法、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。本實驗采用的單相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。在本實驗裝置中，采用了雙極性PWM 調(diào)制技術(shù)。采用雙極性PWM調(diào)制技術(shù)時，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，將信號波與載波進行比較，在信號波與載波的交點時刻控制各開關(guān)的通斷。2、心得體會：一周的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如

18、何完成一件事情。在設(shè)計過程中，與同學分工設(shè)計，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，也學會了做人與處世。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義我今天認真的進行課程設(shè)計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ).八、參考文獻（1）王兆安主編.電力電子技術(shù).第五版.機械工業(yè)出版社,2009.5（2） 康華光主編. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 高等教育出版社,2006.1（3） 陳國呈主編.PWM逆變技術(shù)及應用.中國電力出版社.2007.7（4） 王水平等