單相橋式晶閘管有源逆變電路設(shè)計

1、課程設(shè)計說明書學(xué)生姓名：學(xué)號：學(xué) 院：信息與通信工程學(xué)院專 業(yè)：自動化題 目： 單相橋式晶閘管有源逆變電路設(shè)計（反電勢阻感負(fù)載）扌旨導(dǎo)教師：職稱： 講師2011年12月31日課程設(shè)計任務(wù)書1. 設(shè)計目的：1） 培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用In ternet檢索需要的文獻(xiàn)資料。2）培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。3）培養(yǎng)學(xué)生運用知識的能力和工程設(shè)計的能力。4）提高學(xué)生課程設(shè)計報告撰寫水平。2. 設(shè)計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計要求等）：設(shè)計內(nèi)容：1、設(shè)計一個單相橋式晶閘管有源逆變電路（反電勢阻感負(fù)載）設(shè)計要求：1）電源電壓：交流50V/50HZ；2）逆

2、變功率：200VY3）反電勢：E=70V ;4） 逆變角：B =35°。3. 設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計說明書、圖紙、實物樣品等：設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求：1）根據(jù)課程設(shè)計題目，收集相關(guān)資料、設(shè)計主電路和觸發(fā)電路；2）用Multisim 等軟件制作主電路和控制電路原理圖；3）撰寫課程設(shè)計報告一一畫出主電路、控制電路原理圖，說明主電路的工作原理， 完成元器件參數(shù)計算，元器件選型，說明控制電路的工作原理，用Multisim或EW蒔軟 件繪出主電路典型的輸出波形（比較實際波形與理論波形），繪出觸發(fā)信號（驅(qū)動信號） 波形，說明設(shè)計過程中遇到的問題和解決問題的方法，附參考資料。課

3、程設(shè)計任務(wù)書4. 主要參考文獻(xiàn)：1樊立萍，王忠慶電力電子技術(shù)北京：北京大學(xué)出版社，20062、徐以榮，冷增祥.電力電子技術(shù)基礎(chǔ).南京：東南大學(xué)出版社，19993、王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社,20054、童詩白.模擬電子技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社,20015、閻石.數(shù)字電子技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,19986、邱關(guān)源.電路.北京：高等教育出版社，19995. 設(shè)計成果形式及要求：1）撰寫課程設(shè)計報告；2）用PROTE或其它軟件畫出主電路和觸發(fā)電路原理圖；3）用EWB£其它軟件繪出主電路典型波形，觸發(fā)信號（驅(qū)動信號）波形6. 工作計劃及進(jìn)度:2011年12月25日

4、 12月27日12月28日 12月29日12月30日 12月31日收集資料，計算所需參數(shù)并選定元器件； 完成主電路、控制電路設(shè)計；繪出波形圖;完成課程設(shè)計報告，下午答辯。系主任審查意見:簽字：2011年12月25日一、緒論1. 逆變技術(shù)介紹：逆變技術(shù)的原理早在 1931 年就有人研究過， 從 1948 年美國西屋電氣 公司研制出第一臺 3KHZ 感應(yīng)加熱逆變器至今已有近 60 年歷史了， 而晶閘 管 SCR 的誕生為正弦波逆變器的發(fā)展創(chuàng)造了條件，到了20 世紀(jì) 70 年代，可關(guān)斷晶閘管（GTO、電力晶體管（BJT）的問世使得逆變技術(shù)得到發(fā)展 應(yīng)用。到了 20世紀(jì)80年代，功率場效應(yīng)管（MOSF

5、ET絕緣柵極晶體管 （IGBT）、MOS控制晶閘管（MCT以及靜電感應(yīng)功率器件的誕生為逆變器 向大容量方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，因此電力電子器件的發(fā)展為逆變技術(shù)高頻 化，大容量化創(chuàng)造了條件。進(jìn)入 80 年代后，逆變技術(shù)從應(yīng)用低速器件、低 開關(guān)頻率逐漸向采用高速器件，提高開關(guān)頻率方向發(fā)展。逆變器的體積進(jìn) 一步減小，逆變效率進(jìn)一步提高，正弦波逆變器的品質(zhì)指標(biāo)也得到很大提 高。2. 軟件介紹：NI Multisim 軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕 松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計和驗證。憑借 NI Multisim ，可以立即創(chuàng)建具有 完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SPICE模擬器模仿電

6、路行為。借助 專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進(jìn)行 的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術(shù)的設(shè)計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實 現(xiàn)建模測量。二、原理概述在電力電子技術(shù)中，把直流電能變換成為交流電能的過程稱為逆變。 當(dāng)交流側(cè)為供電電源時稱為有源逆變。要使負(fù)載側(cè)反過來通過變流器向交 流電源供電（即能量反傳遞、而且電流流向不變，則在負(fù)載側(cè)必須存在一 個直流電源E （電動勢），這個電源可以是電池，也可以是直流發(fā)電機或直 流電動機運行在發(fā)電狀態(tài)，這個電源的極性與整流電壓極性相反。兩個電源之間的能量

7、交換必須使這兩電源同極性相連接。這樣，欲使負(fù)載中直流 電源的能量反流回交流電源中去，則必須要求變流器能產(chǎn)生一個與原整流 電壓Ud一極性相反的電壓，稱之為逆變電壓Ud，且Ud <E, Ud 為逆變電壓 的平均值。由于希望在能量交換中的能量損失盡可能地小，因此回路中的 電阻R均較小，這樣Ud 較接近于E。綜上所訴，有源逆變本質(zhì)上是觸發(fā)角大于 90度的整流，有源逆變的拓 撲結(jié)構(gòu)與整流一模一樣，只是當(dāng)觸發(fā)角大于90度時整流電路的功率方向發(fā) 生了變化。為了實現(xiàn)逆變功能，有源逆變電路必須滿足兩個條件：（1）負(fù)載側(cè)存在一個直流電源E,由它提供能量，其電勢極性與變流器的整流電壓 相反，對晶閘管為正向偏置

8、電壓；（2）變流器在其直流側(cè)輸出應(yīng)有一個與 原整流電壓極性相反的逆變電壓 Ud ：，其 平均值UvE,并將其能量饋送 給交流電源。三、參數(shù)計算題目要求：電源電壓：交流50V/50HZ逆變功率：P=200W反電勢：E=70V逆變角：B =35°計算：輸入電壓有效值U2 =50V. Ud-E ld = -sin wtdwt 和二''= n 得Ud =0.9 U 2 cos( n :)33.14R2 十P=|E I d |- Id R和P=200WUd=-36.86V I d =5.43AR=6.10 Q晶閘管的選取:額定電壓：.2U2=70.71V,取23倍的電壓安全儲備

9、，并考慮晶閘管電壓安 全系列取額定電壓為200V。額定電流：查表可得Kf=lvT十I d=2- 2 , I vT=Kf人/1.57=2.41，取2倍電 流安全儲備并考慮晶閘管原件額定電流系列取額定電流為5A?？刂齐娐吩O(shè)計：1v 電源頻率f=50HZ,周期T仁一=20msf觸發(fā)電路周期T2=T仁20ms觸發(fā)角：=180 - - =180 -35 =145 D1 , D3觸發(fā)時間為：t1=14T2=8.06ms360 'D2, D4觸發(fā)時間為：t 2 =t1+-T2=18.06ms2四、實驗原理圖及其分析實驗理論圖實驗原理圖原理圖分析：負(fù)載側(cè)存在一個直流電源E=70V（電動勢），由它提供能

10、量，其電勢極性與 單向橋式整流電壓相反，對晶閘管為正向偏置電壓。在0° 145°時，D1、D3導(dǎo)通，145° 325°時，D2、D4導(dǎo)通，如此循環(huán)。變流器在其直流側(cè)輸出了一個與原整流電壓極性相反的逆變電壓 Ud=36.86V，其平均值Ud ：E，以吸收能量，并將其能量饋送給交流電源。控制電路采用脈沖信號發(fā)生器，作為晶閘管的觸發(fā)信號，其參數(shù)如上圖所145示。其中D1, D3觸發(fā)時間為：t,=.T=8.06ms, D2,D4觸發(fā)時間為：360t2=J+丄T=18.06ms,且控制電路周期和交流電源周期相同，使得兩組晶閘管交2替觸發(fā)，實現(xiàn)逆變。PULSE VO

11、LTAGELabel | Display VflkJt| Fault| Pins Variant| U5«r Fields |rrRepisOB ;Infb晶閘管D1、D3、1極觸發(fā)電源參數(shù)PULSE_VOLTAGELabel | DismayValoe | Fault | Pins | Variant | Lteer Fields |Initial Value:Pulsed Value:Delay Time:Rise TimezFall Time:Pulse Width:Period:msecmsecnsecAC Analysis Magnitude:oVOrRfcplaic.e

12、i|OKCancelInfoHelp晶閘管D2、D4、1極觸發(fā)電源參數(shù)酸 0 sei 11 oscope -XSC1S3 nTFD1、D3觸發(fā)脈沖波形圖Oscilloscope-XSC1D2、D4觸發(fā)脈沖波形圖Oscilloscope-XSClJOscilloscope-XSCl:Z i1 * TH * - Y rUc波形與U2波形比較Oscilloscope-XSCl晶閘管1、3電壓波形圖妙 O $611 osco pe-XSC 1晶閘管2、4電壓波形圖o：vi5y WrinrSEc 20Op/15 V;- llbrnraec SOmEBCXSC1t 二4. 5C Vrms<rEGH1

13、6 16 10M3CWM1V5V15Vimsec 20mseclOmsee 2Qm&ec:ni EGHK 16U2±：V3?OV1：26.1 Q,數(shù)逆變電壓、平均電流、逆變功率讀數(shù)晶閘管、電感、電流表不是理想器件，它們都有電阻，而電阻為值較小，器件電阻對電路電流影響較大,導(dǎo)致電流達(dá)不到理想值，從而使得逆變功率與理想值有出入。五、實驗問題及解決方案1. 電感的選取問題：測定輸出電壓波形時，當(dāng)電感小于10M時，仿真若干周期后輸出電壓波形出 現(xiàn)嚴(yán)重失真并且電路運行出錯，當(dāng)電感大于10M時，輸出電壓一直很穩(wěn)定。所以 我們在實驗中選定1GH勺電感，使輸出電壓穩(wěn)定。測定逆變功率時，當(dāng)電感

14、太大時（例如1MH，平均電流I d很小，而電感較小時（例如1H），仿真一開始即會報錯，所以測定逆變功率時，我們選取的電感 為40H,使得輸出電壓波形較穩(wěn)定，且I d、逆變功率P比較接近理想值。2. 晶閘管的選?。哼x定不恰當(dāng)?shù)木чl管，仿真時會出現(xiàn)報錯或者輸出電壓波形嚴(yán)重失真的情況。經(jīng)過多次試驗，最后選定型號為 EGH16-16勺晶閘管，此晶閘管在仿真10S后 仍能輸出穩(wěn)定準(zhǔn)確的波形3. 逆變功率達(dá)不到要求：剛做實驗時所選器件不是理想器件， 它們都存在電阻， 使得逆變功率比要求 值小，即使把器件設(shè)置為理想器件， 由于電感的存在， 逆變功率也只是能接近要 求，大概能達(dá)到 170W。六、實驗心得本次電

15、力電子技術(shù)課程設(shè)計我的研究對象為單項橋式有源逆變電路， 對此我 結(jié)合課本知識與網(wǎng)上搜索的資料，對其原理及實現(xiàn)做出了深刻的研究和分析。在課程設(shè)計過程中，暴露出我在平時的學(xué)習(xí)中， 沒有注意理論與實際的差別， 僅局限于學(xué)習(xí)課本知識， 沒有及時擴充自己的視野， 譬如晶閘管有很多不同的型 號，我只能計算出理論的額定電壓額定電流， 但是根據(jù)額定電壓和額定電流選取 晶閘管時， 我就不知道該如何選取了， 導(dǎo)致在做實驗的過程中花費了很長時間才 選出合適的晶閘管。我平時沒有在學(xué)習(xí)仿真軟件方面下功夫，只是在實驗時才偶爾使用一兩次， 導(dǎo)致實驗開始時不知如何使用軟件，通過問同學(xué)和上網(wǎng)查資料才知道如何使用 multisim 研究我們的課程