AC-AC轉(zhuǎn)換電源電路的設(shè)計(jì)

1、前 言利用電力電子器件實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模電能變換的技術(shù)，有時(shí)也稱為功率電子技術(shù)。一般情況下，它是將一種形式的工業(yè)電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的工業(yè)電能。例如，將交流電能變換成直流電能或?qū)⒅绷麟娔茏儞Q成交流電能；將工頻電源變換為設(shè)備所需頻率的電源；在正常交流電源中斷時(shí)，用逆變器（見(jiàn)電力變流器）將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。應(yīng)用電力電子技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)非電能與電能之間的轉(zhuǎn)換。例如，利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能。電力電子技術(shù)在如今的社會(huì)中有著不可或缺的作用。(1) 優(yōu)化電能使用。通過(guò)電力電子技術(shù)對(duì)電能的處理，使電能的使用達(dá)到合理、高效和節(jié)約，實(shí)現(xiàn)了電能使用最佳化。 (2) 改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機(jī)電一體化等

2、新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家預(yù)測(cè)，今后將有95%的電能要經(jīng)電力電子技術(shù)處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機(jī)電設(shè)備中，有95%與電力電子產(chǎn)業(yè)有關(guān)，特別是，電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的媒體，是機(jī)電設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計(jì)算機(jī)作用的保證和基礎(chǔ)。 (3) 電力電子技術(shù)高頻化和變頻技術(shù)的發(fā)展，將使機(jī)電設(shè)備突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)最佳工作效率，將使機(jī)電設(shè)備的體積減小幾倍、幾十倍，響應(yīng)速度達(dá)到高速化，并能適應(yīng)任何基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)噪音且具有全新的功能和用途。 (4) 電力電子智能化的進(jìn)展，在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術(shù)與電力電

3、子技術(shù)一體化，其發(fā)展有可能引起電子技術(shù)的重大改革。有人甚至提出，電子學(xué)的下一項(xiàng)革命將發(fā)生在以工業(yè)設(shè)備和電網(wǎng)為對(duì)象的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子技術(shù)將把人們帶到第二次電子革命的邊緣。目錄前 言2摘要21設(shè)計(jì)目的22主要技術(shù)參數(shù)23主電路圖24電路各部分工作原理分析24.1整流電路的設(shè)計(jì)24.1.1工作原理24.1.2主要數(shù)量關(guān)系24.2 逆變電路的設(shè)計(jì)24.2.1三相電壓型橋式逆變電路24.2.2逆變器主電路設(shè)計(jì)24.3 脈寬控制電路的設(shè)計(jì)24.3.1 SG3524芯片24.3.2 利用SG3524生成SPWM信號(hào)24.4 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)24.5整流變壓器的設(shè)計(jì)24.6 保護(hù)電路原理框圖及工作原理

4、.25 系統(tǒng)仿真.25.1 系統(tǒng)仿真電路圖25.2 SPWM設(shè)計(jì).26. 設(shè)計(jì)小結(jié)27.附表：AC/AC轉(zhuǎn)換電源所用元器件2參考文獻(xiàn)2摘要 本次課程設(shè)計(jì)題目為AC/AC轉(zhuǎn)換電源設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)使輸入為380v的三相交流電，轉(zhuǎn)換為輸出為200v，頻率為60Hz的三相交流正弦波輸出。設(shè)計(jì)過(guò)程從原理分析、元器件的選取，到方案的確定，鞏固了理論知識(shí)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本文將按照設(shè)計(jì)思路對(duì)過(guò)程進(jìn)行剖析，并進(jìn)行相應(yīng)的原理講解，包括整流電路和逆變電路的理論基礎(chǔ)，此外，還會(huì)清晰的介紹各個(gè)部分電路以及元器件的取舍，比如驅(qū)動(dòng)電路、抗干擾電路、正弦信號(hào)產(chǎn)生電路等，其中部分電路的繪制采用了Proteus軟件，建立了AC

5、/AC轉(zhuǎn)換電源的仿真模型，進(jìn)而通過(guò)軟件得到較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：AC/AC轉(zhuǎn)換電源 三相 整流電路 逆變電路 仿真AC/AC轉(zhuǎn)換電源設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)目的1.1 把從電力電子技術(shù)課程中所學(xué)到的理論和實(shí)踐知識(shí)，在課程設(shè)計(jì)實(shí)踐中全面綜合的加以運(yùn)用，使這些知識(shí)得到鞏固、提高，并使理論知識(shí)與實(shí)踐技能密切結(jié)合起來(lái)。1.2 初步樹(shù)立起正確的設(shè)計(jì)思想，掌握一般電力電子電路設(shè)計(jì)的基本方法和技能，培養(yǎng)觀察、分析和解決問(wèn)題及獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力，訓(xùn)練設(shè)計(jì)構(gòu)思和創(chuàng)新能力。1.3 培養(yǎng)具有查閱參考文獻(xiàn)和技術(shù)資料的能力，能熟悉或較熟悉地應(yīng)用相關(guān)手冊(cè)、圖表、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為今后成為一名合格的電氣工程技術(shù)人員進(jìn)行必須的基本技能和基本素

6、質(zhì)訓(xùn)練。2主要技術(shù)參數(shù)3.1 輸出電壓：AC三相四線正弦波（115/200V）3.2 輸出功率：20KVA3.3 輸出頻率：60Hz3.4 輸入電壓：380V三相交流電3.5 輸入頻率：50Hz3主電路圖AC/AC轉(zhuǎn)換電源的主電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1的虛線框所示，主電路主要包括輸入整流濾波電路、直流濾波電路、電源逆變電路、隔離變換電路和輸出濾波電路。圖1 主電路結(jié)構(gòu)框圖主電路的主要功能是從市電中獲得符合技術(shù)指標(biāo)的交流電。其工作原理如下：380V、50Hz的三相交流市電，經(jīng)過(guò)三相整流電路整流成直流電，整流電路輸出的直流電作為逆變電路的輸入直流電壓，此直流電壓經(jīng)過(guò)逆變電路變成所需的交流電，為了使逆變電

7、路和輸出電路之間實(shí)現(xiàn)電壓匹配，需在兩者之間加入電源變壓器，逆變器輸出的交流電壓需要經(jīng)過(guò)電源變壓器后得到所需電壓和頻率的交流電壓。為了使輸出的交流電壓的供電質(zhì)量更好，還應(yīng)設(shè)計(jì)輸出LC濾波電路，最后給負(fù)載供電。4電路各部分工作原理分析4.1整流電路的設(shè)計(jì)4.1.1工作原理 在交直交變頻器等應(yīng)用場(chǎng)合中，大都采用不可控整流電路經(jīng)電容濾波后提供直流電源，供后級(jí)的逆變器使用。只要將全控整流電路中的晶閘管換為整流二極管，就是不可控整流電路。 a)b)Oiaudiduduabuac0dqwtpp3wt圖2 整流電路 在電容濾波的三相不可控整流電路中，最常用的是三相橋式結(jié)構(gòu)。該電路中，當(dāng)某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出

8、直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒(méi)有二極管導(dǎo)通時(shí)，由電容向負(fù)載供電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。設(shè)二極管在距線電壓過(guò)零點(diǎn)角處開(kāi)始導(dǎo)通，并以二極管VD6和VD1開(kāi)始同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn)，則線電壓為: 相電壓為： 在t=0時(shí)，二極管VD6和VD1開(kāi)始同時(shí)導(dǎo)通，直流側(cè)電壓等于Uab；下一次同時(shí)導(dǎo)通的一對(duì)管子是VD1和VD2，直流側(cè)電壓等于Uac。這兩段導(dǎo)通過(guò)程之間的交替有兩種情況，一種是在VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通之前VD6和VD1是關(guān)斷的，交流側(cè)向直流側(cè)的充電電流id是斷續(xù)的；另一種是VD1一直導(dǎo)通，交替時(shí)由VD6導(dǎo)通換相至VD2導(dǎo)通，id是連續(xù)的。介于二者之間

9、的臨界情況是，VD6和VD1同時(shí)導(dǎo)通的階段與VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通的階段在t+=2/3處恰好銜接起來(lái)，id恰好連續(xù)。由 “電壓下降速度相等”的原則，可以確定臨界條件。假設(shè)在wt+d =2p/3的時(shí)刻“速度相等”恰好發(fā)生，則有：由上式可得電流id 斷續(xù)和連續(xù)的臨界條件a)b)wtwtwtwtidiaidOOOOia圖3 電流波形4.1.2主要數(shù)量關(guān)系輸出電壓平均值 空載時(shí)，輸出電壓平均值最大，為。隨著負(fù)載加重，輸出電壓平均值減少，至進(jìn)入id連續(xù)情況后，輸出電壓波形成為線電壓的包絡(luò)線，其平均值為Ud=2.34U2?？梢?jiàn)，Ud在2.34U2 2.45U2之間變化。與電容濾波器的單相橋式不可控整流電路

10、相比，Ud的變化范圍小得多，當(dāng)負(fù)載加重到一定程度后，Ud穩(wěn)定在2.34U2不變了。電流平均值 輸出電流平均值IR為IR = Ud /R。與單相電路情況一樣，電容電流iC平均值為零，因此 Id = IR。在一個(gè)電源周期中，id有六個(gè)波頭，流過(guò)每一個(gè)二極管的是其中的兩個(gè)波頭，因此二極管電流平均值為Id的1/3，即 二極管承受的電壓 二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為。4.2 逆變電路的設(shè)計(jì)4.2.1三相電壓型橋式逆變電路用三個(gè)單相逆變電路可以組合成一個(gè)三相逆變電路。但在三相逆變電路中，應(yīng)用最為廣泛的還是三相橋式逆變電路。采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路如圖3所示，可以看成是

11、由三個(gè)半橋逆變電路組成。圖4 三相電壓型橋式逆變電路電路的直流側(cè)通常只有一個(gè)電容器就可以了，但為了方便分析，畫(huà)作串聯(lián)的兩個(gè)電容器并標(biāo)出假想中點(diǎn)。和單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是導(dǎo)電方式，即每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度為，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度以此相差。這樣，在任一瞬間，將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。可能是上面一個(gè)臂下面兩個(gè)臂，也可能是上面兩個(gè)臂下面一個(gè)臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行，因此也被稱為縱向換流。以下分析三相電壓型橋式逆變電路的工作波形。對(duì)于U相輸出來(lái)說(shuō)，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)，。因此，的波形是幅

12、值為的矩形波。V、W兩相的情況和U相類似，、的波形形狀和相同，只是相位依次差120。負(fù)載線電壓可由下式求出：設(shè)負(fù)載中點(diǎn)N與直流電源假想中點(diǎn)之間的電壓為，則負(fù)載各相的相電壓分別為：三相電壓型橋式逆變電路的工作波形如圖4所示。OOOOOOOO圖5 三相電壓型橋式逆變電路的工作波形下面對(duì)三相橋式逆變電路的輸出電壓進(jìn)行定量分析。把輸出線電壓展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得：式中，為自然數(shù)。輸出線電壓有效值為基波幅值和基波有效值分別為；接下來(lái)，我們?cè)賹?duì)負(fù)載相電壓進(jìn)行分析。把展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得式中，k為自然數(shù)。負(fù)載相電壓有效值為基波幅值和基波有效值分別為；4.2.2逆變器主電路設(shè)計(jì)圖5是SPWM逆變器的主電路設(shè)計(jì)圖。圖

13、中VlV6是逆變器的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，各由一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個(gè)逆變器由恒值直流電壓U供電。一組三相對(duì)稱的正弦參考電壓信號(hào)由參考信號(hào)發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率，應(yīng)在所要求的輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)。參考信號(hào)的幅值也可在一定范圍內(nèi)變化，決定輸出電壓的大小。三角載波信號(hào)是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波。，作為逆變器功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。當(dāng)時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通。和的PWM波形只有兩種電平。當(dāng)時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，。的

14、波形可由得出，當(dāng)1和6通時(shí)，當(dāng)3和4通時(shí)，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，=0。輸出線電壓PWM波由和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓PWM波由(2/3) ，(1/3) 和0共5種電平組成。圖6 SPWM逆變器的主電路設(shè)計(jì)圖防直通的死區(qū)時(shí)間同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來(lái)影響，使其稍稍偏離正弦波。4.3 脈寬控制電路的設(shè)計(jì)4.3.1 SG3524芯片SG3524芯片是集成PWM控制器，其引腳圖和內(nèi)部框圖分別如圖8、圖9所示。圖7 SG3524引腳圖圖8 SG3524內(nèi)部框圖

15、SG3524工作過(guò)程是這樣的：直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的5V基準(zhǔn)電壓。5V再送到內(nèi)部（或外部）電路的其他元器件作為電源。 振蕩器腳7須外接電容CT，腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率f由外接電阻RT和電容CT決定，f=1.18/RTCT。振蕩器的輸出分為兩路，一路以時(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相端，比較器的反向端接正弦波調(diào)制信號(hào)，通過(guò)芯片內(nèi)置的比較器完成載波和調(diào)制波的比較，產(chǎn)生SPWM信號(hào)。4.3.2 利用SG3524生成SPWM信號(hào)4.3.2.1 調(diào)制波及載波的產(chǎn)生正弦波信號(hào)由函數(shù)發(fā)

16、生器ICL8038產(chǎn)生。圖9 ICL8038用于正弦波信號(hào)發(fā)生正弦波的頻率由、和C來(lái)決定，為了調(diào)試方便，將、都用可調(diào)電阻，和R是用來(lái)調(diào)整正弦波失真度用的。通過(guò)查詢資料得知，當(dāng)時(shí),。正弦波信號(hào)產(chǎn)生后，一路經(jīng)過(guò)精密全波整流，得到正弦波，另外兩路得到與正弦波同頻率、同相位的方波和三角波。ICL8038的引腳圖如圖9所示。圖10 ICL8038引腳圖載波可以是等腰三角波或者鋸齒波，由于SG3524可以直接產(chǎn)生鋸齒波，所以，直接用SG3524本身產(chǎn)生的鋸齒波作為載波即可。4.3.2.2 SPWM信號(hào)的產(chǎn)生ICL8038產(chǎn)生的正弦波與1V基準(zhǔn)經(jīng)過(guò)加法器后得到，輸入到SG3524的腳1，腳2與腳9相連，這樣

17、和鋸齒波將在SG3524內(nèi)部的比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生SPWM信號(hào)。左電橋的控制信號(hào)可以由正弦信號(hào)與直流電壓通過(guò)電壓比較器產(chǎn)生，本次課程設(shè)計(jì)采用LM339芯片，其引腳圖如圖所示。圖11 LM339引腳圖LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，可以任意選用，該電壓比較器主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為1V18V；3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）V；5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。4.4 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) IGBT需要有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，并且

18、要求供給驅(qū)動(dòng)電路的電源相互隔離，這就使輔助電源的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，成本更高，并且降低了逆變器的可靠性。采用如 EXB840等專用厚膜集成驅(qū)動(dòng)電路芯片雖然可以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，但每個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片仍然需要一個(gè)獨(dú)立的供電電源，且每個(gè)芯片僅能驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率器件，應(yīng)用極不方便。而 IR公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動(dòng)芯片IR21306，只需一個(gè)供電電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變開(kāi)關(guān)電路的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，使整個(gè),驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)變得極為簡(jiǎn)單，可靠性也大為提高。 IR2130可用來(lái)驅(qū)動(dòng)工作在直流母線電壓不超過(guò)600V的逆變開(kāi)關(guān)電路中的 IGBT，其能輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為250mA，反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為500mA。它自身帶過(guò)流、過(guò)

19、壓及欠壓保護(hù)、并且有封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，方便用戶有選擇性地保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)器件。另外IR2130內(nèi)部運(yùn)用了自舉技術(shù)，使其可用于高壓電路中。它對(duì)同一橋臂上下2個(gè)功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)可產(chǎn)生互鎖延時(shí)時(shí)間，這就使用戶在設(shè)計(jì)軟件時(shí)不必考慮死區(qū)效應(yīng)。它自身工作和電源電壓的范圍較寬，可達(dá)320V，在它的內(nèi)部還設(shè)計(jì)有與被驅(qū)動(dòng)的功率器件所通過(guò)的電流成線性關(guān)系的電流放大器。它內(nèi)部 3個(gè)通道的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)使用，也可只用其內(nèi)部的3個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器，并且輸入信號(hào)與TTL及COMS電平兼容。圖12 IR2130集成驅(qū)動(dòng)芯片引腳圖圖13 基于IR2130的IGBT驅(qū)動(dòng)電路 IR2130集成驅(qū)動(dòng)芯片的引腳圖如

20、圖14所示，在實(shí)際的應(yīng)用中，需要加上相應(yīng)的外圍電路。最后的基于IR2130的IGBT驅(qū)動(dòng)電路如圖15所示，在實(shí)際的應(yīng)用中，需要加上相應(yīng)的外圍電路，最后的驅(qū)動(dòng)電路如圖3.5所示，C1、C2、C3為自舉電容，自舉二極管VD1、VD2、VD3在高壓側(cè)IGBT導(dǎo)通時(shí)，必須能夠承受主電路的高電壓，而且為了減小在高壓側(cè)IGBT導(dǎo)通時(shí)刻由自舉電容反饋進(jìn)主電路電源的電荷數(shù)量，該自舉二極管的反向恢復(fù)特性非常重要，必須是快速恢復(fù)二極管。R為采樣電阻，采樣得到的電壓經(jīng)電阻分壓后，輸入到IR2130的過(guò)流保護(hù)輸入端，一旦電流超過(guò)過(guò)流保護(hù)整定值時(shí)，則封鎖6個(gè)輸出通道，從而達(dá)到保護(hù)IGBT的目的，同時(shí)送出故障信號(hào)。4.5

21、整流變壓器的設(shè)計(jì)在整流電路中：由整流電路的數(shù)量關(guān)系可得在逆變電路中：輸出線電壓有效值為即：若要求輸出電壓為，則所以變壓器變比7.附表：AC/AC轉(zhuǎn)換電源所用元器件名稱規(guī)格型號(hào)位號(hào)數(shù)量三相交流電源380V1整流二極管2CP296電容鋁電解電容CD71C3IGBTGT1531016逆變二極管BY550-10006電阻1K3EXB841富士4555定時(shí)器NE5551SG35241IR21101LM33916. 設(shè)計(jì)小結(jié) 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入電壓為380V，頻率為50Hz的交流電，輸出功率為20KVA、輸出電壓為115/200V、輸出頻率為60Hz的AC/AC電源變換裝置。設(shè)計(jì)過(guò)程依據(jù)從輸出到輸入的設(shè)計(jì)過(guò)程，首先給出了AC/AC電源變換裝置的主電路結(jié)構(gòu)，并介紹了這個(gè)裝置的工