單相橋式逆變電路設計

1、 電力電子技術課程設計說明書 單相橋式逆變電路的設計院 、 部： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 指導教師： 桂友超 職稱 副教授 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 完成時間： 2014年6月 電力電子技術課程設計任務書1、 課程設計的目的 通過課程設計達到以下目的1、 加強和鞏固所學的知識，加深對理論知識的理解；2、 培養(yǎng)學生文獻檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻資料；3、 培養(yǎng)學生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力；4、 培養(yǎng)學生綜合運用知識的能力和工程設計能力；5、 培養(yǎng)學生運用仿真軟件的能力和方法；6、 培養(yǎng)學生科技寫作水平。2、 課程設計的主要內(nèi)容1、

2、 關于本課程學習情況簡述2、 主電路的設計、原理分析和器件的選擇；3、 控制電路的設計；4、 保護電路的設計；5、 利用MATLAB軟件對自己的設計進行仿真。三、課程設計的要求1、 通過查閱資料，確定自己的設計方案；2、 按學號尾數(shù)定課題，即課題一的學號尾數(shù)為1，以此類推。自擬參數(shù)不能雷同；3、 要求最后圖紙是標準的CAD圖；4、 課程設計在第18周五前交上來。4、 課題1、 課題一：單相橋式可控整流電路的設計已知單相交流輸入交流電壓220V，負載自擬，要求整流電壓在0100V連續(xù)可調(diào)，其它性能指標自定。2、 課題二：三相半波可控整流電路的設計已知三相交流輸入線電壓380V，要求整流電壓在01

3、00V連續(xù)可調(diào)，負載自擬，其它性能指標自定。3、 課題三：三相橋式可控整流電路的設計已知三相交流輸入線電壓380V，要求整流電壓在0100V連續(xù)可調(diào)，負載自擬，其它性能指標自定。4、 課題四：直流降壓斬波電路的設計 已知直流輸入電壓200V，負載自擬，要求輸出電壓在50100V可調(diào)，其它性能指標自定。5、 課題五：直流升壓斬波電路的設計 已知直流輸入電壓200V，負載自擬，要求輸出電壓在300400V可調(diào)，其它性能指標自定。6、 課題六：直流升降壓斬波電路的設計已知直流輸入電壓200V，負載自擬，要求輸出電壓在100300V連續(xù)可調(diào)，其它性能指標自定。7、 課題七：單相橋式逆變電路的設計已知直

4、流輸入電壓100V，負載自擬，要求交流輸出電壓頻率范圍在3060HZ，電壓在3050V范圍可調(diào)，其它性能指標自定。8、 課題八：單相交流調(diào)壓電路設計已知單相交流輸入交流電壓220V，負載自擬，要求輸出交流電壓在0220V可調(diào)，其它性能指標自定。9、 課題九：三相交流調(diào)壓電路的設計已知三相交流輸入交流線電壓380V，負載自擬，要求輸出交流電壓在0200V可調(diào)，其它性能指標自定。10、課題十：三相橋式逆變電路的設計已知直流輸入電壓100V，負載自擬，要求交流輸出電壓頻率范圍在3060HZ，電壓在3050V范圍可調(diào)，其它性能指標自定。注意：若已經(jīng)按上課時我講解的內(nèi)容和安排的課題進行了設計，則不必再更

5、改。五、格式要求1、格式嚴格按照教務處規(guī)定的畢業(yè)設計格式；2、文檔內(nèi)容：1）緒言：主要介紹對本課程學習情況；本設計內(nèi)容的掌握情況；擬出設計任務書。2）主電路設計：（1）電路原理圖：用CAD繪制電路；（2）原理分析：用自己的語言；（3）參數(shù)計算：請用公司編輯器；（4）器件選擇3）控制電路設計：（1）電路原理框圖（2）電路原理圖（3）原理分析（4）主要器件介紹4）保護電路及其它輔助電路的設計（1）保護電路的作用；（2）電路原理圖；（3）原理分析5）仿真分析（1）仿真模型的建立方法（2）仿真電路模型；（3）仿真效果圖；（4）仿真結果分析。6）設計總結用自己的語言介紹如何完成本次設計的，通過設計自己有

6、哪些方面提高，對本課程教學有什么建議等。7）附錄：系統(tǒng)總圖目 錄一 前言 11.1電力電子簡介 1二 單相橋式逆變電路 22.1電壓型與電流型的區(qū)別 22,2電壓型逆變電路 2三 單相橋式PWM逆變主電路設計 43.1逆變控制電路的設計 43.2主電路仿真圖的設計 53.3有關參數(shù)計算 5四 驅動和保護電路的設計 64.1過電流保護 64.2驅路的設計 7  五 仿真實驗 8 5.1  單相橋式PWM逆變主電路原理圖 8 5.2 控制電路原理圖 9 5.3  仿真所得波形 10 5.4  波形分析 12 六 設計總

7、結 13七 參考文獻 14八 致謝 15摘 要本次基于MOSFET的單相橋式無源逆變電路的課程設計，主要涉及IGBT的工作原理、全橋的工作特性和無源逆變的性能。本次所設計的單相全橋逆變電路采用IGBT作為開關器件，將直流電壓Ud 逆變?yōu)椴ㄐ坞妷?，并將它加到純電阻負載兩端。 本次課程設計的原理圖仿真是基于MATLZB的SIMULINK，由于MATLAB軟件中電源等器件均為理想器件，使得仿真電路相對較為簡便，不影響結果輸出。設計主要是對電阻負載輸出電流、電壓與器件IGBT輸出電壓的波形仿真。 關鍵字：單相；全橋；逆變；IGBTABSTRACT Control circuit with MCU as

8、 main components, inverter, voltage, frequency stabilized output power protection equipment. SPWM wave using the equivalent area, and single chip microcomputer as the leading factor, output triangle and sine wave and the two wave of superposition trigger output SPWM wave to control the inverter circ

9、uit, the variable frequency AC to DC programming Keywords inverted circuit sine wave pulse triggering一 前言 電力電子技術是利用電力電子器件對電能進行控制和轉換的學科。它包括電力電子器件、變流電路和控制電路三個部分，是電力、電子、控制三大電氣工程技術領域之間的交叉學科。隨著科學技術的發(fā)展，電力電子技術由于和現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相關，已逐步發(fā)展成為一門多學科相互滲透的綜合性技術學科。 隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，正弦波輸出變壓變頻電源已被廣泛應用在各個領域中

10、，與此同時對變壓變頻電源的輸出電壓波形質量也提出了越來越高的要求。對逆變器輸出波形質量的要求主要包括兩個方面：一是穩(wěn)態(tài)精度高；二是動態(tài)性能好。因此，研究開發(fā)既簡單又具有優(yōu)良動、靜態(tài)性能的逆變器控制策略，已成為電力電子領域的研究熱點之一。電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管（SCR）、可關斷晶閘管（GTO）、晶體管（BJT）、絕緣柵晶體管（IGBT）等階段。目前正向著大容量、高頻率、易驅動、低損耗、模塊化、復合化方向發(fā)展，與其他電力電子器件相比，IGBT具有高可靠性、驅動簡單、保護容易、不用緩沖電路和開關頻率高等特點，為了達到這些高性能，采用了許多用于集成電路的工藝技術，如外延技術、離子注入、精細光刻

11、等。IGBT最大的優(yōu)點是無論在導通狀態(tài)還是短路狀態(tài)都可以承受電流沖擊。它的并聯(lián)不成問題，由于本身的關斷延遲很短，其串聯(lián)也容易。盡管IGBT模塊在大功率應用中非常廣泛，但其有限的負載循環(huán)次數(shù)使其可靠性成了問題，其主要失效機理是陰極引線焊點開路和焊點較低的疲勞強度，另外絕緣材料的缺陷也是一個問題。在現(xiàn)有的正弦波輸出變壓變頻電源產(chǎn)品中，為了得到SPWM波，一般都采用雙極性調(diào)制技術。該調(diào)制方法的最大缺點是它的4個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，從而產(chǎn)生了較大的開關損耗，開關頻率越高，損耗越大。本次課程設計研究單相橋式PWM逆變電路，通過該電路實現(xiàn)逆變電源變壓、變頻輸出。二 單相橋式逆變電路特點及主

12、要類型2.1 電壓型與電流型的區(qū)別根據(jù)直流側電源性質的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側是電流源的則稱為電流型逆變電路。電壓型逆變電路有以下特點：直流側為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因為負載阻抗的情況不同而不同。當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側想直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。又稱為續(xù)流二極管。2.2 電壓型逆變電路2.2.1 電壓型逆變電路

13、的特點：(1)根據(jù)直流側電源性質的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側是電流源的則稱為電流型逆變電路。電壓型逆變電路有以下特點：(2)直流側為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。(3)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側輸出電流波形和相位因為負載阻抗的情況不同而不同。(4)當交流側為阻感負載時需要提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側想直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。又稱為續(xù)流二極管。(5) 逆變電路分為三相和單相兩大類。其中，單相逆

14、變電路主要采用橋式接法。主要有：單相半橋和單相全橋逆變電路。而三相電壓型逆變電路則是由三個單相逆變電路組成。2.2.2 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式：共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導通180°。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)。阻感負載時，還可采用移相的方式來調(diào)節(jié)輸出電壓 移相調(diào)壓。圖一電壓型全橋無源逆變電路的電路圖V3的基極信號比V1落后q （0 q 180 °）。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1前移180°q。輸出電壓是正負各為q 的脈沖。改變q 就可調(diào)節(jié)輸出

15、電壓。故移相調(diào)壓就是調(diào)節(jié)輸出電壓的脈寬。三 單相橋式逆變主電路設計3.1 逆變控制電路的設計單相逆變電路主要采用橋式接法。它的電路結構主要由四個橋臂組成，其中每個橋臂都有一個全控器件IGBT和一個反向并接的續(xù)流二極管，在直流側并聯(lián)有大電容而負載接在橋臂之間。其中橋臂1,4為一對，橋臂2，3為一對?？梢钥闯捎蓛蓚€半橋電路組合而成。其基本電路連接圖如下所示：圖2.電壓型全橋無源逆變電路的電路圖由于采用絕緣柵晶體管（IGBT）來設計,如圖2的單相橋式電壓型無源逆變電路，此課程設計為電阻負載，故應將RLC負載中電感、電容的值設為零。此電路由兩對橋臂組成，V1和V4與V2和V3兩對橋臂各導通180度。再

16、加上采用了移相調(diào)壓法，所以VT3的基極信號落后于VT1的90度，VT4的基極信號落后于VT2的90度。因為是電阻負載，故晶體管均沒有續(xù)流作用。輸出電壓和電流的波形相同，均為90度正值、90度零、90度負值、90度零 這樣一直循環(huán)下去。3.2 主電路仿真圖的設計 在本次設計中，主要采用單相全橋式無源逆變電路(電阻負載)作為設計的主電路。由于軟件上的電源等器件都是理想器件，故可將直流側并聯(lián)的大電容直接去掉。由以上工作原理概論的分析可得其主電路仿真圖如下所示：圖3單相全橋無源逆變電路（電阻負載）電路3.3 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

17、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 。. td 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 ： 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）： 四 驅動和保護電路的設計 4.1   過電流保護 過電流保護在電力電子變換和控制系統(tǒng)運行不正?；虬l(fā)生故障時，可能發(fā)生過電流造成開關器件的永久性損壞，快速熔斷器是電

18、力電子變換器系統(tǒng)中常用的一種過電流保護措施。快速熔斷器的過流保護原理是基于快速熔斷器特性與器件特性的保護配合來完成的，即通過選擇快速熔斷器的短路容量約器件的熱容量，使得當發(fā)生過流時快速熔斷器先熔斷，以保護器件不損壞。另一種方法是采用電流檢測、比較、判斷，在過流瞬間及時關斷電路。如圖11所示,過流保護信號取自CT2,經(jīng)分壓、濾波后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SG35

19、25的腳10為高電平時,其腳11及腳14上輸出的脈寬調(diào)制脈沖就會立即消失而成為零。 圖4過電流保護電路   4.2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12所示    圖5 驅動電路 其工作原理是：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;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

20、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。五 仿真實驗5.1 單相橋式逆變主電路原理圖圖6單相橋式逆變主電路原理圖5.2 控制電路原理圖圖7控制電路原理圖5.3 仿真所得波形IGBT1/IGBT4觸發(fā)脈沖波形 圖8IGBT2/IGBT3觸發(fā)脈沖 圖9DC/AC逆變波形 圖10當f=30Hz時，波形如圖11.圖12所示圖11圖12當f=40Hz時，波形如圖13.圖14所示圖13圖14當f=50Hz時，波形如圖

21、15.圖16所示圖15圖16當f=60Hz時，波形如圖25.圖26所示圖17圖185.4 波形分析 從上圖中可以很清晰地看出產(chǎn)生的波形頻率為10HZ，可以通過改變信號波的頻率來改變IGBT的觸發(fā)脈沖，從而改變逆變交流電源的頻率，實現(xiàn)變頻逆變。IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路共有4個橋臂，可以看成兩個半橋電路組合而成，采用移相調(diào)壓方式后，輸出交流電壓有效值即可通過改變直流電壓Ud來實現(xiàn)，也可通過改變來調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度來改變其有效值。由于MATLAB軟件中電源等器件均為理想器件，故可將電容直接去掉。又由于在純電阻負載中，VD1VD4不再導通，不起續(xù)流作用，古可將起續(xù)流作用的4個二極管也去掉

22、，對結果沒有影響。相比于半橋逆變電路而言，全橋逆變電路克服了半橋逆變電路輸出交流電壓幅值僅為1/2Ud的缺點，且不需要有兩個電容串聯(lián)，就不需要控制電容電壓的均衡，因此可用于相對較大功率的逆變電源。六 設計總結通過此次實驗設計，熟悉并掌握電力電子器件的實用，對一些常用的主電路或保護電路等有深入的了解。大致上了解了單相橋式PWM逆變電路的設計，基本掌握了單相橋式PWM逆變電路的工作原理，通過仿真對電路和工作原理進一步理解，在設計以及仿真過程中所遇到的問題能過綜合運用所學知識，或者在網(wǎng)上找些資料解決在單相橋式全控整流電路和系統(tǒng)設計中的一些問題，因此對單相橋式PWM逆變電路的拓撲，控制的方法，系統(tǒng)的主

23、電路、控制電路和保護電路的設計方法，元器件的選擇計算方法等有比較深刻的體會，間接培養(yǎng)了一定的電力電子電路及系統(tǒng)實驗和調(diào)試的能力。 參考文獻【1】 孫樹樸等、電力電子技術（第一版）、中國礦業(yè)大學出版社、1999【1】Sun Shupu, power electronics technology (First Edition), China University of Mining and Technology press, 1999【2】 邵丙衡、電力電子技術（第一版）、鐵道出版社、1997【2】 Shao Bingheng, power electronics technology (First Edition), Railway Publishing House, 1997【3】 王兆安，黃俊、電力電子技術（第四版）、機械工業(yè)出版社、2008【3】Wang Zhaoan, Huang Jun, power electronics technology (Fourth Edition),mechanical industry press, 2008【4】 葉斌、電力電子技術習題集（第一版）、鐵道出版社、1995【4】Ye