單相全橋電壓型無源逆變的設(shè)計與仿真

1、_工_學(xué)院_2009_級_電氣工程及其自動化_專業(yè) 姓名_ _ 學(xué)號_（密）（封）（線）本科課程設(shè)計專用封面設(shè)計題目： 單相全橋電壓型無源逆變的設(shè)計與仿真 所修課程名稱： 電力電子技術(shù)課程設(shè)計 修課程時間： 2012 年 06 月 17 日至 6 月 23 日完成設(shè)計日期： 2012 年 06 月 23日評閱成績： 評閱意見：評閱教師簽名： 年 月 日單相全橋電壓型無源逆變的設(shè)計與仿真一設(shè)計要求1）完成電壓型無源逆變器的設(shè)計、仿真；2）設(shè)計要求：輸入：DC100V； 輸出：AC80V，100Hz設(shè)計合理的濾波電路，使輸出負載電流接近正弦波。計算其主開關(guān)器件所承受的最大正反向電壓，器件的額定電流

2、，并建立合適的仿真模型，對主電路進行仿真。然后根據(jù)電壓型無源逆變器的驅(qū)動控制要求，設(shè)計其控制電路，產(chǎn)生符合電路驅(qū)動所要求的觸發(fā)波形。二題目分析無源逆變的作用：無源逆變電路主要用在變頻領(lǐng)域。把某種固定頻率的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固定頻率或頻率可調(diào)節(jié)的電能稱為變頻，這種變換通常有兩種方式：一種是先把交流電能轉(zhuǎn)變成直流電能，然后再把直流電能轉(zhuǎn)換成固定頻率或頻率可調(diào)的交流電能，這種通過中間直流環(huán)節(jié)的變頻叫間接變頻，也被叫作交-直-交變頻；另一種方式是不通過中間環(huán)節(jié)而實現(xiàn)直接變頻，叫直接變頻，也被稱為交-交變頻。交-直-交變頻中交-直的過程就是整流的過程，而直-交的過程就是無源逆變的過程。由此可知許多變頻電路

3、就是由整流電路和無源逆變電路構(gòu)成的。無源逆變器輸出的電壓或電流除了頻率可以調(diào)節(jié)外，幅值也可以調(diào)整。 無源逆變的特點：從總體上講，逆變電路的功率流向是從直流側(cè)到交流側(cè)，但在逆變過程中也有從交流側(cè)到直流側(cè)的過程，即在逆變過程中包含了整流過程，因此設(shè)計逆變器時必須保證它能夠在4個象限工作。電壓型逆變電路的輸出波形可能是電壓方波，也可能是PWM波。單向方波型電壓逆變器電路的類型：輸出電壓為方波的逆變器叫方波型無源逆變器，方波型逆變器有兩種主要的工作方式，逆變器不調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值，只調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率，輸出電壓的幅值完全由輸入端的直流電壓決定。還有一種工作方式就是逆變器在調(diào)節(jié)輸出電壓頻率的同時還要調(diào)節(jié)

4、輸出電壓的幅值。電壓型無源逆變器有半橋逆變電路，也有全橋逆變電路，我們選用的是全橋逆變電路。電壓型全橋逆變電路的原理圖如下。 圖一 主電路原理圖 它共有四個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。把橋臂1和4作為一對，橋臂2和3作為一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180度。其輸出電壓u0的波形和半橋電路的波形u0形狀相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍。在直流電壓和負載都相同的情況下，其輸出電流i0也和半橋的i0形狀相同，僅幅值增加一倍。在阻感負載時，還可以采用移相的方式來調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，這種方式稱為移相調(diào)壓。移相調(diào)壓實際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。在單相橋式逆變電路中，個I

5、GBT的柵極信號仍為180度正偏，180度反偏，并且V1和V2的柵極信號互補，V3和V4的柵極信號互補，但V3的基極信號不是比V1落后180度，而是只落后（0<<180).也就是說，V3、V4的柵極信號不是分別和V2、V1的柵極信號同相位，而是前移了180-。這樣，輸出電壓u0就不再是正負各180度的脈沖，而是正負各為的脈沖，由于輸入為DC100V，輸出幅值也是100V，要使輸出有效值是AC80V，100Hz，可以使=144，這樣可以使輸出電壓有效值為80V。各IGBT的柵極信號uG1uG4及輸出電壓u0、輸出電流i0的波形如下圖所示。下面對其工作進行具體分析。(100Vx)/0.

6、01s=80VX=0.008s(100Vx°)/180°=80Vx=144設(shè)在t1=0.008時刻前V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓u0為Ud=100V,t1時刻V3和V4柵極信號反向，V4截止，而因負載電感中的電流i0不能突變，V3不能立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流。因為V1和VD3同時導(dǎo)通，所以輸出電壓為零。到t2時候V1和V2柵極信號反向，V1截止，而V2不能立刻導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，輸出電壓為-Ud。到負載電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，V2和V3開始導(dǎo)通，u0仍為-Ud。t3時刻V3和V4柵極信號再次反向，V3截止，而V4不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通

7、續(xù)流，u0再次為零。以后的過程和前面類似。這樣，輸出電壓u0的正負脈沖寬度就各為=144°。改變，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。在純電阻負載時，采用上述移相方法也可以得到相同的結(jié)果，只是VD1VD4不再導(dǎo)通，不起續(xù)流作用。在u0為零期間，四個橋臂均不導(dǎo)通，負載也沒有電流。顯然，上述移相調(diào)壓方式并不適用于半橋逆變電路。不過在純電阻負載時，扔可采用改變正負脈沖寬度的方法來調(diào)節(jié)半橋逆變電路的輸出電壓。這時，上下橋臂的柵極信號不再各是180度正偏、180反偏并且互補，而是正偏的寬度為144、反偏的寬度為180-，二者相位差180度。這時輸出電壓u也是正負脈沖的寬度各為。三主電路設(shè)計、元器件選型及計算：

8、 1. 主電路仿真圖 用的是ORCAD軟件進行仿真 圖二 主電路仿真圖 設(shè)計要求：輸入DC100V，輸出電壓有效值80v，阻感負載，要求輸出電流幅值為（49-40=9A）。 輸出電壓定量分析 uo成傅里葉級數(shù) 基波幅值 基波有效值 所以，IGBT承受的最大反向電壓 UFM=(23)×Ud =(200300)V ,因此選用電壓為200V的IGBT負載電阻值和電感值R=U0/I0=80/9=8.9L/R=tan(36.9)=0.75 =2ff=100HzL=10.62mH 電源端恒壓電容C1的值為100n滿足設(shè)計要求。四主電路仿真分析圖三 輸出電壓波形仿真圖 T=10ms圖四 輸出電壓波

9、形傅里葉分析圖 圖五 輸出電流波形仿真圖 電流要求值為：49-40=9A, 考慮誤差范圍，滿足設(shè)計要求圖六 輸出電流波形傅里葉分析圖五控制電路設(shè)計控制電路的原理：圖七 觸發(fā)電路圖其原理如下: 將控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟骋活l率的脈沖或脈沖群，用這些脈沖控制無源逆變電路中的功率開關(guān)元件的通斷，以控制逆變器輸出電壓和頻率的電路。主要應(yīng)用于變頻調(diào)速裝置或不停電電源的逆變器中。它的一般功能是：根據(jù)控制信號的要求產(chǎn)生相應(yīng)頻率的輸出脈沖；確定逆變器各功率開關(guān)的驅(qū)動信號間的相位關(guān)系；產(chǎn)生足夠的驅(qū)動功率以驅(qū)動功率開關(guān)元件；完成功率開關(guān)元件和控制電路之間的電隔離。 頻率發(fā)生器將控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)頻率的脈沖電壓以觸發(fā)脈沖分

10、配器，使其按一定的規(guī)律將開關(guān)信號分配給各個通道的脈沖輸出器。脈沖輸出器將此開關(guān)信號放大，經(jīng)電隔離后驅(qū)動功率開關(guān)元件。上圖即為單相全橋逆變電路的脈沖觸發(fā)電路。頻率發(fā)生器產(chǎn)生一固定頻率的脈沖送到D觸發(fā)器的時鐘端CLK，以觸發(fā)D觸發(fā)器組成的脈沖分配器。D觸發(fā)器的輸出Q和Q是互差180°的方波脈沖。晶體管G1、G2和變壓器T1、T2分別組成兩個通道的脈沖輸出器，驅(qū)動單相逆變器的功率開關(guān)元件。脈沖分配器由環(huán)形計數(shù)器組成。脈沖輸出器的通道數(shù)決定環(huán)形計數(shù)器的輸出狀態(tài)數(shù)。單相逆變電路常用二進制計數(shù)器。六設(shè)計總結(jié)通過這四天的課程設(shè)計，我們小組成員試著將電力電子技術(shù)課程中學(xué)到的基礎(chǔ)理論知識與課本上現(xiàn)成的

11、一些知識，用到實際設(shè)計工作中去，從而設(shè)計出滿足條件的電力電子電路，并進行設(shè)計的仿真驗證，在測得各器件的電流電壓后，根據(jù)相關(guān)主電路的開關(guān)器件的選型辦法確定各個器件，根據(jù)控制電路的控制要求設(shè)計符合條件的控制電路。在設(shè)計過程中也出現(xiàn)了不少的問題。比如安ORCAD這個軟件就是很大的一個問題，由于操作不當使得軟件關(guān)閉了無數(shù)次，甚至在單擊保存時也出現(xiàn)了關(guān)閉程序的情況。但功夫不負有心人，我們順利完成了原理圖的設(shè)計與仿真，并得到了理想的仿真波形。經(jīng)過這次課程設(shè)計使我明白一個道理：一百發(fā)箭總有一發(fā)要中吧。如同從量變到質(zhì)變是一個道理。通過這次對電壓型無源逆變器的設(shè)計計算與仿真及其相關(guān)電力電子變換的控制電路的設(shè)計，加深了我對電力電子技術(shù)的四種基本變換整流、逆變、直直變流、交交變流的工作原理的理解，特別是與本設(shè)計課題密切相關(guān)的無源逆變。同時，通過本次課程也鍛煉我獨立設(shè)計與分析以及討論交流的能力。下面談?wù)勎覀兊恼n題設(shè)計步驟，選定課題后，按照技術(shù)指標進行課題分析計算，得出相關(guān)電力電子變換的主電路，并設(shè)計相關(guān)電力電子變換的控制電路，并用ORCAD軟件繪制完成本課題的主電路圖設(shè)計。然后根據(jù)仿真結(jié)果完成主開關(guān)器件的選型，確定開關(guān)器件的型號，至此本課程設(shè)計暫告一段落。另外，感謝湯老師的指導(dǎo)，使我們少走了不少彎路。感謝小組成員的積極配合，我們能快速得完成。參考文獻：