單相交直交變頻裝置設(shè)計(jì)

1、 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書 單相交直交變頻裝置設(shè)計(jì) 學(xué) 院: 電信學(xué)院 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱/學(xué)位 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 學(xué) 號： 完成時(shí)間： 摘 要由于傳統(tǒng)能源的枯竭，各國對環(huán)境保護(hù)的重視以及現(xiàn)存的電力系統(tǒng)的種種弊端，分布式發(fā)電將在未來的供電系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用。近年來以燃料電池發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速。但是分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)出發(fā)出的電都不是與電網(wǎng)供電系統(tǒng)相同的交流電，無法與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)或者直接供給普通負(fù)載使用，都需要變頻裝置將其變換成負(fù)載可以使用的交流電或者與大電網(wǎng)電壓、頻率相匹配的公頻交流電。因此，針對特定的分布式發(fā)電技術(shù)研究與其配套的變頻電源就很有必要。本文針對內(nèi)

2、燃機(jī)拖動永磁發(fā)電機(jī)的中小功率分布式發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套變頻電源，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的中頻交流電變換為相電壓220V，頻率50HZ的公頻交流電。在論述和分析了變頻電源機(jī)器控制技術(shù)發(fā)展的概況和趨勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合本課題任務(wù)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一套中小功率的逆變電源。系統(tǒng)中PWM（Pulse Width Modulation)控制信號采用專用集成芯片SA4828生成，減輕了控制器的工作量也提高系統(tǒng)了可靠性?？刂破鬟x用集成了A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)。使得系統(tǒng)的硬科復(fù)雜性降低，提高了可靠性。關(guān)鍵詞：交流電；變頻；電網(wǎng)；PWM目 錄1 總體原理圖11.1 方框圖11.2 電路原理圖11.2.1 主回路電路原理圖21.2.

3、2 整流電路21.2.3 濾波電路21.2.4 逆變電路32 電路組成62.1控制電路62.2驅(qū)動電路72.3 主電路83 仿真結(jié)果93.1 仿真環(huán)境93.2 仿真模型使用模塊提取的路徑及其單數(shù)設(shè)置93.3 具體仿真結(jié)果123.3.1仿真電路圖123.3.2整流濾波輸出電壓計(jì)算域仿真123.3.3逆變輸出電壓計(jì)算與仿真13參考文獻(xiàn)15致 謝161 總體原理圖 PWM波形 輔 助 電 路1.1 方框圖 交 流 輸 出交 流 輸 入 整流器 逆變器 DC 濾波器 DC 圖1 總體方框圖1.2 電路原理圖1.2.1 主回路電路原理圖圖2 主回路原理圖如圖所示，交直流變換電路為不可控整流電路，輸入的交

4、流電通過變壓器和橋式整流電路轉(zhuǎn)換為直流電，輸入的交流電通過變壓器和橋式整流電路轉(zhuǎn)化為直流電，濾波電路用電感和電容濾波，逆變部分采用四只IGBT管組成單相橋式逆變電路，采用雙極性調(diào)制方式，輸出經(jīng)LC低通濾波器濾波，濾除高次諧波，得到頻率可調(diào)的交流端輸出。1.2.2 整流電路整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。整流電路一般都是單獨(dú)的一塊整流模塊。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器組成，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成，濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾波脈動直流電壓中的交流成分，變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入變壓與直流輸出變壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路

5、之間的電隔離。此部分結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，其性能滿足實(shí)驗(yàn)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整流為直流電能。此外整個電路需要輔助的正負(fù)5V的電源，故通過降壓，濾波，穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的正負(fù)5V電壓。電路如下：圖3 整流濾波電路和輔助電源1.2.3 濾波電路 元件組成，如濾波電路的原理作用：濾波電路常用于濾去整流輸出中的紋波，一把的電抗在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L,以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)試濾波電路。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。當(dāng)流過電感的電流變化時(shí)，電感線圈中產(chǎn)生的感生電動勢將阻止電流的變化。當(dāng)通

6、過電感線圈的電流增大時(shí)，電感線圈產(chǎn)生的自感電動勢與電流方向相反，阻止電流的增加，同時(shí)將一部分電轉(zhuǎn)化成磁場能存儲于電感之中；單通過電感線圈的電流減小時(shí)，自感電動勢與電流方向相同，阻止電流的減小，同時(shí)釋放出存儲的能量，一補(bǔ)償電流的減小。因此經(jīng)電感濾波后，不但負(fù)載電流及電壓的脈動減小，波形變得平靜，而且整流二級管的導(dǎo)通角增大，在電感線圈不變的情況下，負(fù)載電阻愈小，輸出電壓的交流分量愈小。只有在RL>>WL時(shí)才能獲得較好的濾波效果。L愈大，濾波效果愈好。另外，由于濾波電動勢的作用，可以使二極管的導(dǎo)通角接近，減小了二極管的沖擊電流，平滑了流過二極管的電流，從而延長了整流二極管的壽命。1.2.

7、4 逆變電路 逆變電路同整流電路相反，逆變電路就是將直流電壓裝換位所要頻率的交流電壓，逆變電路是與整流電路相對應(yīng)，將低電壓變?yōu)楦唠妷?，把直流電變成交流電的電路。逆變電路是通用變頻器核心的部件之一，起著非常重要的作用。它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，將直流電能變換為交流電能的變化電路。本方案中的逆變部分，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(jìn)行調(diào)節(jié)。電路如下：圖4 主電路（1）變頻器的工作原理以單相橋式逆變電路為例，S1-S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。用可控開通，可控關(guān)斷

8、的電力電子開關(guān)，切換電流方向，將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓U0為正S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓U0為負(fù)圖5 開關(guān)示意圖（2）脈寬調(diào)制原理脈寬調(diào)制技術(shù)：通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形(含形狀和幅值）PWM控制的方法可分為三類，即計(jì)算法、調(diào)制法和跟蹤法。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(jìn)行比較的調(diào)制方法，分為單極性和雙極性調(diào)制。在本實(shí)驗(yàn)裝置中，采用了雙極性PWM調(diào)制技術(shù)。一下是雙極性PWM調(diào)制的原理。雙極性PWM控制原理示意圖如下圖所示。采用雙極性PWM調(diào)制技術(shù)時(shí)

9、，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(jìn)行比較，在信號波與載波的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)的通斷。在信號波的一個周期內(nèi)，載波有正有負(fù)，調(diào)制出來的輸出波形也是有正有負(fù)，其輸出波形有正負(fù)Ud兩種電平。用Ur表示信號波，Uc表示載波。當(dāng)Ur>Uc時(shí)，給V1、V4施加開通驅(qū)動信號，給V2，V3施加關(guān)斷驅(qū)動信號，此時(shí)如果io>0則V1、V4開通，如果io<0則VD1、VD4開通，但輸出電壓均為Uo=Ud。反之，則V2、V3或VD2、VD3開通，Uo=-Ud。圖中，Uof是輸出電壓Uo的分量。圖6 PWM調(diào)制示意圖2 電路組成 采用SPWM正弦波脈寬調(diào)制，通

10、過改變調(diào)制頻率，實(shí)現(xiàn)交直流變頻的目的。設(shè)計(jì)電路由三部分組成：即主電路，驅(qū)動電路和控制電路。交直流變換部分（AC/DC)為不可控整流電路；逆變部分（DC/AC)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。輸出經(jīng)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。2.1控制電路控制電路是由兩片集成函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038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度的正負(fù)PWM波，再經(jīng)觸發(fā)器CD4528延時(shí)后，得到兩路相位相差180度并帶一

11、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(hù)接口端STOP,當(dāng)有過流信號時(shí)，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(hù)作用。圖7 控制電路原理：是由兩片集成函數(shù)信號發(fā)生器IGL8038為核心組成，其中一片8083產(chǎn)生正弦調(diào)制波Ur，另一片用以產(chǎn)生三角載波Uc,將此兩路信號經(jīng)此比較電路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度的正負(fù)PWM波，再經(jīng)觸發(fā)器MC14528延時(shí)后，得到兩路相位相差180度并帶一定死區(qū)范圍的兩路SP

12、WM1和SPWM2波。2.2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)。主要任務(wù)是將控制電路產(chǎn)生的控制器件通斷的信號轉(zhuǎn)換為器件的驅(qū)動信號。他可以完成隔離的功能，由于全橋電路的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(jìn)行隔離。另外，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(jìn)行電氣隔離。本實(shí)驗(yàn)中使用了目前廣泛應(yīng)用的一種集成芯片IR2110.IR2110驅(qū)動功率器件，采用自居驅(qū)動方式，懸浮溝道設(shè)計(jì)使其能驅(qū)動母線電壓小于600V的功率管。它可以僅用一個供電電源來實(shí)現(xiàn)對全橋電路4個管子的驅(qū)動，避免了以往橋式驅(qū)動中多獨(dú)立電源的麻煩，還可以和主電路共地。由于MOS管通常

13、導(dǎo)通時(shí)間要小于截止時(shí)間，這樣在交替導(dǎo)通的瞬間往往容易發(fā)生橋略短路現(xiàn)象，改進(jìn)的辦法是在驅(qū)動臂上并聯(lián)二極管IN4148來加速電流回吸，以起到加速截止的作用，是MOS管的截止加快。電路如下：圖8 驅(qū)動電路2.3 主電路采用單相橋式逆變電路，共用到4個開關(guān)器件，采用了目前應(yīng)用最多的全控型電力電子器件之一的IGBT。在電路中，為了防止MOS管在開關(guān)的瞬間，劍鋒電壓導(dǎo)致MOS管被擊穿，在橋路中加入了起緩沖嵌位作用的二極管，電阻和電容。電路如下：圖9 主回路電路3 仿真結(jié)果3.1 仿真環(huán)境本次設(shè)計(jì)中用Altium designer畫出原理圖，仿真則主要用Matlab軟件來仿真，用示波器觀察整流和逆變的輸出波

14、形圖，評估整個系統(tǒng)的功能。3.2 仿真模型使用模塊提取的路徑及其單數(shù)設(shè)置離散PWN發(fā)生器模Discrete PWM Generator 提取路徑是：SimulinkSimPower SystemsPower ElectronicsDiscrete Control BlocksDiscrete PWM Generator 信號終結(jié)模塊Terminator提取路徑是：SimulinkCommonly Used BlocksTerminator 交流電模塊：“Phase”初相角0度，“Frequency”頻率50Hz,“Sample Time”采樣時(shí)間0（默認(rèn)值0表示該交流電源為連續(xù)源），“Peak

15、 amplitude”當(dāng)變頻輸出頻率為100Hz時(shí)置為600VC×2，當(dāng)變頻輸出頻率為50Hz時(shí)置為50V×2。濾波電感L1：選Series RLC Branch 模塊，將參數(shù)“Inductance(H)”z置為80e-3。 圖10 電感L1參數(shù)設(shè)置 濾波電路L2：選Series RLC Branch 模塊，將參數(shù)“Inductance(H)”置為30e-3。圖11 電感L2參數(shù)設(shè)置濾波電容C1：選Series RLC Branch模塊，將參數(shù)“Capacitance(F)”置為1800e-6。圖12 電容C1參數(shù)設(shè)置濾波電容C2：選Series RLC Branch 27

16、8模塊，將參數(shù)“Capacitance(F)”置為320e-6。圖13 電容C2參數(shù)設(shè)置不可控的整流橋Universal bridge的參數(shù)設(shè)置如下：圖14 Universal bridge的參數(shù)設(shè)置3.3 具體仿真結(jié)果3.3.1仿真電路圖單相整流逆變電路的仿真模型如下所示，由圖可知，單相220V、50Hz交流電源經(jīng)單相不可控整流環(huán)節(jié)，進(jìn)行LC濾波后即為中間直流環(huán)節(jié)。在進(jìn)入PWM逆變，又一次LC濾波后，形成所需的交流信號。圖15 仿真原理圖3.3.2整流濾波輸出電壓計(jì)算域仿真運(yùn)用matlab對交流電源與經(jīng)過橋式整流之后的電壓信號進(jìn)行了仿真之前，對兩電壓的波形進(jìn)行理論的分析：在單相橋式全控整流電

17、路中，晶閘管VT1和VT4組成一對峭壁，VT2和VT3組成另一對橋臂，字U2 正半周，若4個晶閘管均不導(dǎo)通，負(fù)載電流為零，輸出電壓U也為零，在U2 的一半。若在觸發(fā)角處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，VT1和VT4即導(dǎo)通，電流從電源端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源另一端。當(dāng)U2 過零時(shí)，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關(guān)斷。晶閘管承受的最大正向電壓和最大反向電壓的值分別為0.5×U2和U2。在U2負(fù)半周，仍在觸發(fā)角延遲處觸發(fā)VT2和VT3，VT2和VT3導(dǎo)通，其電流電壓情況與正半周情況類似。并且按照此種規(guī)律循環(huán)往復(fù)的工作下去，在此種原理下可以計(jì)算得出以下公式。 橋式整流輸出電壓：U

18、d =0.9U2 由于經(jīng)過濾波之后，電壓會上升，其實(shí)際值接近350V。兩信號的matlab仿真波形記錄如下：圖16 整流濾波輸出電壓器 由上圖可以看出整流輸出的是脈動的直流電壓波形，通過濾波電路，將其變成紋波較小的直流電壓。3.3.3逆變輸出電壓計(jì)算與仿真 電壓型全橋逆變電路的原理圖在上面的基礎(chǔ)電路中已經(jīng)給出，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和橋臂3作為一對，成對的兩個橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩隊(duì)交替導(dǎo)通180度，其輸出電壓： U0=其中，基波的幅值Uolm 和基波有效值UO1分別為： 由于輸出電壓由開關(guān)管的開通與關(guān)斷頻率決定，所以輸出電壓為無數(shù)技校的矩形組成，在matlab中，逆變電路輸出電壓頻率有PWM脈沖觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置。其參數(shù)設(shè)置如下圖：圖17 PWM脈沖觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置在采樣理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出相應(yīng)波形基本相同。如果把脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形波脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積相等