單相交直交變頻電路

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)(論文)單相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)裝置 院（系）名稱電子與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師起 止 時(shí) 間： 2014.12.152014.12.26課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電子與信息工程學(xué)院 教研室：電子信息工程學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)課程設(shè)計(jì)（論文）題目單相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)裝置課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)任務(wù)要求：設(shè)計(jì)一單相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)裝置用于電力電子技術(shù)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)參數(shù)要求完成整流電路設(shè)計(jì)、逆變電路設(shè)計(jì)、通過(guò)計(jì)算選擇器件的具體型號(hào)、完成驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)或選擇，使學(xué)生可以通過(guò)該裝置測(cè)試、觀察及驗(yàn)證單相交-直-交變頻的實(shí)現(xiàn)方法。技術(shù)要求：1、交流電

2、源：?jiǎn)蜗?20V。2、為了IGBT的安全，中間直流電壓最大為50V。3、輸出交流電壓約45V。4、輸出最大電流2A。5、輸出頻率50Hz6、最大功率：100W。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)平時(shí)成績(jī)： 答辯成績(jī)： 論文成績(jī)： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：平時(shí)成績(jī)占20%，答辯成績(jī)占40%，論文成績(jī)占40%。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電力電子技術(shù)取得了迅速的的發(fā)展，改變著我國(guó)工業(yè)的整體面貌，在現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。其中，單相交-直-交變頻技術(shù)也得到了越來(lái)越多的重視。其在工業(yè)生產(chǎn)、生活?yuàn)蕵泛蛢x器應(yīng)用等方面有著廣泛的應(yīng)用，其中目前應(yīng)用最廣泛的屬于電網(wǎng)互聯(lián)，將分布式

3、發(fā)電技術(shù)發(fā)出的電變成負(fù)載可以使用的交流電或與大電網(wǎng)電壓、頻率相匹配的工頻交流電?？梢?，研究交直交變頻系統(tǒng)的基本工作原理和作用特性意義十分重大。本次設(shè)計(jì)研究的單相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)裝置可分為主電路和控制電路兩部分。其中，主電路包括整流電路、逆變電路和濾波電路三部分。整流電路采用不可控的二極管單相橋式整流電路；逆變電路采用IGBT組成的單相全橋逆變電路；濾波電路采用電容濾波，輸出合適頻率的正弦交流電。而控制電路由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路組成。其中，控制電路以ICL8038為核心，生成兩路PWM控制信號(hào)；驅(qū)動(dòng)電路采用三菱公司生產(chǎn)的M57862L集成驅(qū)動(dòng)器；用雙D觸發(fā)器CD4013構(gòu)成保護(hù)電路。根

4、據(jù)以上電路組合設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)Multisim軟件進(jìn)行電路仿真，可以基本滿足本次設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，且電路比較可靠。關(guān)鍵詞：整流；逆變；IGBT；PWM控制目 錄第1章 第1章 緒論11.1 電力電子技術(shù)發(fā)展概況11.2 本文研究?jī)?nèi)容1第2章 單相交-直-交變頻電路設(shè)計(jì)32.1 單相交-直-交變頻電路總體設(shè)計(jì)方案32.1.1 方案論證與選擇32.1.2 整體方案框圖32.2 具體電路設(shè)計(jì)42.2.1 整流電路設(shè)計(jì)42.2.2 逆變電路設(shè)計(jì)62.2.3 控制電路設(shè)計(jì)72.2.4 驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)電路設(shè)計(jì)102.3 元器件型號(hào)選擇11第3章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)13參考文獻(xiàn)15附 錄16II第1章 緒論1.1 交直交

5、變頻器發(fā)展概況變頻器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢(shì)是：驅(qū)動(dòng)的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。交直交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲(chǔ)能元件，無(wú)功功率將由大電感來(lái)緩沖，它的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng) (發(fā)電)狀態(tài)時(shí)，只需改變網(wǎng)側(cè)可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到直流側(cè)的再生電能方便地回饋到交流電網(wǎng)，構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行能力，可用于頻繁加減速等對(duì)動(dòng)態(tài)性能有要求的單機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，在大容量風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中也有應(yīng)用。近

6、年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的走向，具有十分積極的意義。1.2 本文研究?jī)?nèi)容本文設(shè)計(jì)研究的是100W單相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置主要由整流電路、逆變電路

7、以及驅(qū)動(dòng)電路等組成。任務(wù)要求：設(shè)計(jì)一單相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)裝置用于電力電子技術(shù)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)參數(shù)要求完成整流電路設(shè)計(jì)、逆變電路設(shè)計(jì)、通過(guò)計(jì)算選擇器件的具體型號(hào)、完成驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)或選擇，使學(xué)生可以通過(guò)該裝置測(cè)試、觀察及驗(yàn)證單相交-直-交變頻的實(shí)現(xiàn)方法。技術(shù)要求：1、交流電源：?jiǎn)蜗?20V。2、為了IGBT的安全，中間直流電壓最大為50V。3、輸出交流電壓約45V。4、輸出最大電流2A。5、輸出頻率50Hz。6、最大功率：100W。18第2章 單相交-直-交變頻電路設(shè)計(jì)2.1 單相交-直-交變頻電路總體設(shè)計(jì)方案2.1.1 方案論證與選擇1.逆變電路方案論證與選擇 方案一：采用電壓型逆變電路電

8、壓型逆變電路具有直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗的優(yōu)點(diǎn)，且交流側(cè)輸出電壓波形與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)，比較容易得到合適的交流電壓。方案二：采用電流型逆變電路電流型逆變電路需在直流側(cè)串聯(lián)大電感，且交流側(cè)輸出電壓波形和相位隨負(fù)載阻抗角的不同而不同，對(duì)于本次設(shè)計(jì)，可行性差。綜上比較，本次設(shè)計(jì)采用電壓型逆變電路2.整流電路方案論證與選擇方案一：采用二極管單相橋式整流電路二極管單相橋式整流電路輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。方案二：采用晶閘管單相橋式整流電路晶閘管單相橋式整流電路適用于功率較大的

9、場(chǎng)合。與二極管相比，晶閘管采購(gòu)價(jià)格昂貴，易受干擾而發(fā)生誤導(dǎo)通，且需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的觸發(fā)電路，可行性不好。本次設(shè)計(jì)輸出功率為100W，從經(jīng)濟(jì)、可操作性兩方面考慮，選擇方案一。2.1.2 整體方案框圖如圖2.1所示，總體設(shè)計(jì)方案由整流電路、濾波、逆變電路等組成。市電經(jīng)整流電路變?yōu)橹绷麟?，直流電?jīng)濾波電路進(jìn)行平滑濾波，再輸入逆變電路，變?yōu)轭l率和電壓均可調(diào)的交流電。單相橋式整流電路電壓型逆變電路交流輸出市電交流濾波變壓器控制電路圖2.1總體設(shè)計(jì)方案框圖2.2 具體電路設(shè)計(jì)2.2.1 整流電路設(shè)計(jì)直流電路的原理圖如圖2.2所示。圖2.2整流電路在變壓器二次側(cè)電壓的正半周，其極性為上正下負(fù)，此時(shí)二極管D1、D

10、4正向?qū)?，D2、D3反偏截止，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管D1流向RL，再由二極管D4流回變壓器。于是在負(fù)載電阻RL上得到一個(gè)極性為上正下負(fù)的半波電壓。在導(dǎo)通時(shí)二極管的正向壓降很小，可以忽略不計(jì)，因此，可認(rèn)為這半波電壓和的變壓器二次側(cè)電壓正半波是相同的。在變壓器二次側(cè)電壓的負(fù)半周，其極性為上負(fù)下正，此時(shí)二極管D2、D3正向?qū)?，D1、D4反偏截止，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管D2流向RL，再由二極管D3流回變壓器。同理，在負(fù)載上得到一個(gè)半波電壓，極性依舊是上正下負(fù)，與前面得到的相同，如圖2.3所示。圖2.3整流電路輸出波形一所得到的半波電壓經(jīng)過(guò)電容濾波電路

11、的濾波，便可得到較為平緩的直流電壓，如圖2.4所示。圖2.4整流電路輸出波形二2.2.2 逆變電路設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，主要采用單相橋式逆變電路作為設(shè)計(jì)的主電路。其主電路結(jié)構(gòu)圖如圖2.5所示：圖2.5單相橋式逆變電路如上圖所示，單相全橋逆變電路主要有四個(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)半橋電路組合而成。其中橋臂1,4為一對(duì)，橋臂2，3為一對(duì)。每個(gè)橋臂由一個(gè)可控器件IGBT以及一個(gè)反并聯(lián)的二極管組成。在直流側(cè)接有足夠大的電容，負(fù)載接在橋臂之間。它的具體工作過(guò)程如下：設(shè)最初t1時(shí)刻時(shí)，給IGBT Q1、Q4觸發(fā)信號(hào)，使其導(dǎo)通。 則電流通過(guò)橋臂1，負(fù)載，橋臂4構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)通回路。當(dāng)t2 時(shí)刻時(shí)，給Q2,Q3觸發(fā)信號(hào)，

12、給Q1,Q4關(guān)斷信號(hào)。但由于負(fù)載電感較大，通過(guò)它的電流不能突變，所以二極管D2,D3導(dǎo)通進(jìn)行續(xù)流。當(dāng)電流逐漸減小為0，橋臂1,4關(guān)斷，橋臂2,3導(dǎo)通，構(gòu)成一個(gè)回路，從而實(shí)現(xiàn)換流。當(dāng)Q1、Q4或Q2、Q3為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；而當(dāng)D6、D8或D5、D7為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓反向，負(fù)載電感中儲(chǔ)存的能量向直流側(cè)反饋，即負(fù)載電感將其吸收的無(wú)功能量向直流側(cè)反饋。反饋回的能量暫時(shí)儲(chǔ)存在直流側(cè)電容器中，直流側(cè)電容器起著緩沖這種無(wú)功能量的作用。單相橋式逆變電路工作波形如圖2.6所示。圖2.6單相橋式逆變電路工作波形分析其工作過(guò)程：設(shè)在t1時(shí)刻前Q1和Q4導(dǎo)通，輸出電壓Uo為U

13、d，t1時(shí)刻Q3和Q4柵極信號(hào)反向，Q4截止，而因負(fù)載電感中電流不能突變，Q3不立刻導(dǎo)通，D7導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)續(xù)流。因?yàn)镼1和D6同時(shí)導(dǎo)通，所以輸出電壓為0。到t2時(shí)刻Q1和Q2柵極信號(hào)反向，Q1截止，而Q2不能立刻導(dǎo)通，D5續(xù)流，和D7構(gòu)成電流通道，輸出電壓-Ud。到負(fù)載電流過(guò)零并開始反向時(shí)，D5和D7截止，Q2和Q3開始同時(shí)導(dǎo)通，仍然為-Ud。在t3時(shí)刻Q3和Q4柵極信號(hào)再次反相，Q3截止，而Q4不能立刻導(dǎo)通，D8導(dǎo)通續(xù)流，Uo再次為0。以后的過(guò)程與前面類似。2.2.3 控制電路設(shè)計(jì)1.PWM控制原理PWM（Pulse Width Modulation）控制脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度

14、進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。PWM控制的方法可分為三類,即計(jì)算法、調(diào)制法和跟蹤控制法。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(hào)波進(jìn)行比較的調(diào)制方法,分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制。本次設(shè)計(jì)采用的單相橋式逆變電路既可以采用單極性調(diào)制,也可以采用雙極性調(diào)制。在本次設(shè)計(jì)中,采用了雙極性PWM調(diào)制技術(shù)。以下是雙極性PWM調(diào)制的原理。 雙極性PWM 控制原理示意圖如圖2.7所示。采用雙極性PWM調(diào)制技術(shù)時(shí)，以希望得到的交流正弦輸出波形作為信號(hào)波，采用三角波作為載波，將信號(hào)波與載波進(jìn)行比較,在信號(hào)波與載波的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開

15、關(guān)的通斷。在信號(hào)波的一個(gè)周期內(nèi),載波有正有負(fù)，調(diào)制出來(lái)的輸出波形也是有正有負(fù)，其輸出波形有±Ud兩種電平。用Ur表示信號(hào)波,，Uc表示載波。當(dāng)Ur>Uc 時(shí)，給Q1、Q4施加開通驅(qū)動(dòng)信號(hào)，給Q2 、Q3 施加關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此時(shí)如果負(fù)載電流io>0 則Q1 、Q4 開通，如果io < 0，則D6 、D8開通,但輸出電壓均為Uo=Ud 。反之，則Q2、Q3或D5、D7開通，Uo= -Ud 。圖2.8中，Uof是輸出電壓Uo的基波分量。圖2.7雙極性PW

16、M控制方式波形2.控制電路設(shè)計(jì)控制電路的工作流程是:信號(hào)發(fā)生(包括產(chǎn)生信號(hào)波和載波) 、信號(hào)調(diào)制、產(chǎn)生IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。附錄圖2給出了控制電路的原理圖。 在本實(shí)驗(yàn)中，控制電路采用兩片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ICL8038為核心，其中一片產(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(hào)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±PWM波，再經(jīng)觸發(fā)器CD4528延時(shí)后，得到兩路相位相差180度并帶一定死區(qū)范圍的兩路SPWM1和SPWM2波，作為主電路中兩對(duì)開關(guān)管IGBT的控制信號(hào)

17、。控制電路還設(shè)置了過(guò)流保護(hù)接口端STOP，當(dāng)有過(guò)流信號(hào)時(shí)，STOP呈低電平，經(jīng)與門輸出低電平，封鎖了兩路SPWM信號(hào)，使IGBT關(guān)斷，起到保護(hù)作用。 ICL8038 是精密波形發(fā)生器,它產(chǎn)生的波形的頻率可以從0.001Hz 到300Hz。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。 圖2.8 ICL8038內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖原理：是由兩片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ICL8038為核心組成，其中一片8038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(hào)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&

18、#177;PWM波，再經(jīng)觸發(fā)器MC4528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SPWM1和SPWM2波。2.2.4 驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)電路設(shè)計(jì)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)裝置的性能有很大影響。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮小開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。另外，對(duì)電力電子器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往就近設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或者通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，這使得驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)尤為重要。本次設(shè)計(jì)采用了三菱公司生產(chǎn)的專用于驅(qū)動(dòng)IGBT的驅(qū)動(dòng)器M57962

19、L。它的內(nèi)部集成了退飽和、檢測(cè)和保護(hù)單元，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)能快速響應(yīng)，但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號(hào)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖2.9所示，它由光電耦合器、接口電路、檢測(cè)電路、定時(shí)復(fù)位電路以及門極關(guān)斷電路組成。M57962L具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1.采用快速型光電耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，具有較高的輸入、輸出隔離度。2.采用雙電源供電方式，確保IGBT可靠通段。3.內(nèi)部集成了短路和過(guò)流保護(hù)電路。M57962L的過(guò)流保護(hù)電路通過(guò)檢測(cè)IGBT的飽和壓降來(lái)判斷是否過(guò)流，一旦過(guò)流，M57962L將對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷，并對(duì)外部電路輸出故障信號(hào)。圖2.9 M57962L的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖采用M57962L設(shè)計(jì)的驅(qū)

20、動(dòng)電路如圖2.10所示。圖2.10驅(qū)動(dòng)電路2.3 元器件型號(hào)選擇根據(jù)任務(wù)要求，可知直流側(cè)輸出電壓最大為50V，交流側(cè)輸出電壓約為45V，輸出最大電流為2A，最大功率為100W。1.整流電路器件選擇當(dāng)直流側(cè)輸出電壓最大時(shí)，由于 (2-1)計(jì)算得變壓器二次側(cè)電壓55.6V。所以變壓器匝數(shù)比 (2-2)計(jì)算得K4，本設(shè)計(jì)取K=5。二極管所承受最大電壓 (2-3)一般電網(wǎng)的波動(dòng)范圍為±10%，所以二極管兩端電壓為=1.1××55.686.5V，可額定電壓、額定電流分別為100V、3A的1N5408二極管。2.IGBT型號(hào)的選擇IGBT兩端所承受的最大電壓為=×5070.7V負(fù)載最大電流為2A，選擇IGBT時(shí)電壓電流應(yīng)留有2至3倍的裕量，所以可選IGBT的額定電壓、額定電流分別為=3×70.7=212.1V，=3×2=6A；可選擇額定電壓、額定電流分別為400V、5A的型號(hào)為2N6975的IGBT。第3章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)課程設(shè)計(jì)是大學(xué)必修的一門課，是我