單相交直交變頻電路設(shè)計(jì)_電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書

1、下載可編輯課程設(shè)計(jì)名稱：電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) tB (! MB !( n tB ( IB uo BnMBBMtB BMB 題目：單相交直交變頻電路設(shè)計(jì)學(xué) 期：2015-2016學(xué)年第1學(xué)期專 業(yè)：自一史職班級(jí)：13-2班姓名：趙鴻偉 B (na IB ! ( IBBUB BBBIBBHiaB學(xué)號(hào)：1326560223 B ! ( ) OtB IB IHtB n ( taBBIO BBM (! )指導(dǎo)教師： 王巍.專業(yè).整理.遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定表評(píng)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定合格不合格單元電路及整體設(shè)計(jì)方案合理性正確性創(chuàng)新性仿真或?qū)嵺`是否進(jìn)行仿真或?qū)嵺`技術(shù)指標(biāo)或性能 符合設(shè)計(jì)要求有完成結(jié)果

2、設(shè)計(jì)報(bào)告格式正確內(nèi)容充實(shí)語百流暢標(biāo)準(zhǔn)說明：以上三大項(xiàng)指標(biāo)中，每大項(xiàng)中有兩小 項(xiàng)或三小項(xiàng)合格，視為總成績合格?？偝煽?nèi)掌谀?月日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目單相交直交變頻電路設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)1、掌握單相交直交變頻電路的原理；2、采用protel設(shè)計(jì)出單相交直交變頻電路主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路；三、設(shè)計(jì)計(jì)劃電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)共1周。第1天:選題，查資料；第2天：方案分析比較，確定設(shè)計(jì)方案；第34天：電路原理設(shè)計(jì)與電路仿真；第5天：編寫整理設(shè)計(jì)報(bào)告書。四、設(shè)計(jì)要求1 .畫出整體電路圖。2 .對(duì)所設(shè)計(jì)的電路全部或部分進(jìn)行仿真，使之達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)要求3 .寫出符合設(shè)計(jì)格式要求的設(shè)計(jì)報(bào)告書。指導(dǎo)教師：王巍

3、時(shí) 間：2015年12月30日摘要隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，單相交-直 -交變頻系統(tǒng)也得到了迅速發(fā)展，它顯著的變頻能力，廣泛的應(yīng)用范圍，完善的 保護(hù)效力，和易于實(shí)現(xiàn)的變頻功能，獲到了廣大使用者的認(rèn)可，在運(yùn)行的安全 可靠、安裝使用以及維修維護(hù)等方面，也給使用者帶來了極大的益處。課題研究的單相交-直-交變頻電路設(shè)計(jì)主要分為主電路和控制電路兩部分 其中主電路還分為整流電路、濾波電路和單相橋式PWM逆變電路，而逆變部 分則需要用到控制電路，控制電路分為控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路。課題 的整流部分選用不可控的橋式整流電路；濾波部分則選用LC低通濾波，活的高 頻率的交流正弦

4、波輸出；逆變部分選用四個(gè)IGBT管組成的單相橋式逆變電路。 控制電路主要以單片集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038為核心設(shè)計(jì)的,生成兩路PWM信 號(hào)用來分別控制兩隊(duì)IGBT管。用MATLAB軟件仿真出設(shè)計(jì)的電路，其中對(duì)純電 阻負(fù)載以及電阻電感負(fù)載分別進(jìn)行數(shù)據(jù)和波形的分析，并采取相關(guān)措施使最后輸出的波形接近正弦波。關(guān)鍵詞：整波；濾波；逆變；IGBT; PWM ; MATLAB目錄1總體原理圖.11.1 方框圖.11.2 電路原理圖1.1.2.1 主回路電路原理圖11.2.2 整流電路1.1.2.3 濾波電路21.2.4 逆變電路32電路組成52.1 控制電路52.2 驅(qū)動(dòng)電路62.3 主電路7小結(jié)心得9

5、1.0.參考文獻(xiàn)1總體原理圖圖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管組成單項(xiàng)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)的交流電輸出。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等組成，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，用于濾除 脈動(dòng)直流電壓中的交流

6、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)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的 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能整流為直流電能。此外整個(gè)電路需要輔助的正負(fù)5V的電源，故通過降壓，整流，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 濾波電路濾波電路的原理及作用：濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一股由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器 C,或與負(fù)載用聯(lián)電感器L, 以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。在交流電源轉(zhuǎn)換直流電源后

7、，電路會(huì)有電壓波動(dòng)，為抑制電壓的波動(dòng)，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(dòng)勢(shì) 將阻止電流的變化。當(dāng)通過電感線圈的電流增大時(shí)，電感線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相反，阻止電流的增加，同時(shí)將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)能存儲(chǔ)于 電感之中；當(dāng)通過電感線圈的電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相同，阻止 電流的減小，同時(shí)釋放出存儲(chǔ)的能量，以補(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(dòng)減小，波形變得平滑，而且整流二極管的導(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 coL時(shí)才能獲得較好的濾波效果。L愈大，濾波效果愈好。另外

8、，由于 濾波電感電動(dòng)勢(shì)的作用，可以使二極管的導(dǎo)通角接近 冗，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。1.2.4 逆變電路逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓裝換為所要頻率的交流 電壓，逆變電路是與整流電路相對(duì)應(yīng)，將低電壓變?yōu)楦唠妷?，把直流電變成?流電的電路。逆變電路是通用變頻器核心部件之一，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換電路。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)

9、。電路如下：ide 1N4OUTDiodtl=Q2MOSFEEDiC70 1UFRes】I OKR5 Resl 200J.IUFR6 ：Resl 2003 10K ,eslMOEm Diode 1144 0 07 fcesl 200Cl0 1UFFET-NGND負(fù)載ide IN4007!Resl200C1ix S；閉合.S八生甘開時(shí)中整和波形圖Si. Sdm合.Si. Si斷開時(shí)電路和波形圖圖5開關(guān)示意圖S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)B脈寬調(diào)制原理脈寬調(diào)制技術(shù)：通過對(duì)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

10、狀和幅值）。PWM控制的方法可分為3三類，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。本實(shí)驗(yàn) 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。在本實(shí)驗(yàn)裝置中,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控制原理示意圖如下圖所示。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

11、出來的輸出波形也是有正有負(fù)，其輸出波形 有土 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V1、 V4施加開通驅(qū)動(dòng)信號(hào)，給V2、V3施加關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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 基波分量。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，通過改變調(diào)制頻率，實(shí)現(xiàn)交直交變頻的目的。 設(shè)計(jì)電路由三部分組成：即主電路，驅(qū)動(dòng)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

12、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（基波）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(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度的士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)?？刂齐娐愤€設(shè)置了過流保護(hù)接口端S

13、TOP,當(dāng)有過流信號(hào)時(shí)，STOP呈低電平，經(jīng)與門輸出低電平，封鎖了兩路止吉下失二之同工.1.狂前牝42三用海喻比J.L.KTOIS.-：*近汽與EICU(B8UICADOL JDH-山西IMD I匚津仃用：閽HClr9 2 qwI Ki !用四包匠修.而 M二二DUWflBT11卻比ISPWM信號(hào)，使IGBT關(guān)斷，起到保護(hù)作用。第_此i 1 iLH.J京卜本上鼠. I -LM524SX7口UDC1口 au建牛三1g分EJllT -7+ A-id g1EPE尸 E 口也性予甚，熄奧颼 正已於*匕三角沾.鈿:也L-r1-nT73- 病丁的注、L 叫, 砌口川市IITg*氈”初時(shí)nn&ijK%! G

14、CM72；FT”圖7控制電路原理：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度的士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SPWM1和SPWM2波。 2.2驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)化為器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 。它可以完成電氣隔離的功能， 由于全橋電路的4個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并

15、不都是共地的。為此需要將控制信號(hào)進(jìn)行 隔離。另外，控制電路的電壓等級(jí)低，而主電路電壓等級(jí)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)用的一種集成驅(qū)動(dòng)芯片 IR2110。IR2110驅(qū)動(dòng)功 率器件，采用自舉驅(qū)動(dòng)方式，懸浮溝道設(shè)計(jì)使其能驅(qū)動(dòng)母線電壓小于 600V的功 率管。它可以僅用一個(gè)供電電源來實(shí)現(xiàn)對(duì)全橋電路 4個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)，避免了以 往橋式驅(qū)動(dòng)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)生橋路短路現(xiàn)象 ， 改進(jìn)的辦法是在驅(qū)動(dòng)臂上并聯(lián)二極管 1N4148來加速電流回吸,以起到加速截 止的作用，使MOS管的截止

16、加快。電路如下：GND圖8驅(qū)動(dòng)電路2.3主電路采用單相橋式逆變電路，共用到4個(gè)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，尖鋒電壓導(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：OUT，R3:Resl10KDiQ2 C7MOSFE：0.照10K Realde 1N4UF1R5fResl200R7 Diode 1,Rest 200CISQ3o.iufFETNGND)07D比出1N400;+ CX.1UF融一 N d剛Resl200R4Resl 10KJ4007Di # 1N4007本D!l圖9主回路電

17、路,R8!Resl200Clfl=p 0.1UIGNDRIOReal10KMOSFET-N圖10整流濾波輸出電壓圖小結(jié)心得通過一個(gè)星期的查閱資料，仿真實(shí)驗(yàn)使我認(rèn)識(shí)到必需加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解 ， 不能停留在膚淺的了解階段，這次基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練使我獲得了十分寶貴的經(jīng)驗(yàn) ， 對(duì)于將來的我來說一定是非常巨大的財(cái)富。這次基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練讓我有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí) 書本上沒有的知識(shí)，增長了我的見識(shí)。同時(shí)，這次基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練，也使我體會(huì) 到了實(shí)踐精神的重要性，理論上的成立還要實(shí)踐來檢驗(yàn)是否符合實(shí)際，只有把 理論和實(shí)際結(jié)合起來才能有真正的收獲。止匕外，這次的基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練，使我對(duì)團(tuán)結(jié)合作有了更深的理解，在做仿真 實(shí)驗(yàn)時(shí)，大家在一起討論，加深了我們對(duì)理論知識(shí)的理解，能夠迅速解決問題