單相半橋無源逆變器設(shè)計

.PAGE.PAGE1電氣與電子信息工程學院計算機控制課程設(shè)計設(shè)計題目：單相半橋無源逆變電路設(shè)計專業(yè)班級：電氣工程及其自動化2010〔專升本班學號：201020210128姓名：朱勇同組人：嚴康孫希凱指導教師：南光群黃松柏設(shè)計時間：2011/11/13～2011/11/21設(shè)計地點：電力電子室

電力電子課程設(shè)計成績評定表姓名朱勇學號201020210128課程設(shè)計題目：單相半橋無源逆變電路設(shè)計課程設(shè)計答辯或質(zhì)疑記錄：1、單相半橋無源逆變電路的原理是什么？答：見圖1.2。在一個周期內(nèi),電力晶體管T1和T2的基極信號各有半周正偏,半周反偏,且互補。若負載為阻感負載,設(shè)t2時刻以前,T1有驅(qū)動信號導通,T2截止。t2時刻關(guān)斷的T1,同時給T2發(fā)出導通信號。由于感性負載中的電流i。不能立即改變方向,于是D2導通續(xù)流。t3時刻i。降至零,D2截止,T2導通,i。開始反向增大。在t4時刻關(guān)斷T2,同時給T1發(fā)出導通信號,由于感性負載中的電流i。不能立即改變方向,D1先導通續(xù)流；t5時刻i。降至零,T1導通。2、將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電路稱為逆變電路,根據(jù)交流電的用途可分為哪幾類？答：有源逆變和無源逆變。成績評定依據(jù)：課程設(shè)計考勤情況〔20％：課程設(shè)計答辯情況〔30％：完成設(shè)計任務(wù)及報告規(guī)范性〔50％：最終評定成績〔以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定指導教師簽字：20XX12月20日《電力電子課程設(shè)計》課程設(shè)計任務(wù)書2011～2012學年第1學期學生姓名：朱勇專業(yè)班級電氣工程及其自動化2010專升本指導教師：南光群、黃松柏工作部門：電氣學院電氣自動化教研室一、課程設(shè)計題目：1.單相橋式晶閘管整流電路設(shè)計2.三相半波晶閘管整流電路設(shè)計3.三相橋式晶閘管整流電路設(shè)計4.降壓斬波電路設(shè)計5.升壓斬波電路設(shè)計6.單相半橋無源逆變電路設(shè)計7.單相橋式無源逆變電路設(shè)計8.單相交流調(diào)壓電路設(shè)計9.三相橋式SPWM逆變器設(shè)計二、課程設(shè)計內(nèi)容1.根據(jù)具體設(shè)計課題的技術(shù)指標和給定條件,能獨立而正確地進行方案論證和電路設(shè)計,要求概念清楚、方案合理、方法正確、步驟完整；2.學會查閱有關(guān)參考資料和手冊,并能正確選擇有關(guān)元器件和參數(shù)；3.編寫設(shè)計說明書,參考畢業(yè)設(shè)計論文格式撰寫設(shè)計報告〔5000字以上。注：詳細要求和技術(shù)指標見附錄。三、進度安排1．時間安排序號內(nèi)容學時安排〔天1方案論證和系統(tǒng)設(shè)計12主電路設(shè)計13保護電路設(shè)計14驅(qū)動電路設(shè)計15設(shè)計答辯1合計5設(shè)計指導答辯地點：電力電子室2．執(zhí)行要求電力電子課程設(shè)計共9個選題,每組不得超過6人,要求學生在教師的指導下,獨力完成所設(shè)計的系統(tǒng)主電路、控制電路等詳細的設(shè)計〔包括計算和器件選型。嚴禁抄襲,嚴禁兩篇設(shè)計報告基本相同,甚至完全一樣。四、基本要求〔1參考畢業(yè)設(shè)計論文要求的格式書寫,所有的內(nèi)容一律打印；〔2報告內(nèi)容包括設(shè)計過程、電路元件參數(shù)的計算、系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析；〔3要有完整的主電路原理圖和控制電路原理圖；〔4列出主電路所用元器件的明細表?！?參考文獻五、課程設(shè)計考核辦法與成績評定根據(jù)過程、報告、答辯等確定設(shè)計成績,成績分優(yōu)、良、中、及格、不及格五等。評定項目基本內(nèi)涵分值設(shè)計過程考勤、自行設(shè)計、按進度完成任務(wù)等情況20分設(shè)計報告完成設(shè)計任務(wù)、報告規(guī)范性等情況50分答辯回答問題情況30分90～100分：優(yōu)；80～89分：良；70～79分：中；60～69分,及格；60分以下：不及格六、課程設(shè)計參考資料[1]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)〔第四版.北京：機械工業(yè)出版社,2001[2]王文郁.電力電子技術(shù)應(yīng)用電路.北京：機械工業(yè)出版社,2001[3]李宏.電力電子設(shè)備用器件與集成電路應(yīng)用指南.北京：機械工業(yè)出版社,2001[4]石玉、栗書賢、王文郁.電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計指導.北京：機械工業(yè)出版社,1999[5]趙同賀等.新型開關(guān)電源典型電路設(shè)計與應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社,2010指導教師：南光群、黃松柏20XX10月8日教研室主任簽名：胡學芝20XX10月9日摘要電力電子技術(shù)的應(yīng)用已深入到國家經(jīng)濟建設(shè),交通運輸,空間技術(shù),國防現(xiàn)代化,醫(yī)療,環(huán)保和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域。進入新世紀后電力電子技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。以計算機為核心的信息科學將是21世紀起主導作用的科學技術(shù)之一,有人預言,電力電子技術(shù)和運動控制一起,將和計算機技術(shù)共同成為未來科學的兩大支柱。電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。具體地說,就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)。通常把電力電子技術(shù)分為電力電子制造技術(shù)和變流技術(shù)兩個分支。變流技術(shù)也稱為電力電子器件的應(yīng)用技術(shù),它包括用電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路和對這些電路進行控制的技術(shù),以及由這些電路構(gòu)成電路電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。"變流"不僅指交直流之間的交換,也包括直流變直流和交流變交流的變換。如果沒有晶閘管及電力晶體管等電力電子器件,也就沒有電力電子技術(shù),而電力電子技術(shù)主要用于電力變換。因此可以認為,電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ),而變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。電力電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)是半導體物理,而變流技術(shù)的理論基礎(chǔ)是電路理論。將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電路稱為逆變電路,根據(jù)交流電的用途可分為有源逆變和無源逆變。本課程設(shè)計主要介紹單相半橋無源逆變電路。關(guān)鍵詞：整流、無源逆變、晶閘管AbstractTheapplicationofpowerelectronicstechnologyhaspenetratedintothenationaleconomicconstruction,transportation,spacetechnology,themodernizationofnationaldefense,medical,environmentalprotectionandpeopleinallareasofdailylife.Afterenteringthenewcenturyelectricpowerelectronictechnologyisusedmoreandmorewidely.Takethecomputerasthecoreinformationsciencewillbetwenty-firstCenturyplayedadominantroleinthescienceandtechnologyone,somebodyisfatidical,powerelectronicsandmotioncontrolandcomputertechnologytogether,willbecomethetwopillarsofthefuturescience.Thepowerelectronictechnologyisappliedinpowerelectronicstechnology.Specifically,istheuseofpowerelectronicdevicesforpowerconversionandcontroltechnology.Usuallythepowerelectronictechnologyisdividedintopowerelectronicsmanufacturingtechnologyandvariableflowtechnologyinthetwobranch.Convertertechnologyisalsoknownastheapplicationofpowerelectronicdevicestechnology,itinvolvestheuseofpowerelectronicdevicesofvariouselectricpowerconversioncircuitandthecircuitcontroltechnology,aswellasbythecircuitcircuit,electronicdeviceandpowerelectronicsystemstechnology."Flow"refersnotonlytotheexchangebetweentheACandDC,includingDCDCandACACconverter.Ifthereisnothyristorandpowertransistorsandpowerelectronicdevices,thereisnopowerelectronictechnology,powerelectronictechnologyismainlyusedforpowerconverter.Itcanthereforebeconsidered,thepowerelectronicdevicemanufacturingtechnologyisthepowerofelectronictechnologyfoundation,andconvertertechnologyisthecoreofpowerelectronictechnology.Manufacturetechniqueofpowerelectronicdeviceisbasedonthetheoryofsemiconductorphysics,andconvertertechnologyisbasedonthetheoryofcircuittheory.ChangingDCintoACcircuitcalledtheinvertercircuit,accordingtocurrentusecanbedividedintoactiveandpassiveinverterinverter.Thiscourseisdesignedtointroduceasingle-phasehalf-bridgepassiveinvertercircuit.Keywords:passiveinverter,rectifier,thyristor目錄TOC\o"1-3"\h\u3512第一章系統(tǒng)方案設(shè)計1184921.1系統(tǒng)方案1201281.2系統(tǒng)工作原理112164第二章硬件電路設(shè)計與參數(shù)計算3232812.1系統(tǒng)硬件連接圖3261252.2整流電路設(shè)計方案3300852.2.1整流變壓器的參數(shù)運算3271132.2.2整流變壓器元件選擇4176032.3.3整流電路保護元件的選用5273422.2驅(qū)動電路設(shè)計方案6309342.2.1IGBT驅(qū)動器的基本驅(qū)動性能688242.2.2驅(qū)動電路7281162.3觸發(fā)電路設(shè)計方案810411第三章MATLAB仿真9843.1建立仿真模型910193.2仿真結(jié)果分析1012173小結(jié)1117906參考文獻1213649附錄一：元器件清單13..第一章系統(tǒng)方案設(shè)計1.1系統(tǒng)方案系統(tǒng)方案如圖1.1所示,在電路原理框圖中,交流電源、整流、濾波和半橋逆變電路四個部分構(gòu)成電路的主電路,驅(qū)動電源和驅(qū)動電路兩部分構(gòu)成指揮主電路中逆變橋正確工作的控制電路。其中,交流電源、整流、濾波三個部分的功能分別由交流變壓器、全橋整流模塊和兩個串聯(lián)的電解電容實現(xiàn);半橋逆變電路由半橋逆變和緩沖電路構(gòu)成;而驅(qū)動電源和驅(qū)動電路則需要根據(jù)實驗電路的要求進行搭建。圖1.1電路原理圖1.2系統(tǒng)工作原理圖1.2電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形在一個周期內(nèi),電力晶體管T1和T2的基極信號各有半周正偏,半周反偏,且互補。若負載為阻感負載,設(shè)t2時刻以前,T1有驅(qū)動信號導通,T2截止,則。t2時刻關(guān)斷的T1,同時給T2發(fā)出導通信號。由于感性負載中的電流i。不能立即改變方向,于是D2導通續(xù)流,。t3時刻i。降至零,D2截止,T2導通,i。開始反向增大,此時仍然有。在t4時刻關(guān)斷T2,同時給T1發(fā)出導通信號,由于感性負載中的電流i。不能立即改變方向,D1先導通續(xù)流,此時仍然有；t5時刻i。降至零,T1導通,。第二章硬件電路設(shè)計與參數(shù)計算2.1系統(tǒng)硬件連接圖單相半橋無源逆變主電路如圖2.1所示圖2.1單相半橋無源逆變主電路2.2整流電路設(shè)計方案2.2.1整流變壓器的參數(shù)運算1變壓器二次側(cè)電壓的計算是一個重要的參數(shù),選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角α加大,功率因數(shù)變壞,整流元件的耐壓升高,增加了裝置的成本。根據(jù)設(shè)計要求,采用公式：由表查得A=2.34；取ε=0.9；α角考慮10°裕量,則B=cosα=0.985取=140V。電壓比K=/=220/140=1.57。2一次、二次電流、的計算由得考慮空載電流取3變壓器容量的計算；；；2.2.2整流變壓器元件選擇1整流元件選擇二極管承受最大反向電壓,考慮三倍裕量,則,取600V。該電路整流輸出接有大電容,而且負載為純電阻性負載,所以簡化計算得取15A。故選ZP-15A整流二極管4只,并配15A散熱器。2濾波電容的選擇濾波電容一般根據(jù)放電時間常數(shù)計算,負載越大,要求紋波系數(shù)越小,電容量越大。一般不作嚴格計算,多取2000以上。因該系統(tǒng)負載不大,故取=2200耐壓按取250V。即選用2200、250V電容器。3IGBT的選擇因,取3倍裕量,選耐壓為150以上的IGBT。由于IGBT是以最大值標注,且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關(guān)系,故應(yīng)選用大于4倍額定負載電流的IGBT為宜。為此選用1MBH50-090型IGBT。其續(xù)流二極管選擇與之配套的快速恢復二極管EDR60-100。Cl、C2為3300uF電解電容2.3.3整流電路保護元件的選用1變壓器二次側(cè)熔斷器選擇由于變壓器最大二次電流,故選用10A熔芯即可滿足要求。應(yīng)選用15A、250V熔斷器。2IGBT保護電路的選擇eq\o\ac<○,1>電容的選擇一般按布線電感磁場能量全部轉(zhuǎn)化為電場能能量估算。即得這里取為電路電壓=3A；為電感值==14.7mH;為保證保護可靠,可取稍低于IGBT耐壓值為宜,這里取200V進行計算；??；則=0.0588uF取,耐壓300V。eq\o\ac<○,2>緩沖電阻的計算要求IGBT關(guān)斷信號到來之前,將緩沖電容器所積蓄的電荷放完,以關(guān)斷信號之前放電90%為條件,其計算公式如下；,有。eq\o\ac<○,3>緩沖電路二極管因為用于高頻電路中,故應(yīng)選用快速恢復二極管,以保證IGBT導通時很快關(guān)斷。電流額定可按IGBT通過電流的0.1試選,然后調(diào)試決定。圖2.2IGBT保護電路2.2驅(qū)動電路設(shè)計方案2.2.1IGBT驅(qū)動器的基本驅(qū)動性能eq\o\ac<○,l>動態(tài)驅(qū)動能力強,能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。當IGBT在硬開關(guān)方式下工作時,會在開通及關(guān)斷過程中產(chǎn)生較人的損耗。這個過程越長,開關(guān)損耗越大。器件工作頻率較高時,開關(guān)損耗會大大超過IGBT通態(tài)損耗,造成管芯溫升較高。這種情況會大大限制IGBT的開關(guān)頻率和輸出能力,同時對IGBT的安全工作構(gòu)成很大威脅。IGBT的開關(guān)速度與其柵極控制信號的變化速度密切相關(guān)。IGBT的柵源特性顯非線性電容性質(zhì),因此驅(qū)動器須具有足夠的瞬時電流吞吐能力,才能使IGBT柵源電壓建立或消失得足夠快,從而使開關(guān)損耗降至較低的水平。另一方面,驅(qū)動器內(nèi)阻也小能過小,以免驅(qū)動回路的雜散電感與柵極電容形成欠阻尼振蕩。同時,過短的開關(guān)時間也會造成回路過高的電流尖峰,這既對主回路安全不利,也容易在控制電路中造成干擾。eq\o\ac<○,2>能向IGBT提供適當?shù)恼驏艠贰GBT導通肝的管壓降與所加柵源電壓有關(guān),在集射電流一定的情況下,Vge越高,Vce越低,器件的導通損耗就越小,這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是,Vge井非越高越好,Vge過大,負載短路時Ic增大,IL．BT能承受短路電流的時間減少,對安全不利,一但發(fā)生過流或短路,柵壓越高,則電流幅值越高,IGBT損壞的可能性就越大。因此,在有短路程的設(shè)備中Vge應(yīng)選小些,一般選12～15V。eq\o\ac<○,3>在關(guān)斷過程中,為盡快抽取PNP管中的存儲電荷,能向IGBT提供足夠的反向柵壓?？紤]到在IGBT關(guān)斷期間,由于電路中其他部分的工作,會在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號,這些信號輕則會使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài),增加管了的功耗,重則將使裂變電路處于短路直通狀態(tài),因此,最好給應(yīng)處于截止狀態(tài)的IGBT加一反向柵壓<5～15V>,使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時仍能可靠截止。eq\o\ac<○,4>有足夠的輸入輸出電隔離能力。在許多設(shè)備中,IGBT與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系,而控制電路一般不希望如此。另外,許多電路中的IGBT的工作電位差別很大,也不允許控制電路與其直接藕合。因此驅(qū)動器具有電隔離能力可以保證設(shè)備的正常工作,也有利于維修調(diào)試人員的人身安全。但這種電隔離不應(yīng)影響驅(qū)動信譬的正常傳輸。eq\o\ac<○,5>具有柵壓限幅電路,保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極眼電壓一般為±20V,驅(qū)動信號超出此范圍就可能破壞柵極。eq\o\ac<○,6>輸入輸出信號傳輸無延時。這小儀能夠減少系統(tǒng)響應(yīng)滯后,而且能提高保護的快速性。eq\o\ac<○,7>人電感負載下,IGBT的開關(guān)時間不能過分短,以限制di／dt所形成的尖峰電壓,保證IGBT的安全。2.2.2驅(qū)動電路IGBT的驅(qū)動電路如圖4,此IGBT門極驅(qū)動電路采用了光耦合器使信號電路與門極驅(qū)動電路相隔離。當光電耦合器導通時,V截止,IGBT導通。光電耦合器截止,V導通,導通,IGBT截止。圖2.3IGBT驅(qū)動電路圖2.3觸發(fā)電路設(shè)計方案控制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號,用于可控制電路中主功率器件的通斷,通過對占空比α的調(diào)節(jié),達到控制輸出電壓大小的目的。此外,控制電路還具有一定的保護功能。 被實驗裝置的控制電路采用控制芯片SG3525為核心組成。芯片的輸入電壓為8V到35V。它的振蕩頻率可在100HZ到500KHZ的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在芯片的CT端和放電端間串聯(lián)一個電阻可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時間。此外此外,其軟起動電路非常容易設(shè)計,只需外部接一個軟起動電容即可。圖2.4觸發(fā)電路圖第三章MATLAB仿真MATLAB軟件語言系統(tǒng)是當今流行的第四代計算機語言,由于它在科學計算、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)建模與仿真、圖形圖像處理等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及自身的獨特優(yōu)勢,目前MATLAB受到個研究領(lǐng)域的推崇和關(guān)注。本文也采用MATLAB軟件對研究結(jié)果經(jīng)行仿真,以驗證結(jié)果是否正確。3.1建立仿真模型建立仿真模型的步驟：=1\*GB3①建立主電路的仿真模型=2\*GB3②構(gòu)造控制部分=3\*GB3③完成波形觀測及分析部分最終完成仿真模型如圖7所示：圖3.1單相半橋無源逆變電路仿真模型3.2仿真結(jié)果分析將仿真時間設(shè)為0.00s,選擇ode113的仿真算法,將絕對誤差設(shè)為1e-5,運行后可得仿真結(jié)果。如圖8所示自上而下分別為逆變器輸出的交流電壓、電流和直流側(cè)電流波形。交流電壓為100V的方波電壓,周期與驅(qū)動信號同為1kHz。由于負載為純電阻負載,則直流電流無