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1、电力电子课程设计电力电子课程设计题目题目单相交直交变频电路设计学院学院大连海洋大学应用技术学院专业专业自动化班级班级自动化 15-2（二）姓名姓名程 功指导教师指导教师刘 洋2015 年 12 月单相交直交变频电路设计2目录1 总体原理图.31.1 方框图.31.2 电路原理图.31.2.1 主回路电路原理图.31.2.2 整流电路.31.2.3 滤波电路.41.2.4 逆变电路.42 电路组成.72.1 控制电路.72.2 驱动电路.82.3 主电路.93 仿真结果.103.1 仿真环境103.2 仿真模型使用模块提取的路径及其单数设置103.3 具体仿真结果.133.3.1 仿真电路图13
2、3.3.2 整流滤波输出电压计算与仿真143.3.3 逆变输出电压计算与仿真154 小结心得.175 参考文献.18大连海洋大学应用技术学院31 总体原理图1 总体原理图1.1 方框图整流器滤波器逆变器DCDC交 流 输 入交 流 输 出辅 助 电 源PWM 波形图1 总体方框图1.2 电路原理图1.2.1 主回路电路原理图图2 主回路原理图如图所示， 交直流变换电路为不可控整流电路， 输入的交流电通过变压器和桥式整流电路转化为直流电，滤波电路用电感和电容滤波，逆变部分采用四只 IGBT 管组成单项桥式逆变电路，采用双极性调制方式，输出经 LC 低通滤波器滤波，滤除高次谐波，得到频率可调的交流
3、电输出。1.2.2 整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成，滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分，变压器设置与否视具体情况而定。 变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。单相交直交变频电路设计4此部分结构简单、工作可靠,其性能满足实验的需要，故采用桥式整流电路。其作用是将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能。此外整个电路需要辅助的正负5V 的电源，故通过降压，整流，滤波，稳压得到稳定的正负5
4、V 电压。电路如下：图3 整流滤波电路和辅助电源1.2.3 滤波电路滤波电路的原理及作用： 滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波， 一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器 C，或与负载串联电感器 L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。在交流电源转换直流电源后，电路会有电压波动，为抑制电压的波动，采用简单的电容滤波。当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中； 当通过电感线圈的电流减小时， 自感电动势与电流方向相同，阻止电流的
5、减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大，在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在 RLL时才能获得较好的滤波效果。L 愈大，滤波效果愈好。另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。1.2.4 逆变电路大连海洋大学应用技术学院5逆变电路同整流电路相反， 逆变电路是将直流电压装换为所要频率的交流电压， 逆变电路是与整流电路相对应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路。逆变电路是
6、通用变频器核心部件之一， 起着非常重要的作用。 它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源， 将直流电能变换为交流电能的变换电路。本方案中的逆变部分,采用单相桥式逆变电路,PWM 控制,输出电压的大小及频率均可通过 PWM 控制进行调节。电路如下：图4 主电路A 变频器的工作原理以单相桥式逆变电路为例， S1-S4是桥式电路的4个臂， 由电力电子器件及辅助电路组成。用可控开通，可控关断的电力电子开关，切换电流方向，将直流电能转换成交流电能。单相交直交变频电路设计6图5 开关示意图S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正S1、S4断
7、开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负B脉宽调制原理脉宽调制技术：通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值） 。PWM 控制的方法可分为3三类,即计算法、调制法和跟踪控制法。其中,调制法是较为常用的也是基本的一类方法,而调制法中最基本的是利用三角载波与正弦信号波进行比较的调制方法,分为单极性调制和双极性调制。本实验采用的单相桥式逆变电路既可以采用单极性调制,也可以采用双极性调制。在本实验装置中,采用了双极性 PWM 调制技术。以下是双极性 PWM 调制的原理。双极性 PWM 控制原理示意图如下图所示。 采用双极性 PWM 调制技术时,以希望得到的交流正弦输出波形作
8、为信号波,采用三角波作为载波,将信号波与载波进行比较,在信号波与载波的交点时刻控制各开关的通断。 在信号波的一个周期内,载波有正有负,调制出来的输出波形也是有正有负,其输出波形有Ud 两种电平。 用 ur 表示信号波, uc 表示载波。 当 ur uc时,给 V1 、V4 施加开通驱动信号,给 V2 、V3 施加关断驱动信号,此时如果 io 0 则 V1 、V4 开通,如果 io 0则 VD1 、VD4 开通,但输出电压均为 uo = Ud 。反之,则 V2 、V3 或VD2 、VD3 开通, uo = - Ud 。图中,uof 是输出电压 uo 的基波分量。大连海洋大学应用技术学院7图6 P
9、WM调制示意图2 电路组成2 电路组成采用 SPWM 正弦波脉宽调制，通过改变调制频率，实现交直交变频的目的。设计电路由三部分组成：即主电路, 驱动电路和控制电路。交直流变换部分（AC/DC）为不可控整流电路；逆变部分（DC/AC）由四只 IGBT 管组成单相桥式逆变电路，采用双极性调制方式。输出经 LC 低通滤波器，滤除高次谐波，得到高频率的正弦波（基波）交流输出 。2.1 控制电路控制电路是由两片集成函数信号发生器 ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波 Ur，另一片用以产生三角载波 Uc，将此两路信号经比较电路 LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波 Um
10、，即 SPWM 波。Um 经反相器后，生成两路相位相差180度的PWM 波，再经触发器 CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和 SPWM2波，作为主电路中两对开关管 IGBT 的控制信号。控制电路还设置了过流保护接口端 STOP，当有过流信号时，STOP 呈低电平，经与门输出低电平，封锁了两路 SPWM信号，使 IGBT 关断，起到保护作用。单相交直交变频电路设计8图7 控制电路原理：是由两片集成函数信号发生器 ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波 Ur，另一片用以产生三角载波 Uc，将此两路信号经比较电路 LM311异步调制后，产生
11、一系列等幅，不等宽的矩形波 Um，即 SPWM 波。Um 经反相器后，生成两路相位相差180度的PWM波， 再经触发器MC14528延时后， 得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和 SPWM2波。2.2 驱动电路驱动电路作为控制电路和主电路的中间环节。 主要任务是将控制电路产生的控制器件通断的信号转化为器件的驱动信号。它可以完成 电气隔离的功能，由于全桥电路的4 个管子的驱动信号并不都是共地的,为此需要将控制信号进行隔离。另外,控制电路的电压等级低,而主电路电压等级高,为了避免干扰,也必须进行电气隔离。本实验中使用了目前广泛应用的一种集成驱动芯片 IR2110。IR2110
12、驱动功率器件，采用自举驱动方式，悬浮沟道设计使其能驱动母线电压小于600V 的功率管。它可以仅用一个供电电源来实现对全桥电路4个管子的驱动，避免了以往桥式驱动中多独立电源的麻烦，还可以和主电路共地。 由于 MOS 管通常导通时间要小于截止时间，这样在交替导通的瞬间往往容易发生桥路短路现象， 改进的办法是在驱动臂上并联二极管1N4148来加速电流回吸， 以起到加速截止的作用，使 MOS 管的截止加快。电路如下：大连海洋大学应用技术学院9图8 驱动电路2.3 主电路采用单相桥式逆变电路,共用到4 个开关器件,采用了目前应用最多的全控型电力电子器件之一的 IGBT。在电路中，为了防止 MOS 管在开
13、关的瞬间，尖锋电压导致 MOS 管被击穿，在桥路中加入了起缓冲嵌位作用的二极管，电阻和电容。电路如下：单相交直交变频电路设计10图9 主回路电路3 仿真结果3 仿真结果3.1 仿真环境本次设计中用 Altium designer 画出原理图，仿真则主要用 Matlab 软件来仿真，用示波器观察整流和逆变的输出波形图，评估整个系统的功能。3.2 仿真模型使用模块提取的路径及其单数设置离 散PWM发 生 器 模 块DiscretePWMGenerator提 取 路 径 是 ：SimulinkSimPowerSystemsPower ElectronicsDiscrete Control Block
14、sDiscrete PWMGenerator信号终结模块 Terminator 提取路径是:SimulinkCommonly Used BlocksTerminator交流电源模块:“Phase”初相角0,“Frequency”频率50Hz,“Sampletime”采样时间0(默认值0表示该交流电源为连续源),“Peak amplitude”当变频输出频率为100Hz 时置为600V2,当变频输出频率为50Hz 时置为50V2。大连海洋大学应用技术学院11滤波电感 L1：选 Series RLC Branch 模块，将参数“Inductance(H)”置为80e-3。图10电感L1参数设置滤波
15、电感 L2；选 Series RLC Branch 模块，将参数“Inductance(H)”置为30e-3。图11电感L2参数设置滤波电容 C1：选 Series RLC Branch 模块，将参数“Capacitance(F)”置为1800e-6。单相交直交变频电路设计12图12 电容C1参数设置滤波电容 C2：选 Series RLC Branch 278模块，将参数“Capacitance(F)”置为320e-6。图13 电容C2参数设置不可控的整流桥 Universal bridge 的参数设置如下：大连海洋大学应用技术学院13图14 Universal bridge的参数设置3.3
16、 具体仿真结果3.3.1 仿真电路图单相整流逆变电路的仿真模型如下图所示，由图可知，单相220V、50Hz 交流电源经单相不可控整流环节，进行 LC 滤波后即为中间直流环节。再进入 PWM 逆变，又一次 LC 滤波后，形成所需的交流信号。单相交直交变频电路设计14图15 仿真原理图3.3.2 整流滤波输出电压计算与仿真运用 matlab 对交流电源与经过桥式整流之后的电压信号进行了仿真之前，对两电压的波形进行理论的分析：在单相桥式全控整流电路中，晶闸管 VT1和 VT4组成一对桥臂，VT2和 VT3组成另一对桥臂，在2U正半周，若4个晶闸管均不导通，负载电流为零，输出电压 U 也为零，VT1、VT4串联承受电压2U，设 VT1和 VT4漏电阻相等，则各承受2U的一半。若在触发角处给 VT1和 VT4加触发脉冲，VT1和 VT4即导通，电流从电源端经 VT1、R、VT4流回电源另一端。当2U过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和 VT4关断。晶闸管承受的最大正向电压和最大反向电压的值分别为20.5* 2U和22U。在2U负半周，仍在触
