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1、电流源型单相全桥逆变电路的设计 摘要 本次设计说明书首先介绍了电流源型单相全桥逆变电路的特点和原理，用单相桥式电流型逆变电路的原理图说明了该电路是采用负载换相方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，又详细分析该电路的工作过程，并用图给出该逆变电路的工作波形。最后根据以上分析运用仿真软件PSIM对电路进行仿真设计，得到波形图。 关键词：电流源型单相电路，逆变电路，PSIM仿真 目录 1.电流源型单相全桥逆变电路研究-3 1.1逆变电路介绍-3 1.2电流型逆变电路的主要特点-3 1.3电流源型单相全桥逆变电路-3 1.4电流源型单相全桥逆变电路工作过程-4 2.电流源型单相全桥逆变电路设计-7
2、 2.1电路设计原理-7 2.2电路仿真图-7 3.参数设定及仿真结果-8 3.1直流侧仿真-8 3.1.1参数设定-8 3.1.2仿真结果-8 3.2交流侧仿真-8 3.2.1参数设定-8 3.2.2仿真结果-9 4.小结-9 5.参考文献-10 正文 1. 电流源型单相全桥逆变电路研究 1.1逆变电路介绍 把直流电变成交流电称为逆变。逆变器的交流负载中包含有电感、电容等无源元件，它们与外电路间必然有能量的交换，这就是无功。由于逆变器的直流输入与交流输出间有无功功率的流动，所以必须在直流输入端设置储能元件来缓冲无功的需求。在交直交变频电路中，直流环节的储能元件往往被当作滤波元件来看待，但它更
3、有向交流负载提供无功功率的重要作用。随着用电设备不断发展，用电设备对交流电源性能参数也有很多不同的要求,也就形成多种逆变电路。 逆变电路可以从不同的角度进行分类。如可以按换流方式分类，按输出的相数分类，也可以按直流电源的性质分类。若按直流电源的性质分类，可分为电压型和电流型两大类。本次课程设计的电路就属于电流型逆变电路。 1.2电流型逆变电路的主要特点 （1）直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。 （2）电路中开关器件的作用仅是改变直流甩流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。
4、 （3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。 1.3电流源型单相全桥逆变电路 电流源型单相全桥逆变电路原理图如图1-3所示。电路由4个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器LT。LT用来限制晶闸管开通时di/dt，各桥臂的L之间不存在互感。使桥臂1、4和桥臂2、3以10002500Hz的中频轮流导通，就可以在负载上得到中频交流电。该电路是采用负载换相方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。实际负载一般是电磁感应线圈，用来加热置于线圈内的钢料。图1 中
5、R和L串联即为感应线圈的等效电路，因为功率因数很低，故并联补偿电容器C，电容C和L、R成并联谐振电路，故这种逆变电路也被称为并联谐振式逆变电路。负载换流方式要求负载电流超前于电压，因此补偿电容应使负载过补偿，使负载电路总体上工作在容性小失谐的情况下。因为是电流型逆变电路，故其交流输出电流波形接近矩形波，其中包含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载电路对基波呈现高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，谐波在负载电路上产生的压降很小，因此负载电压的波形接近正弦波。 图1-3 电流源型单相全桥逆变电路 1.4电流源型单相全桥逆变电路工作过程 图1-4为该电路的工作波形。
6、在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。tlt2之间为晶闸管 VTl和 VT4稳定导通阶段，负载电流 io =Id，近似为恒值，t2时刻之前在电容C上，即负载上建立了左正右负的电压。在 t2时刻触发晶闸管VT2和VT3，因在t2前VT2和 VT3的阳极电压等于负载电压，为正值，故VT2和VT3开通，开始进入换流阶段。由于每个晶闸管都串有换流电抗器LT，故 VTl 和 VT4 在 t2 时刻不能立刻关断，其电流有一个减小过程。同样，VT2 和 VT3 的电流也有一个增大过程。t2 时刻后，4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。其中一个回路是经 LTl、V
7、Tl、VT3、LT3回到电容C；另一个回路是经 LT2、VT2、VT4、LT4回到电容C，如图1-4中虚线所示。在这个过程中，VTl、VT4电流逐渐减小，VT2、VT3电流逐渐增大。当t=t4时，VTl、VT4电流减至零而关断，直流侧电流Id全部从VTl、VT4转移到VT2、VT3，换流阶段结束。 称为换流时间。晶闸管在电流减小到零后，尚需一段时间才能恢复正向阻断能力。因此，在 t4时刻换流结束后，还要使VTl，VT4承受一段反压时间 才能保证其可靠关断。 应大于晶闸管的关断时间tq。如果 VT1、VT4尚未恢复阻断能力就被加上正向电压，将会重新导通，使逆变失败。 为了保证可靠换流，应在负载电
8、压uo 过零前 时刻去触发 VT2、VT3。称为触发引前时间，从图1-4可得 ， t4t6之间是VT2、VT3的稳定导通阶段。t6以后又进入从VT2、VT3导通向VT2、VT4导通的换流阶段，其过程和前面的分析类似。 晶闸管的触发脉冲uGluG4，晶闸管承受的电压 uVTluVT4以及A、B间的电压 uAB也都示于图1-4中。在换流过程中,上下桥臂的LT上的电压极性相反，如果不考虑晶闸管压降，则uAB=0。可以看出，uAB的脉动频率为交流输出电压频率的两倍。在uAB为负的部分，逆变电路从直流电源吸收的能量为负，即补偿电容 C 的能量向直流电源反馈。这实际上反映了负载和直流电源之间无功能量的交换
9、。在直流侧，Ld 起到缓冲这种无功能量的作用。 如果忽略换流过程，io可近似看成矩形波。展开成傅里叶级数可得 其基波电流有效值 Io1 为 再来看负载电压有效值U。和直流电压Ud的关系。如果忽略电抗器Ld的损耗，则uAB的平均值应等Ud。再忽略晶闸管压降，则从图1-4的uAB波形可得 一般情况下 值较小，可近似认为 ，再考虑到式 可得 或 图1-4 逆变电路工作波形图 在上述讨论中，为简化分析，认为负载参数不变，逆变电路的工作频率也是固定的。实际上在中频加热和钢料熔化过程中，感应线圈的参举是随时间而变化的，固定的工作频率无法保证晶闸管的反压时间大于关断时间，可能导致逆变失败。为了保证电路早常工
10、作，必须使工作频率能适应负载的变化而自动调整。这种控制方式称为自励方式，即逆变电路的触发信号取自负载端，其工作频率受负载谐振频率的控制而比后者高一个适当的值。与自励式相对应，固定工作频率的控制方声称为他励方式。自励方式存在着起动的问题，因为在系统未投入运行时，负载端没有输出，无法取出信号。解决这一问题的方法之一是先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。另一种方法是附加预充电起动电路，即预先给电容器充电，起动时将电容能量释放到负载上，形成衰减振荡，检测出振荡信号实现自励。 2. 电流源型单相全桥逆变电路设计 2.1电路设计原理 逆变时电流源型逆变电路的直流部分需要输出稳定的直流电流，将仿真电
11、路中的电压源近似等效成电流源。在逆变电路中，由于电压源串联电阻可以等效成电流源，可以相互转换，所以采用电压源串联大电阻来等效成电流源，再接上大电感，直流侧部分就设计完成。交流侧采用单相桥式连接，由晶闸管触发导通电路，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器LT。LT用来限制晶闸管开通时的di/dt,各桥臂LT之间不存在互感。此电抗器用电感等效，选用小电感。负载部分中电阻R2与电感L6串联，后与大电容C1并联，组成并联谐振式电路。电容C1为补偿电容，使负载过补偿，使负载电路总体工作在容性，并略失谐的情况下。 图2-2 电路仿真图 2.2电路仿真图 3. 参数设定及仿真结果 3.1直流侧仿真 3.1.1参
12、数设定 将电压源VDC1设定为10伏，电压源串联的大电阻R1为1兆欧，与直流侧相连的大电感L1为573毫亨。 3.1.2仿真结果 图3-1-2直流侧仿真波形图 3.2交流侧仿真 3.2.1参数设定 晶闸管中VT1与VT4，VT2与VT3以中频1000至2500Hz的中频轮流导通，将导通频率设定为1500Hz。由逆变电路的工作波形可以看出两组晶闸管相差180o轮流导通，导通角设定为0o。电抗器LT选择小电感均为1毫亨。 负载电路中需满足并联谐振条件WC=1/WL,由于触发脉冲为1500Hz,所以将大电容C1设定为450uF，电感L6为2mH，取电阻R2为100欧姆。 图3-2-2 交流侧仿真波形
13、图 3.2.2仿真结果 从仿真波形可以看出，通过本次逆变电路，在直流侧的直流电通过桥式电路后，转变成了交流电，且电流超前于电压。 4. 小结 通过本次课程设计，对电力电子技术的知识有了更具体的理解和直观的认识。通过设计电流源型单相全桥逆变电路，并对其工作原理和输入输出情况进行分析，将理论和实践联系在一起。在设计过程中，需要应用到的数电、电路等方面的知识，通过此次设计也让我将这些知识进行了复习。而通过对参数进行设定和计算，提高了自身的计算能力和理解能力。自己也熟悉使用PSIM软件。 5.参考文献 （1）林渭勋主编，现代电力电子技术，北京：机械工业出版社，2006 （2）邵丙衡主编，电力电子技术，北京：中国铁道出版社，1997 （3）丁道宏主编，电力电子技术，北京：航空工业出版社，1992 10
