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1、 毕业设计 第1章 绪论1.1 课题研究的目的意义：在电力电子技术的应用中，逆变电路是通用变频器核心部件之一，起着非常重要的作用。逆变电路是与整流电路相对应，把直流电变成交流电的电路。逆变电路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。无源逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，需要通过无源逆变电路；无源逆变电路与其它电力电子变换电路组合形成具有特殊功能的电力电子设备，如无源逆变器与整流器组合为交-直-交变频器(来自交流电源的恒定幅度和频率的电能先经整流变为直流电，然后经无
2、源逆变器输出可调频率的交流电供给负载)。当电网提供的工频电源不能满足负载的需要，就需要用交-直-交变频电路进行电能交换。如感应加热需要较高频率的电源；交流电动机为了获得良好的调速特性需要频率可变的电源。1.2 国内外研究现状：随着电力电子技术的发展，逆变电路主要应用于各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等；还可以应用于交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分。逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。逆变电路可用以构成静止式中频加热电源。它具有主电路简单、起动性能好的优点，但负载适应性
3、较差，故只适用于负载变化不大但又需要频繁起动的场合。由于电压型逆变电路具有直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；阻感负载时需要提供无功功率等特点而具有广泛的应用。在晶闸管逆变电路中，负载换相式电压型逆变电路利用负载电流相位超前电压的特点来实现换相，不用附加专门的换相电路，因而应用较多。1.3 论文研究内容：此设计是对负载换相式电压型逆变电路对中频感应炉供电进行研究。系统总框图如图1-1所示。图1-1 系统总框图 第2章 整流电路和逆变电路设计2.1 三相半波可控整流电路当整流负载容量较大,或要求直流电压的脉动要小、易滤波，或要求快速控
4、制时，应采用对电网来说是平衡的三相整流装置。三相可控整流电路的类型很多，包括三相半波、三相全控桥式、三相半控桥式、双反星形以及由此发展起来适用于大功率的12相整流电路等。此设计将采用最基本的三相半波可控整流电路。2.1.1 三相半波可控整流电路电感式负载原理图三相半波可控整流电路的类型很多，包括电阻性负载、电感式负载、以及三相半波晶闸管共阳极整流电路等。由于此设计是对中频感应炉供电，因此采用电感式负载的三相半波可控整流电路。三相半波可控整流电感式负载电路如图2-1所示。为了得到零线，整流变压器的二次绕组必须接成星形，而一次绕组多接成三角形，使其3次谐波能够通过，减少高次谐波的影响。三个晶闸管的
5、阳极分别接入、三相电源，他们的阴极连接在一起，称共阴极接法，这对触发电路有公共线者连接较方便，用的较广。图2-1 带电感性的三相半波可控整流电路 2.1.2 工作原理分析 图2-2(a)是相电压的波形，在期间，相电压比、相都高。如果在时刻触发晶闸管，由于电感的存在阻止电流通过使电压减小，在电抗器两端可使导通，此时负载上得到相电压。在期间，相电压最高，在时触发晶闸管，即导通。此时因承受反相电压而关断，负载上得到相电压。在时触发晶闸管，即导通，并关断，使负载上得到相电压。之后，各晶闸管都按同样的规律依次触发导通并关断前面一个已导通的晶闸管。图2-2(b)为的波形。输出的整流电压是一个比单相整流脉动
6、大的直流电压，如图2-2(c)所示。在一个周期内整流电压有三次脉动，因此脉动频率是。从图中可以看出，各晶闸管上的触发脉冲，其相序应与电源的相序相同。各项触发脉冲依次间隔。在一个周期内，三相电源轮流向负载供电，每相晶闸管能触发导通的最早时刻。在这点以前晶闸管因承受泛亚，不能触发导通，因此把它作为计算控制角的起点，即该处的。这个交点叫自然换相点。这是因为如把晶闸管换成不可控的二极管，相电压的交点就是二极管的自然换相点的缘故。 电感对电流变化有抗拒作用，因而电感器件中的电流是不能突变的。当电流流过电抗器的电流变化时，在电抗器两端会产生一个感应电动势，它的极性是阻止电流变化的，当电流增加时，电动势的方
7、向是阻止电流增加，当电流减小时，它阻止电流减小。由于负载是大电感性的，值很大，因此整流电流基本是连续平直的，流过晶闸管的电流波形接近矩形如图2-2(g)所示。当降低而使减少时，在电感上产生的感应电动势对晶闸管来说是正向的，它阻止电流下降。以相为例，当降到零并为负值时，+仍可为正，因此继续导通，直到触发导通时为止。也就是说，尽管，仍然能使各晶闸管导通，保证电流连续。虽此时整流电压的脉动很大，而且出现负值，但的脉动却是很小的。 当然这是有条件的，即L必须足够大 。电流 图 2-2 带电感性负载的三相半波波形中的阴影部分是靠维持导通的。两端电 可控整流电路波形压 的波形亦示于图2-2中，它仍由三段曲
8、线组成。当电流连续的情况下，是容易计算出，即 (2-1) 可见与成余弦关系，如图2-3中的曲线2所示。当时，波形正负面积相等，。因而电感性负载要求的移相范围为90。如果电感量不是很大，则控制特性必然位于图2-3中曲线1与2之间，如电阻电感负载的曲线3。图 2-3 三相半波可控整流电路与的关系 1-电阻负载 2-电感负载 3-电阻电感负载 4-电阻负载时的关系电感足够大时，每相电流的波形接近矩形，其高度为，在一个周期内导通，因此变压器二次侧的相电流，亦即晶闸管的电流有效值为 (2-2) 因而 (2-3) 晶闸管两端的电压可从图2-2中的波形看出，由于电流连续，所以晶闸管承受的最大正、反向电压都是
9、线电压的峰值。 (2-4)有关计算如下：由已知：，折合后为因此有： 电流有效值 因而 2.2 负载换相式电压型逆变电路晶闸管逆变电路中，负载换相式利用负载电流相位超前电压的特点来实现换相，不用附加专门的换相电路，因而应用较多。负载换相式逆变电路有并联谐振式逆变电路和串联谐振式逆变电路两种类型。串联谐振式逆变电路直流电源由三相不可控整流电路供电，并联谐振式逆变电路直流电源由三相可控整流电路供电。故此设计采用并联并联谐振式逆变电路。2.2.1 并联谐振式逆变电路电路构成图2-4是并联谐振式逆变电路原理图。其直流电源通常由工频交流电源经三相可控整流后得到。其直流侧并有大电容 ，从而构成电压型逆变电路
10、。 图 2-4 并联谐振式逆变电路 逆变电路为单相桥式，由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串一个电抗器。用来限制晶闸管导通时的，各桥臂的之间不存在互感。使桥臂1、4和桥臂2、3以中频轮流导通，就可以在负载上得到中频交流电。 中频电炉负载是一个感应线圈，图中和串联即为其等效电路。因为功率因数很低，故并联补偿电容器。电容和、构成并联谐振逆变电路，所以这种逆变电路被称为并联谐振式逆变电路。负载换相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，使负载电路工作在容性小失谐情况下。可以看出，补偿电容也起到换相电容的作用。对于这种换相电容和负载并联的逆变电路，也称作并联逆变电路。应该指出，负载换相
11、中的换相电容和上一节介绍的电容换相方式中的换相电容有很大的不同。在电容换相方式中，换相电容只要提供关断晶闸管的能量即可，所需容量很小。而在这里的负载换相方式中，电容要使整个负载电路呈容性，因此容量要大得多。2.2.2 并联谐振式逆变电路电路工作原理分析因为此并联谐振式逆变电路属电压型，故其交流电压波形接近矩形波，其中包含基波和各奇次谐波分量。电路工作频率接近谐振频率，故负载对基波电压呈现低阻抗，基波电流较大，而对谐波分量呈现高阻抗，谐波电流很小，所以负载电流波形接近正弦波。图2-5是该逆变电路的工作波形。在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和两个换相阶段。之间为晶闸管和稳定导通阶段，负载
12、电压，近似为恒值，时刻之前在电容上，即负载上电流从左向右流过。如前所述，负载电流接近正弦波。在时刻触发晶闸管和，因在前和阳极电压等于负载电压，为正值，故和导通，开始进入换相阶段。由于每个晶闸管都串有换相电抗器LT，故和在时刻不能立刻关断，其电流有一个减少过程，和的电流也有一个增大过程。时刻后，四个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。一个回路是经、回到电容，另一回路是经、回到电容，如图2-4箭头方向所示。在这个过程中，、电流逐渐减小，、电流逐渐增大。当时，、电流减至零而关断，直流侧电流全部从、转移 图2-5 并联谐振式逆变电路波形到、，换相阶段结束。称为换相时间。 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，在时刻换相结束后，还要使、承受一段反压时间才能保证其可靠关断。应大于晶闸管关断时间。如果、尚未恢复阻断能力就加上了正向电压，就会重新导通，逆变桥处于短路状态，造成逆变失败。 为了保证可靠换相，应在负载电压过零前的时刻去触发、。称为触发引前时间，从图2-5得 (2-5) 从图2-5可看出，在换相过程中，负载电压是与电压之差。从图2-5可知，超前于的时间为 (2-6)把表示为电角度(弧度)可得 (2-7)式中，为电路工作角频率；、分别是、所对应的电角度；也就是负载的功率因数角。
