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1、 电力电子课程设计阐明书 单相交直交变频装置设计 学 院： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指引教师： 职称/学位 专 业： 班 级： 学 号： 完毕时间： 6月 湖南工学院电力电子课程设计课题任务书学院： 电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化专业自动化专业 指引教师学生姓名课题名称单相交直交变频装置设计内容及任务一、设计任务设计一种单相交直交变频装置，已知交流电源：单相220V，中间直流电压最大为50V，输出交流电压约45V，输出最大电流2A，最大功率100W。二、设计内容1、有关本课程学习状况简述；2、主电路的设计、原理分析和器件的选择；3、控制电路的设计；4、保护电路的设计；5、
2、运用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。重要参照资料1 王兆安,王俊编.电力电子技术(第5版).北京:机械工业出版社,2 黄俊,秦祖荫编.电力电子自关断器件及电路.北京:机械工业出版社,19913 李序葆,赵永健编.电力电子器件及其应用.北京:机械工业出版社,1996教研室意见 教研室主任：（签字）年 月 日摘 要随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，单相交直交变频系统得到了迅速发展，其明显的变频能力，宽泛的应用范畴，完善的保护功能，以及易于实现的变频功能，得到了广大顾客的承认，在运营的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利。近年来以燃料电池发电技术发
3、展迅速。但是分布式发电技术发出发出的电都不是与电网供电系统相似的交流电，无法与大电网联网或者直接供应一般负载使用，都需要变频装置将其变换成负载可以使用的交流电或者与大电网电压、频率相匹配的公频交流电。因此，研究交直交变频系统的基本工作原理和作用特性意义十分重大。本文研究了变频调速系统的基本构成部分，主回路重要有三部分构成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸取由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。使用Matlab搭建交直交变频系统的仿真模型，通过实验对该交直交变频系统的基本工作原理、工作特性及作用有更深的结识，也对谐波对于交直
4、交变频系统的影响有了一定的理解。核心词：电网；变频；整流；逆变；谐波；仿真目 录1 绪论11.1 电力电子技术概况11.2 课程设计任务11.3 课程设计内容12 单相交直交变频装置设计22.1 单相交直交变频电路总体设计方案22.2 具体电路设计22.2.1 主电路设计22.2.2 驱动电路设计42.2.3 4013芯片原理52.2.4 控制电路设计52.3 元器件型号选择63 仿真成果83.1 仿真环境83.2 仿真模型使用模块提取的途径及其单数设立83.3 具体仿真成果113.3.1 仿真电路图113.3.2 整流滤波输出电压计算域仿真113.3.3 逆变输出电压计算与仿真12总结15参
5、照文献16道谢171 绪论1.1 电力电子技术概况电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W如下，和以信息解决为主的信息电子技术不同电力电子技术重要用于电力变换。交直交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一种突出长处是当电动机处在制动 (发电)状态时，只需变化网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能以便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运营能力，可用于频繁加减速等对动态性
6、能有规定的单机应用场合，在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种重要手段。变频调速以其优秀的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的合用范畴及其他许多长处而被国内外公觉得最有发展前程的调速方式。进一步理解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义。1.2 课程设计任务设计一种单相交直
7、交变频装置，已知交流电源：单相220V，中间直流电压最大为50V，输出交流电压约45V，输出最大电流2A，最大功率100W。1.3 课程设计内容1、有关本课程学习状况简述；2、主电路的设计、原理分析和器件的选择；3、控制电路的设计；4、保护电路的设计；5、运用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。2 单相交直交变频电路设计2.1 单相交直交变频电路总体设计方案如图1交直交变频器原理是先把交流电经整流器先整流成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，再通过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。 图1 单相交直交变频电路总体方案图2.2 具体电路设计2.2.1 主电路设计图2
8、 单相交直交变频电路原理图如图2交直交变频电路由两部分构成，交直交直流为整流部分，采用不可控的二级管整流电路，直流侧用电容和电感进行滤波，可得到平直的中间直流电压。此部分构造简朴可靠，性能满足实验的需要。直流变交流为逆变部分，采用单相桥式逆变电路，PWM控制，输出电压的大小及频率均通过PWM控制进行调节。由于中间直流环节为电容滤波，因此图2.2的逆变电路为电压型。PWM控制技术即脉冲宽度调制技术，是通过对脉冲的宽度进行调制，来等效的获得需要的波形。PWM控制在你变电路中的应用最为广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM控制技术。PWM控制技术对逆变电路的影响十分深刻。PWM控制的措施可分
9、为三类，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措施，而调制法中最基本的是运用三角载波与正弦信号波进行比较的调制措施，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。如下是双极性PWM调制的原理。双极性PWM控制原理示意图如图3所示。采用双极性炮PWM调制技术时，以但愿得到的交流正弦输出波形作为信号波，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。在信号波的一种周期内，载波有正有负，调制出来的输出波形也是有正有负，其输出波形有两种电平。用表达信号波，表达载波，当时，给、施加开通驱动信号，给、施加关断驱动信号，
10、此时如果，则、开通，如果，则、开通，但输出电压均为。反之，则、或、开通，。图中，是输出电压的基波分量。图3 双极性PWM控制的原理2.2.2驱动电路设计图4 驱动电路原理图如图4，驱动电路作为控制电路和主电路的中间环节。重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。本实验中使用了目前广泛应用的一种集成驱动芯片三菱公司的M57950L驱动芯片。它可以完毕一下功能：(1)电气隔离 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，此外，控制电路的电压级别低，而主电路电压级别高，为了避免干扰，也必须进行电气隔离(2)波形整形 将控制电路产生的信号转化为控制I
11、GBT通断所需要的驱动信号。(3)具有过流保护功能。通过检测IGBT管的饱和压降来判断IGBT与否过流，过流时，IGBT管的CE结之间的饱和压降升到一定的值，使8脚输出低电平，在光耦TLP521-1输出端OC1变成高电平，通过过流保护电路,如图5，使4013输出Q端变成低电平送给控制电路，起到了封锁保护作用。 图5 保护电路设计 图6 CD4013 原理图 2.2.3 4013芯片原理如图6，设电路初始状态均在复位状态，Q1、Q2端均为低电平。当fi信号输入时，由于输入端异或门的作用(附表是异或门逻辑功能表)，其输出还受到触发器IC2的Q2端的反馈控制(非门F2是增长的一级延迟门，A点波形与Q
12、2相似)。在第1个fi时钟脉冲的上升沿作用下，触发器IC1、IC2均翻转。由于Q2端的反馈作用使得异或门输出一种很窄的正脉冲，宽度由两级D触发器和反相门的延时决定。当第1个fi脉冲下跳时，异或门输出又立即上跳，使IC1触发器再次翻转，而IC2触发器状态不变。这样在第1个输入时钟的半个周期内促使IC1触发器的时钟脉冲端CL1有一种完整周期的输入，但在后来的一种输入时钟的作用下，由于IC2触发器的Q2端为高电平，IC1触发器的时钟输入跟随fi信号(反相或同相)。本来IC1触发器输入两个完整的输入脉冲便可输出一种完整周期的脉冲，目前由于异或门及IC2触发器Q2端的反馈控制作用，在第1个fi脉冲的作用
13、下得到一种周期的脉冲输出，因此实现了每输入一种半时钟脉冲，在IC1触发器的Q1端获得一种完整周期的输出。2.2.4 控制电路设计 图7 控制电路原理图控制电路的工作流程是：信号发生（涉及产生信号波和载波）、信号调制、产生IGBT的驱动信号。图7给出了控制电路的原理图在本实验装置中，采用两片ICL8038分别产生正弦信号波和三角波载波。根据双极性PWM信号。在图1所示的电压型单相桥式逆变电路中需要注意的一点是V1和V4不能同步导通，V2和V3不能同步导通，否则将使直流侧发生短路。为避免两对器件同步导通，需要在两对器件的开关状态切换时设立死区，保证先断后通。图三的控制电路中使用了单稳态多频率振荡器4528来实现死区的控制。 ICL8038是精密波形发生器，它产生的波形的频率可以从0.001Hz到300Hz。其内部构造如图8所示图8 ICL8038内部功能构造图2.3 元器件型号选择（1)二极管参数计算： (1)流过每个二极管的电流是
