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1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级：_指导教师： 工作单位：题 目: 三相交流变换器装置设计初始条件：输入三相交流电：380V, 50Hz。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求）1、输出单相交流电，220V, 400Hz2、采用两级变换：AC/DC,DC/AC。3、完成总电路设计时间安排： 课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收 集设计资料，此阶段约占总时间的 20%。第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。约占总时间的 40%。第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的 40
2、%。指导教师签名：年 月 日系主任（或责任教师）签名：目录摘要 11方案的论证 21.1 总体原理图 21.2 三相整流电路方案 31.3 单相逆变电路方案 41.4 滤波电路方案 41.5 控制电路方案 52 电路设计 62.1 主电路设计 62.1.1 主电路组成 62.1.2 主电路参数计算 62.1.3 器件选择72.2 驱动电路设计 82.2.1 芯片 M57962L 介绍 82.2.2 驱动电路92.3 控制电路设计 102.3.1 芯片 ICL8038 介绍 102.3.2 芯片 ICL8038 输出频率的计算122.3.3 控制电路设计133 电路仿真验证 163.1 仿真电路
3、 163.2 仿真波形 174 设计小结 18参考文献 19附录：考虑死区时间的控制电路 20三相交流变换器装置设计摘要近年来，随着各行各业的技术水平和操作性能的提高，它们对电源品质的要求也在不 断提高。为了高质量和有效地使用电能，许多行业的用电设备都不是直接使用交流电网提 供的交流电作为电能源，而是根据用电设备的要求采用电力电子技术对电能进行变换，从 而得到各自所需的电能形式。而实现这一功能的装置就是交流变换器。交-直-交变频是目前交流变换器的主要形式，它与交 -交变频器相比，最主要的优点 是输出功率不再受输入电源频率制约。本文所研究的交流变换器装置即采用交-直-交变频 形式。按照电压、频率
4、的控制方式，交-直-交变频器一种主要结构是采用二极管全桥不控 整流器整流、脉宽调制型(PWM)逆变器同时实现调压调频方式。此时不可控整流提高了装 置输入功率因数，减小了对电网的谐波污染，又因采用高开关频率的逆变器，输出谐波很 小，性能优良。采用二极管不可控整流，以提高网侧电压功率因数，整流所得直流电压用 大电容稳压，为逆变器提供直流电压，再经过逆变器，输出可变幅值可变频率的信号。本次设计所研究的交流变频器可以分为五个功能模块：整流电路、逆变电路、输出滤 波器、控制电路和驱动电路；其中整流电路、逆变电路、输出滤波器构成主电路。整流电 路是一个三相 AC/DC 变换电路，是三相桥式不控整流电路，功
5、能是把 380V/50Hz 的交流 电源进行整流滤波后转换成稳定直流电源供给逆变电路。逆变电路是该电源的关键电路， 采用单相电压型全桥逆变电路，其功能是实现 DC/AC 的功率变换，即在在控制电路的控 制下把直流电源转换成单相SPWM波形供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。功率级采 用全桥逆变结构，电源利用率高，整机工作效率高。滤波电路是用来滤除干扰和无用信号， 使输出为标准正弦波。控制电路用于产生SPWM控制信号，采用双极性SPWM控制方式，还 具有相关的过流，过压保护等功能，并考虑到死区时间。驱动电路的作用是增强驱动能力， 驱动 IGBT 组成的 H 桥，同时浮置电源偏移电压，起到隔离作用
6、。关键词：交-直-交变频器三相桥式不控整流电路 单相电压型全桥逆变电路双极性 SPWM 控制电路LC 低通滤波器1 方案的论证1.1 总体原理图根据设计要求，本次设计要采用两级变换：AC/DC,DC/AC,即需先采用AC/DC的三 相整流电路，将380V/50HZ的三相输入交流电变成单相直流电，再采用DC/AC的单相逆变 电路，把直流电变成单相交流电输出。总体的结构框图如图 1-1 所示：图 1-1 总体结构框图根据以上框图可以确定总体的交直交变频器电路。间接交流变流电路由整流电路、中 间直流电流和逆变电路构成。图 2 所示的是不能再生反馈的电压型间接交流变流电路。整 流电路将380V/50H
7、Z的交流变换成直流。中间直流电流对直流进行滤波处理，必要时进行 升压斩波，以提高逆变后能输出交流的最大幅值。逆变电路的功能是将直流逆变为所需频 率和幅值的交流，主要是应用 SPWM 技术控制逆变桥，产生交流电。该方案电路具有功率 因数高、对电网污染小等优点。本文中采用这种间接变换电路实现题目要求。1.2三相整流电路方案对于不能再生反馈的电压型间接交流变流电路，整流电路部分采用不可控整流，她和 电容器之间的直流电压和直流电流极性不变，只能由电源向直流电路输送功率。所以整流 电路部分的设计有以下两种方案：方案1：三相半波不控整流电路：相当于三相半波可控整流电路在控制角go。时的情 形。当d=o。且
8、带阻性负载时，输出电压和输出电流的波形是连续的，每个晶闸管按相序 依次被触发导通，同时关断前面已经导通的晶闸管，每个晶闸管导通a =120。，晶闸管承受 的最大反向电压为线电压的峰值，而承受的最大正向电压为相电压的峰值；当带阻感性负 载时，输出电压和输出电流都是连续的，晶闸管能承受的最大正反向电压均为变压器二次 线电压的峰值。此电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，其应用较少。方案2：三相桥式不控整流电路：即三相桥式全控整流电路在控制角a=0。时的情形。 该整流电路由一组共阴极和一组共阳极电路串联而成。三相桥式的整流电压为三相半波的 两倍。三相桥式整流电路在任何时候都有两个晶闸管导
9、通，而且这两个晶闸管一个是共阴 极组，一个是共阳极组，它们同时导通，形成导电回路。晶闸管承受的最大正反向电压与 方案1相同。以上两种方案中方案2整流输出电压更高，纹波电压更小且不存在断续现象，同时电 源变压器能一直供电给负载，得到了充分的利用，效率高，而且对晶闸管的要求低，可减 少功率损耗，提高利用率，因此选用方案2。三相桥式全控整流电路示意图如图1-3：VI VTAT. d(rT4VTr)VT2 d图1-3三相桥式全控整流电路示意图实际上将图1-3中的晶闸管全部换成电力二极管即可得到三相桥式不控电路。1.3单相逆变电路方案在交-直-交变流器中，逆变电路是核心部件之一，起着非常重要的作用。它的
10、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。逆变电路部分的设计有以下两种方案：方案1：单相电压型全桥逆变电路。此电路直流侧为电压源或并联有大电容，直流侧 电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗，而且由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电 压波形为矩形波。此逆变电路工作时，输出电流幅值等于输入电流的方波电流。方案2：单相电流型全桥逆变电路。此电路直流侧为电流源或串有大电感，直流侧电 流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗，而且电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流 通途径，因而交流侧输出电流波形为矩形波。此逆变电路
11、工作时，输出电压幅值等于输入 电压的方波电压。以上两种方案中，方案1采用的是全控器件IGBT,便于控制；而方案2采用的半控型器 件晶闸管，可能会出现换相失败等情况而导致逆变失败。因为选择方案1,即采用单相电 压型全桥逆变电路。单相电压型全桥逆变电路示意图如图1-4所示：-o图1-4单相电压型全桥逆变电路示意图1.4滤波电路方案滤波电路常用于滤去整流输出电压和逆变输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成， 可以采用负载两端并联电容器C的方式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。简单的电容滤波可以抑制电路中电压的波动。而在负载上串联一个 比较大的电感器即采用电感滤波可以使
12、二极管的导通角接近n，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。1.5控制电路方案在本次设计的交-直-交三相交流变换器中，由于整流电路采用不可控的电路，所以控 制电路是用于控制单相全桥逆变电路中全控型器件IGBT的触发信号，为了能产生预期的单 相输出电压，可采用SPWM控制技术来对脉冲的宽度进行调制，从而获得等效的正弦波形。SPWM控制的原理是在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当 正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时， 脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次
13、 谐波成分大为减小。本次设计采用双极性PWM控制方式，其主要特点如下：（1）概念：如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则 SPWM波不再是单极性的，也在正负极性间变化，叫做双极性控制方式。（2）调制波与载波：如图7,调制波仍为正弦波，其周期决定于需要的调频比Kf,振 幅决定于需要的调压比Ku；载波为双极性的等腰三角波，其周期决定于载波的频率，振幅 不变，等于Ku=1时正弦调制波的振幅值。调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压 的脉冲序列，此脉冲序列也是双极性的。2 电路设计采用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
14、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 主电路设计2.1.1 主电路组成三相交流变换器主电路如图 6 所示，主电路的主要组成分是三相桥式不控整流电路、 单相电压型全桥逆变电路、滤波电路。图 2-1 三相交流变换器主电路2.1.2 主电路参数计算根据要求输入电压为三相380V/50HZ，输出为单相220V/400HZ,对功率、电流等没有 明确要求，假设功率为2KW、电流等级为中等，用AC-DC-AC方案
15、，在整流输出过程中 电压的频率基本不会发生变化三相桥式整流输出电压：U 二 2.34U cos a（2-1）d2三相半波不控整流电路：相当于三相半波可控整流电路在控制角a =0。时的情形。根据 公式计算，输出电压的幅值为：U 二 2.34U 二 2.34 x 220V 二 514.8V（2-2）d2三相交流输入经不可控整流和大电容滤波后，整流电压平均值为相电压的2.342.45倍，直流电压变化范围为514.8V537.5V。采用全桥逆变主电路结构和SPWM硬调制方式，逆变桥在最坏情况下，输出的最大电压基本有效值为：U=514.8b=364.0V2-3)如果考虑死区、开关管等引起的电压降为10%,则可得到U =327.6V。改变调制比时, b可满足输出电压要求，由于没有特殊要求，所以不使用隔离变压器。2.1.3 器件选择(1) 开关器件开关管额定电压为U CE：U 2U =2 x 537.5=1075V(2-4)CE m所以应该选用额定电压1200V MOSFET。最大输出情况下，电流有效值为I0max=P =Omax U COS 申2000220 x 0.8=11.36A2-
