單項(xiàng)橋式逆變電路課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、 電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 單相橋式逆變電路的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 蔣智鵬 指導(dǎo)教師： 肖文英 職稱/學(xué)位 副教授 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 電氣本1205班 學(xué) 號(hào)： 1230140514 完成時(shí)間： 2015年06月 1摘 要本次課程設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一直流輸入電壓100V，要求輸出電壓頻率范圍在3060HZ，電壓3050V范圍可調(diào)的交流電壓的電路。本次設(shè)計(jì)的單項(xiàng)橋式逆變電路是由四只晶閘管構(gòu)成，將直流電壓逆變成為交流電壓并將它加載到負(fù)載電路，負(fù)載電路是由感應(yīng)線圈和補(bǔ)償電容組成的串聯(lián)振蕩電路，我們通過(guò)負(fù)載電路來(lái)調(diào)整電壓的頻率和幅度，來(lái)達(dá)到逆變及頻率、幅

2、度可調(diào)的目的。由于晶閘管逆變裝置在逆變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓、過(guò)電流，故又對(duì)單相交流調(diào)壓電路設(shè)計(jì)了一套保護(hù)電路。在進(jìn)行主電路的設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)主電路的輸入、輸出參數(shù)來(lái)確定各個(gè)電力電子器件的參數(shù)，并進(jìn)行器件的選擇，已便設(shè)計(jì)的主電路能夠達(dá)到要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)，并完成相應(yīng)的功能。在本次課程設(shè)計(jì)中，我擔(dān)任的是主電路及保護(hù)電路等電路的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：PWM;晶閘管;橋式逆變目 錄1 緒論12 總體方案設(shè)計(jì)22.1方案比較22.2 方案選擇23 主電路的設(shè)計(jì)33.1 主電路原理33.2 主要元器件選擇44 控制與驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)64.1 控制電路的設(shè)計(jì)64.2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)75 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)95.1過(guò)電流保護(hù)95.2

3、過(guò)電壓保護(hù)106 仿真及結(jié)果分析126.1 仿真軟件介紹126.2 仿真及結(jié)果分析12總 結(jié)16參考文獻(xiàn)17附 錄181 緒論 電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的學(xué)科。它包括電力電子器件、變流電路和控制電路三個(gè)部分，是電力、電子、控制三大電氣工程技術(shù)領(lǐng)域之間的交叉學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)由于和現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)，已逐步發(fā)展成為一門(mén)多學(xué)科相互滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，正弦波輸出變壓變頻電源已被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，與此同時(shí)對(duì)變壓變頻電源的輸出電壓波形質(zhì)量也提出了越來(lái)越高的要求。對(duì)逆變器輸出波形質(zhì)

4、量的要求主要包括兩個(gè)方面：一是穩(wěn)態(tài)精度高；二是動(dòng)態(tài)性能好。因此，研究開(kāi)發(fā)既簡(jiǎn)單又具有優(yōu)良動(dòng)、靜態(tài)性能的逆變器控制策略，已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管（SCR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、晶體管（BJT）、絕緣柵晶體管（IGBT）等階段。目前正向著大容量、高頻率、易驅(qū)動(dòng)、低損耗、模塊化、復(fù)合化方向發(fā)展，與其他電力電子器件相比，IGBT具有高可靠性、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、保護(hù)容易、不用緩沖電路和開(kāi)關(guān)頻率高等特點(diǎn)，為了達(dá)到這些高性能，采用了許多用于集成電路的工藝技術(shù)，如外延技術(shù)、離子注入、精細(xì)光刻等。IGBT最大的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論在導(dǎo)通狀態(tài)還是短路狀態(tài)都可以承受電流沖擊。它的并聯(lián)不成問(wèn)

5、題，由于本身的關(guān)斷延遲很短，其串聯(lián)也容易。盡管IGBT模塊在大功率應(yīng)用中非常廣泛，但其有限的負(fù)載循環(huán)次數(shù)使其可靠性成了問(wèn)題，其主要失效機(jī)理是陰極引線焊點(diǎn)開(kāi)路和焊點(diǎn)較低的疲勞強(qiáng)度，另外絕緣材料的缺陷也是一個(gè)問(wèn)題。在現(xiàn)有的正弦波輸出變壓變頻電源產(chǎn)品中，為了得到SPWM波，一般都采用雙極性調(diào)制技術(shù)。該調(diào)制方法的最大缺點(diǎn)是它的4個(gè)功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，從而產(chǎn)生了較大的開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)頻率越高，損耗越大。本次課程設(shè)計(jì)研究單相橋式PWM逆變電路，通過(guò)該電路實(shí)現(xiàn)逆變電源變壓、變頻輸出。112 總體方案設(shè)計(jì) 2.1方案比較單相橋式整流電路可分為單相橋式相控整流電路和單相橋式半控整流電路，它們所連接

6、的負(fù)載性質(zhì)不同就會(huì)有不同的特點(diǎn)。下面分析兩種單相橋式整流電路在帶電感性負(fù)載的工作情況。 單相半控整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡(jiǎn)單、調(diào)整方便。弱點(diǎn)是：輸出電壓脈動(dòng)沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)載時(shí)），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個(gè)等大反向的半波，沒(méi)有直流磁化問(wèn)題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。2.2 方案選擇 單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在相同的負(fù)載下流過(guò)晶閘管的平均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。 單相半波相控整流電路因其性能較差，實(shí)際中很少采用，在中小功率場(chǎng)合采用更多的

7、是單相全控橋式整流電路。 根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路（負(fù)載為阻感性負(fù)載）。113 主電路的設(shè)計(jì)3.1 主電路原理 3.1.1主電路圖主電路圖如圖1：圖1 主電路圖3.1.2 主電路原理及說(shuō)明在單相橋式全控整流電路中,晶閘管VT1和VT4組成一對(duì)橋臂,VT2和VT3組成一對(duì)橋臂。在U2的正半周期，觸發(fā)角處給晶閘管VT1和VT4加觸發(fā)脈沖使其開(kāi)通， =u2。負(fù)載中有電感存在使負(fù)載電流不能突變，電感對(duì)負(fù)載電流起平波作用。u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過(guò)電流id，并不關(guān)斷。至=+時(shí)刻，給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，因VT2和VT3本已承受正電壓，故兩

8、管導(dǎo)通。VT2和VT3導(dǎo)通后，u2通過(guò)VT2和VT3施加反向電壓使VT1和VT4關(guān)斷，流過(guò)VT1和VT4的電流迅速的轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過(guò)程稱為換向，亦成為換流。單相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)，晶閘管承受的最大反向電壓u2.3.1.3 參數(shù)計(jì)算負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，整流電壓平均值可按下式計(jì)算： (1) 輸出電流波形因電感很大，平波效果很好而呈一條水平線。兩組晶閘管輪流，一個(gè)周期中各導(dǎo)電180， 且與無(wú)關(guān)， 變壓器二次繞組中電流i2的波形是對(duì)稱的正、負(fù)方波。負(fù)載電流的平均值Id和有效值I相等，其波形系數(shù)為1。在這種情況下： 當(dāng)=0時(shí)，=0.9U2； 當(dāng)=90時(shí)，=0，其移相范圍為090。 晶閘

9、管承受的最大正、反向電壓都是U2。 流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值分別為:= (2)= (3)3.2 主要元器件選擇 單相橋式全控主電路中最重要的元器件是晶閘管，晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），晶閘管是大功率器件，工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。其外型有螺栓型和平板型兩種封裝，引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（或稱柵極）G三個(gè)聯(lián)接端。選擇時(shí)主要考慮其參數(shù)和選取原則： 1). 1晶閘管的主要參數(shù)如下： 額定電壓通常取和中較小的，再取靠近標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時(shí)，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的23倍

10、，以保證電路的工作安全。晶閘管的額定電壓 （23）UTM （4.4.1）：工作電路中加在管子上的最大瞬時(shí)電壓 額定電流IT(AV) IT(AV) 又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40和規(guī)定的冷卻條件下元件在電阻性負(fù)載流過(guò)正弦半波、導(dǎo)通角不小于170的電路中，結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流取相近的電流等級(jí)即為晶閘管的額定電流。在實(shí)際使用時(shí)不論流過(guò)管子的電流波形如何、導(dǎo)通角多大，只要其最大電流有效值 ,散熱冷卻符合規(guī)定，則晶閘管的發(fā)熱、溫升就能限制在允許的范圍。 ：額定電流有效值，根據(jù)管子的IT(AV) 換算出，、 三者之間的關(guān)系： (4) (5)

11、 波形系數(shù)：有直流分量的電流波形，其有效值與平均值之比稱為該波的波形系數(shù)，用表示: (6) 額定狀態(tài)下， 晶閘管的電流波形系數(shù): (7) 晶閘管承受最大電壓為考慮到2倍裕量，取400V. 晶閘管的選擇原則： 、所選晶閘管電流有效值 大于元件 在電路中可能流過(guò)的最大電流有效值。 、選擇時(shí)考慮（1.52）倍的安全余量。即 1.57 IT(AV) （1.5ITM） (8) 因?yàn)?則晶閘管的額定電流為=10A(輸出電流的有效值為最小值，所以該額定電流也為最小值)考慮到2倍裕量,取20A.即晶閘管的額定電流至少應(yīng)大于20A. (9) 在本次設(shè)計(jì)中我選用4個(gè)KP20-4的晶閘管.2）變壓器的選取 根據(jù)參數(shù)

12、計(jì)算可知:變壓器應(yīng)選變比為2,容量至少為24.2VA4 控制與驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 4.1 控制電路的設(shè)計(jì)為了得到控制電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，我們需要做一個(gè)頻率可調(diào)的正弦波信號(hào)發(fā)生器，通過(guò)兩路過(guò)零比較器可分別得到兩路互補(bǔ)的控制信號(hào)，而和的控制信號(hào)可在前一正弦交流信號(hào)后加一個(gè)移相網(wǎng)絡(luò)得到，再用過(guò)零比較器就可以得到他們的控制信號(hào)了。每路信號(hào)都必須通過(guò)光耦隔離四個(gè)驅(qū)動(dòng)橋壁。根據(jù)以上的分析，所設(shè)計(jì)出的控制電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路如圖2所示圖2 正弦信號(hào)產(chǎn)生電路這個(gè)電路的原理其實(shí)就是一個(gè)RC橋式正弦振蕩電路，只是在一般的RC橋式正弦振蕩電路的基礎(chǔ)上增加了圖中的R6和R8所在支路，通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)R6和R8可以達(dá)到調(diào)節(jié)該電路所產(chǎn)

13、生的正弦波頻率的作用同樣的，所設(shè)計(jì)出的控制信號(hào)產(chǎn)生電路如圖3所示。將圖2中電路所得到的正弦信號(hào)分別輸入到這個(gè)電路中，第一輪輸入直接通過(guò)過(guò)零比較器輸出，得到V1和V3；在第二路輸出中，先加一個(gè)移相網(wǎng)絡(luò)得到，再用過(guò)零比較器就得到和的控制信號(hào)。圖3 控制信號(hào)產(chǎn)生電路 4.2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 其驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示： 圖4 驅(qū)動(dòng)電路4.2.1 工作原理利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性與RC電路的充放電可組成自激振蕩電路，產(chǎn)生頻率可變的脈沖。從圖（4）可知，經(jīng)D1-D2整流后的直流電源UZ一路徑R2、R1加在單結(jié)晶體管兩個(gè)基極b1、b2之間，另一路通過(guò)Re對(duì)電容C充電，發(fā)射極電壓=按指數(shù)規(guī)律上升。剛沖點(diǎn)到大于峰點(diǎn)轉(zhuǎn)

14、折電壓Up的瞬間，管子e-b1間的電阻突然變小，開(kāi)始導(dǎo)通。電容C開(kāi)始通過(guò)管子e-b1迅速向R1放電，由于放電回路電阻很小，故放電時(shí)間很短。隨著電容C放電，電壓小于一定值，管子BT又由導(dǎo)通轉(zhuǎn)入截止，然后電源又重新對(duì)電容C充電，上述過(guò)程不斷重復(fù)。在電容上形成鋸齒波震蕩電壓，在R1上得到一系列前沿很陡的觸發(fā)尖脈沖us， 如圖（b）所示，其震蕩頻率為f=1/T=1/(1/1-) (10)式中=0.30.9是單結(jié)晶體管的分壓比。即調(diào)節(jié)Re，可調(diào)節(jié)振4.2.3 主要器件介紹（1） 單結(jié)晶體管 單結(jié)晶體管原理單結(jié)晶體管（簡(jiǎn)稱UJT）又稱基極二極管，它是一種只有PN結(jié)和兩個(gè)電阻接觸電極的半導(dǎo)體器件，它的基片為

15、條狀的高阻N型硅片，兩端分別用歐姆接觸引出兩個(gè)基極b1和b2。在硅片中間略偏b2一側(cè)用合金法制作一個(gè)P區(qū)作為發(fā)射極e。（2） 同步電源步電壓又變壓器TB獲得，而同步變壓器與主電路接至同一電源，故同步電壓于主電壓同相位、同頻率。同步電壓經(jīng)橋式整流、穩(wěn)壓管削波為梯形波，而削波后的最大值UZ既是同步信號(hào)，又是觸發(fā)電路電源.當(dāng)過(guò)零時(shí)，電容C經(jīng)e-b1、R1迅速放電到零電壓。這就是說(shuō)，每半周開(kāi)始，電容C都從零開(kāi)始充電，進(jìn)而保證每周期觸發(fā)電路送出第一個(gè)脈沖距離過(guò)零的時(shí)刻(即控制角)一致，實(shí)現(xiàn)同步。（3） 移相控制Re當(dāng)Re增大時(shí)，單結(jié)晶體管發(fā)射極充電到峰點(diǎn)電壓Up的時(shí)間增大，第一個(gè)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻推遲，即控

16、制角增大，實(shí)現(xiàn)了移相。（4） 脈沖輸出R1 觸發(fā)脈沖由1直接取出，這種方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但觸發(fā)電路與主電路有直接的電聯(lián)系，不安全。對(duì)于晶閘管串聯(lián)接法的全控橋電路無(wú)法工作。所以一般采用脈沖變壓器輸出。5 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)5.1過(guò)電流保護(hù)當(dāng)電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動(dòng)、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負(fù)載過(guò)載；直流側(cè)短路；可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生逆變失敗；以及交流電源電壓過(guò)高或過(guò)低；均能引起裝置或其他元件的電流超過(guò)正常工作電流，即出現(xiàn)過(guò)電流。因此，必須對(duì)電力電子裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)電流保護(hù)。采用快速熔斷器作過(guò)電流保護(hù)，熔斷器是最簡(jiǎn)單的過(guò)電流保護(hù)元件，但最普通的熔斷器由于熔斷特性不合適，很可能

17、在晶閘管燒壞后熔斷器還沒(méi)有熔斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發(fā)生過(guò)電流可及時(shí)熔斷起到保護(hù)作用。最好的辦法是晶閘管元件上直接串快熔，因流過(guò)快熔電流和晶閘管的電流相同，所以對(duì)元件的保護(hù)作用最好，這里就應(yīng)用這一方法快熔抑制過(guò)電流電路圖如圖5所示。圖5 快速熔短器的接入方法 A型熔斷器的特點(diǎn)：是熔斷器與每一個(gè)元件串連，能可靠的保護(hù)每一個(gè)元件。 B型熔斷器的特點(diǎn)：能在交流、直流和元件短路時(shí)起保護(hù)作用，其可靠性稍有降低。 C型熔斷器的特點(diǎn)：直流負(fù)載側(cè)有故障時(shí)動(dòng)作，元件內(nèi)部短路時(shí)不能起保護(hù)作用 對(duì)于第二類過(guò)流，即整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過(guò)電流，則應(yīng)當(dāng)采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。常見(jiàn)的電子保護(hù)原理圖

18、如6所示圖6 過(guò)流保護(hù)原理圖晶閘管初開(kāi)通時(shí)電流集中在靠近門(mén)極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后以0.1mm/的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個(gè)陰極面，若晶閘管開(kāi)通時(shí)電流上升率/過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽(yáng)極回路串聯(lián)入電感。如下圖7所示:圖7 串聯(lián)電感抑制回路5.2 過(guò)電壓保護(hù)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過(guò)電壓和雷擊過(guò)電壓的侵襲。同時(shí)，設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過(guò)電壓出現(xiàn)。過(guò)電壓保護(hù)的第一種方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。如圖8和圖9所示。圖8 阻容三角抑制過(guò)電

19、壓 圖9 壓敏電阻過(guò)壓 加在晶閘管上的正向電壓上升率/也應(yīng)有所限制,如果/過(guò)大，由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實(shí)際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時(shí)引起晶閘管誤導(dǎo)通。為抑制/的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路。如圖10所示。圖10 并聯(lián)R-C阻容吸收回 6 仿真及結(jié)果分析6.1 仿真軟件介紹 MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。6.2 仿真及結(jié)果分析6.2.1 仿真結(jié)果 IGBT1/IGBT

20、4觸發(fā)脈沖波形圖11 IGBT2/IGBT3觸發(fā)脈沖圖12 DC/AC逆變波形圖13 當(dāng)f=30Hz時(shí)，波形如圖14、圖15所示。圖14圖15 當(dāng)f=40Hz時(shí)，波形如圖16.圖17所示。圖16圖17 當(dāng)f=50Hz時(shí)，波形如圖18.圖19所示。圖18圖19 當(dāng)f=60Hz時(shí)，波形如圖20.圖21所示。圖20圖216.2.2 結(jié)果分析 從上圖中可以很清晰地看出產(chǎn)生的波形頻率為10HZ，可以通過(guò)改變信號(hào)波的頻率來(lái)改變IGBT的觸發(fā)脈沖，從而改變逆變交流電源的頻率，實(shí)現(xiàn)變頻逆變。IGBT單相電壓型全橋無(wú)源逆變電路共有4個(gè)橋臂，可以看成兩個(gè)半橋電路組合而成，采用移相調(diào)壓方式后，輸出交流電壓有效值即可通過(guò)改變直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)改變來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度來(lái)改變其有效值。由于MATLAB軟件中電源等器件均為理想器件，故可將電容直接去掉。又由于在純電阻負(fù)載中，VD1VD4不再導(dǎo)通，不起續(xù)流作用，古可將起續(xù)流作用的4個(gè)二極管也去掉，對(duì)結(jié)果沒(méi)有影響。相比于半橋逆變電路而言，全橋逆變電路克服了半橋逆變電路輸出交流電壓幅值僅為1/2Ud的缺點(diǎn)，且不需要有兩個(gè)電容串聯(lián)，就不需要控制電容電壓