串聯(lián)諧振單相全橋逆變電路的設(shè)計(jì)

1、摘要本次課程設(shè)計(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)一個(gè)輸出電壓可調(diào)的串聯(lián)諧振單向全橋逆 變電路，然后可以用于對(duì)工件的感應(yīng)加熱、感應(yīng)加熱電源等方面。本次設(shè)計(jì)的單相全橋逆變電路由四只晶閘管構(gòu)成， 將直流電壓 Ud 逆變?yōu)橹?頻方波電壓， 并將它加到負(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， 對(duì)工件進(jìn)行感應(yīng)加熱， 通過電感的電流接近正弦波形。 而晶閘管的 導(dǎo)通，則由TCA785組成的觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖來觸發(fā)其導(dǎo)通。通過移相方 式來調(diào)節(jié)主電路輸出電壓脈沖的寬度。 由于晶閘管逆變裝置在逆變過程中會(huì)產(chǎn)生 過電壓、過電流，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

2、輸入、 輸出參數(shù)來確定各個(gè)電力電子 器件的參數(shù)，并進(jìn)行器件的選擇，以使設(shè)計(jì)的主電路能夠達(dá)到要求的技術(shù)指標(biāo)， 并完成相應(yīng)的功能。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗嗳珮蚰孀冸娐?、晶閘管、觸發(fā)電路、保護(hù)電路、電壓累加目錄1 弓丨言 11.1 問題的提出 11.2技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求 1技術(shù)指標(biāo) :.1122設(shè)計(jì)要求 .2 串聯(lián)諧振單相全橋逆變電路的 設(shè)計(jì). 12. 1 主電路及其工作原理. .12. 2串聯(lián)諧振逆變電路的電壓累加.33 主電路電力電子器件參數(shù)的計(jì)算63. 1 主 電 路 電 阻 、 電 容 、 電 感 的 取 值 63. 2 晶閘管額定值的 計(jì)算. 74 觸發(fā)電 路 的 設(shè) 計(jì) .85保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 10

3、5.1 過電壓保護(hù) :.0 5.1過電流保護(hù) :.0 6 總結(jié). . .1 17 心得體會(huì).1 1參考文獻(xiàn).121 引言1.1 問題的提出隨著工廠對(duì)工件加熱設(shè)備的溫度控制精度不斷提高， 普通的加熱設(shè)備已經(jīng)不 能滿足要求。 因此，就需要對(duì)設(shè)備的加熱原理進(jìn)行改進(jìn)。 本次設(shè)計(jì)的串聯(lián)諧振單 相全橋逆變電路的負(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， 對(duì)工 件進(jìn)行感應(yīng)加熱， 其功能與一般的單相全橋逆變電路有所不同， 而且它的觸發(fā)電 路與其他電路的觸發(fā)電路相比起來， 有更優(yōu)良的性能， 達(dá)到對(duì)晶閘管通斷的更好 控制。1.2 技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求1.2.1 技術(shù)指標(biāo)（1） 輸入?yún)?shù)：三相交流電壓 uA、

4、 uB、 uC（ 2） 輸出參數(shù)：交流電壓 uo1.2.2 設(shè)計(jì)要求串聯(lián)諧振單相全橋逆變電路的設(shè)計(jì) 晶閘管額定電壓、電流表達(dá)式的推導(dǎo) 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)繪制主電路、觸發(fā)電路和保護(hù)電路的電路圖2 串聯(lián)諧振單相全橋逆變電路的設(shè)計(jì)2.1 主電路及其工作原理串聯(lián)補(bǔ)償逆變電路的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。它由三相晶閘管全控整流橋、平波電感 Ld 、濾波電容 Cd 、單相全控橋式逆 變電路、續(xù)流二極管、串聯(lián)諧振逆變器負(fù)載構(gòu)成。三相晶閘管全控整流橋?qū)⒄业墓ゎl交流電整流成脈動(dòng)的直流電Ud ,可通過調(diào)節(jié)直流電壓Ud來調(diào)節(jié)負(fù)載電流。平波電感Ld在此起切斷直流通路的作用由于要求恒壓源供電，所以需要一個(gè)很大的濾

5、波電容 Cd ,當(dāng)Cd足夠大時(shí)，可 以認(rèn)為輸入電壓是恒壓Ud。在電路還沒開始工作前，電容Cd就通過電網(wǎng)儲(chǔ)能，以 便于啟動(dòng)逆變電路。由四只晶閘管構(gòu)成的單相全控橋式逆變電路將直流電壓 Ud逆變?yōu)橹蓄l方波 電壓，并將它加到負(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,對(duì)工件進(jìn)行感應(yīng)加熱。通過電感的電流接近正弦波形。與并聯(lián)補(bǔ)償逆變電路的強(qiáng)迫換流工作方式不同，串聯(lián)補(bǔ)償逆變電路是通過自 然換流來實(shí)現(xiàn)工作晶閘管之間轉(zhuǎn)換的，其工作原理如下：第一階段：首先觸發(fā)晶閘管 SCR1 SCR4電流通過正端流入，經(jīng)過SCR1串 聯(lián)振蕩負(fù)載、SCR4再由負(fù)端流出，此時(shí)補(bǔ)償電容C充上了左正右負(fù)的電壓。第二階段

6、：由于電流波形為正弦波，當(dāng)電流變?yōu)樨?fù)的時(shí)候，電流就通過與SCR1 SCR4同橋臂的續(xù)流二極管D1、D4續(xù)流，同時(shí)給SCR1 SCR4加上了反壓， 使SCR1 SCR4關(guān)斷。第三階段：經(jīng)過一段時(shí)間,當(dāng)SCR 1 SCR4完全關(guān)斷后,我們同時(shí)觸發(fā)晶閘管 SCR2和SCR3此時(shí)由于晶閘管SCR2 SCR3兩端均加有正壓,因此馬上就能導(dǎo)通。 電容C通過續(xù)流二極管D1、晶閘管SCR2回路和續(xù)流二極管D4晶閘管SCR3回 路放電。當(dāng)電容C放電完成后,續(xù)流二極管D1、D4中不再通過電流，整個(gè)回路電 流走向?yàn)椋赫肆魅?經(jīng)過SCR2串聯(lián)振蕩負(fù)載、SCR3負(fù)端流出。電容C開始反 充電,充上左負(fù)右正的電壓。第四階

7、段：當(dāng)電流再一次變?yōu)樨?fù)時(shí),電流將通過續(xù)流二極管 D2 D3續(xù)流,同 時(shí)給SCR2 SCR3加上反壓,使晶閘管SCR2 SCR3關(guān)斷。第五階段：當(dāng)SCR2 SCR3關(guān)斷后,我們觸發(fā)SCR 1 SCR4電容C通過D2SCR1回路和D3 SCR43路放電。當(dāng)電容C放電完成后，續(xù)流二極管D2 D3中不 再通過電流,整個(gè)回路電流走向?yàn)椋赫肆魅?經(jīng)過SCR1串聯(lián)振蕩負(fù)載、SCR4, 負(fù)端流出。電容C開始充電，充上左正右負(fù)的電壓。以后開始重復(fù)以上過程。由上述分析可知，不管有沒有觸發(fā)脈沖，工作的兩只晶閘管都會(huì)自動(dòng)關(guān)斷，而 另外兩只晶閘管在前兩只晶閘管關(guān)斷后才被觸發(fā)導(dǎo)通，因此串聯(lián)補(bǔ)償逆變電路為自然換流過程。2

8、.2串聯(lián)諧振逆變電路的電壓累加要討論串聯(lián)補(bǔ)償逆變電路的電壓累加，先得從它的等效電路分析著手：圖2 串聯(lián)補(bǔ)償逆變電路等效電路圖2串聯(lián)補(bǔ)償逆變電路的等效電路圖為分析其工作過程，我們首先對(duì)簡(jiǎn)單串聯(lián)逆變電路進(jìn)行計(jì)算分析，如圖2所示，其中R為爐體的等效電阻，C為補(bǔ)償電容，L為爐體電感。i(t)為輸入電 流。輸入電壓Ud。由電路方程有：(1)Ud Ur UC Ul帶入各電壓表達(dá)式，有:1Ud i(t)R C i(t)dtLdi(t) dt(2)對(duì)（2）式做拉普拉斯變換，可得:UdL s I (s) R I(s)1csI(s)(3)化簡(jiǎn)可得:I(s)Ud1RsL(4)其特征方程為:LCR24當(dāng)嚴(yán)0時(shí)方程式（

9、5）能滿足工作需要。因此，必須滿足:R24L2L得:2LLC(5)的解為衰減解，RLC回路不能形成振蕩,不4R22LC L2代入（4）式有:I(s)嚴(yán)(6)對(duì)（6）式進(jìn)行拉普拉斯逆變換,代入初始條件：Uc（0） O,io（O） 0 ,可i(t)sin(t)UC CUde t sin( t)dt(8)t1時(shí)刻，C上的電壓:Ucl Ud 1 e t1 cos（ ti） sin（ ti）（9）在這里，我們假設(shè)在電流過零的時(shí)刻就進(jìn)行工作晶閘管的轉(zhuǎn)換，即假設(shè)此時(shí)負(fù)載電路不經(jīng)過反并聯(lián)二極管續(xù)流，工作的晶閘管就能立刻關(guān)斷，并且在關(guān)斷同 時(shí)觸發(fā)另外兩只晶閘管。則充電時(shí)間ti ，代入（9）式可得，第一輪充電結(jié)束

10、后，電容C的電壓為:(10)Uci Ud第二輪充電，其初值條件變化為：i1（0）0，Ug（0） Ud 1 e（ 11）同理，列出方程：L 響 i2（t）R 1 i2（t）dt Ud Ud（dtC由此可得,當(dāng)?shù)诙喅潆娊Y(jié)束后，電容 C的電壓為：1 一 一Uc - i2（t）dt Uc Uq e 5 1 e（ 13）c同理，我們可得到第n輪充電后（即第n個(gè)半波后）諧振電容C上的電壓為:U Cn U Cn 1 e U d 1 e（ 14）當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，將有：(15)Uc Uc 1 UcUc此時(shí)穩(wěn)態(tài)電容c上的電壓為：(16)電感上L上的電壓為:(17)Ul Uc Ud由以上分析可以看出，串聯(lián)補(bǔ)償逆

11、變電路有電壓累加，諧振電容上的電壓每 半波都有一個(gè)疊加過程，直到逆變回路工作于穩(wěn)態(tài)。電容 C和電感L上的電壓會(huì) 逐漸升高，最后的穩(wěn)態(tài)電壓會(huì)是電源電壓的35倍。（上邊計(jì)算中，我們把負(fù)載等 效電路等效為等效電阻 R與感應(yīng)線圈L串聯(lián)，只是為了證明諧振電容上的電壓積 累過程，如果將電阻等效為與電感并聯(lián)，計(jì)算過程比較麻煩，不容易得出方程的 解。為此,我們假設(shè)等效電阻與電感串聯(lián)，來簡(jiǎn)化計(jì)算過程。）這是串聯(lián)補(bǔ)償逆變 電路的第一個(gè)特性：電壓累加。由串聯(lián)補(bǔ)償逆變電路的工作原理可知 ，串聯(lián)補(bǔ)償逆變電路的第二個(gè)特點(diǎn)為: 自然換流。每一次電流反向以后，通過續(xù)流二極管的續(xù)流過程給工作的晶閘管加 上反壓,使其關(guān)斷。任何時(shí)

12、候最多只有兩只晶閘管處于導(dǎo)通工作狀態(tài)。因?yàn)槭亲匀粨Q流過程，所以串聯(lián)補(bǔ)償逆變電路不存在臨界阻尼影響起振的現(xiàn) 象，這是串聯(lián)補(bǔ)償逆變電路的一個(gè)優(yōu)勢(shì)3主電路電力電子器件參數(shù)的計(jì)算3.1主電路電阻、電容、電感的取值根據(jù)主電路中發(fā)生串聯(lián)諧振的條件，可得:Z(j )ReZ(j)ImZ(j)當(dāng)感抗等于容抗，即:主電路發(fā)生串聯(lián)諧振。3.2晶閘管額定值的計(jì)算把幅值為Ud矩形波Uo展開成傅里葉級(jí)數(shù)得:4Ud11Uosin t sin 3 t sin 535其中基波的幅值Uoim和基波有效值U01分別為:U01m 如 1.27Ud匾 0.9Ud0,后半個(gè)晶閘管兩端電壓UVT在一個(gè)周期的波形圖為：前半個(gè)周期電壓為周期電

13、壓為Ud，因此，晶閘管兩端承受的電壓有效值為:UVT2Udd( t)Ud晶閘管承受的最大電壓為：Ud因此，計(jì)算可得晶閘管的額定電壓為:Utn 23Ud由（7）式可得，晶閘管電流有效值:式中，Z晶閘管的額定電流為:IT AV1.5 21VT max1.574 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖， 保證晶閘管在需要 的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。 晶閘管觸發(fā)電路往往包括： 對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相 位控制電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出電路。在本文晶閘管變流裝置中， 要使主電路正常工作， 必須要有觸發(fā)電路與之正 確可靠的配合才能實(shí)現(xiàn)。因此就要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的觸發(fā)電路。本次設(shè)計(jì)的主電路采

14、用的控制方式為移相調(diào)壓， 即通過移相的方式來調(diào)節(jié)輸 出電壓脈沖的寬度， 實(shí)現(xiàn)主電路的調(diào)壓功能。 該主電路對(duì)觸發(fā)電路的要求有以下 幾點(diǎn)：1）觸發(fā)脈沖必須有足夠的功率， 保證在允許的工作溫度圍， 對(duì)所有合格的 元件都可靠觸發(fā)。2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的寬度。3）觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能夠根據(jù)控制信號(hào)的要求在規(guī)定的圍移動(dòng)。4）觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步。5）觸發(fā)電路與主電路之間有必要的電氣隔離。由主電路的設(shè)計(jì)可知， 觸發(fā)電路輸出的觸發(fā)信號(hào)是用來控制各個(gè)晶閘管的導(dǎo) 通，根據(jù)以上主電路對(duì)觸發(fā)電路的要求，設(shè)計(jì)出如圖（ 3）所示的觸發(fā)電路。這 里采用了 TCA785觸發(fā)電路，該電路部由脈沖形成與放大環(huán)節(jié)、鋸齒波

15、的形成和 脈沖移相環(huán)節(jié)、同步環(huán)節(jié)、脈沖相位控制。它可以有效的控制晶閘管的通斷，即 可有效的控制逆變輸出電壓、電流的大小。5保護(hù)電路的設(shè)計(jì)由于晶閘管變流裝置在運(yùn)行過程中會(huì)不可避免的產(chǎn)生過電流、過電壓。故就需要對(duì)其加相應(yīng)的保護(hù)電路。5.1過電壓保護(hù)主電路的過電壓保護(hù)措施有：阻容保護(hù)、壓敏電阻保護(hù)、浪涌過電壓保護(hù)。阻容保護(hù)又分為交流側(cè)阻容保護(hù)和器件側(cè)阻容保護(hù)。 對(duì)于晶閘管關(guān)斷過程中產(chǎn)生 的尖峰狀的瞬時(shí)過電壓保護(hù)采用的就是器件側(cè)阻容保護(hù)。 加上阻容后，當(dāng)晶閘管 關(guān)斷時(shí)，變壓器電流可通過 RC續(xù)流，減小di/dt，從而抑制了過電壓。各種過電 壓保護(hù)電路如圖（5）所示。壓敏電阻過電壓保護(hù)|浪涌過電壓保護(hù)斗

16、RC過電壓保護(hù) |晶閘管換相過電壓保護(hù)圖5過電壓保護(hù)電路5.2過電流保護(hù)可用作過電流保護(hù)的電器有：快速熔斷器、交流斷路器、直流快速熔斷器。圖（4）給出了這些過電流保護(hù)措施以及它們?cè)陔娐分械奈恢谩Ｈ鐖D4,交流斷路器、快速熔斷器、直流快速熔斷器都是串聯(lián)在主電路中的6 總結(jié)本次設(shè)計(jì)的串聯(lián)諧振單向全橋逆變電路的輸出電壓可調(diào)， 它可以用于對(duì)工件 的感應(yīng)加熱、感應(yīng)加熱電源等方面。該串聯(lián)諧振單向全橋逆變電路最大的特點(diǎn)是： 在原有的單相全橋逆變電路的 基礎(chǔ)上，將直流電壓 Ud 逆變?yōu)橹蓄l方波電壓，并將它加到負(fù)載電路。而負(fù)載電 路則由原來的電阻、 電感組成的電路改為感應(yīng)線圈和補(bǔ)償電容組成的串聯(lián)振蕩電 路，對(duì)工件進(jìn)行感應(yīng)加熱，通過電感的電流接近正弦波形。本次設(shè)計(jì)的另一特點(diǎn)是： 觸發(fā)電路。 與普通單結(jié)晶體管組成的觸發(fā)電路、 晶 體管組成的觸發(fā)電路相比， 本次設(shè)計(jì)采用了 TCA785 構(gòu)成的脈沖觸發(fā)電路， 具有 同步更可靠， 脈沖輸出的整齊度更好， 移相圍更寬， 且它的輸出脈沖寬度可自由 調(diào)節(jié)。7 心得體會(huì)通過本次課程設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)課程電力電子技術(shù)理論知識(shí)的理解，特 別是有關(guān)逆變電路方面的知識(shí)。同時(shí)也培養(yǎng)了以下幾點(diǎn)能力：第一：提高了自己撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告水平， 提高了自己的書面表達(dá)能力。 具 備了文獻(xiàn)檢索的能力，特別是如何利用 Intel 網(wǎng)檢索需要的文獻(xiàn)資料。第二：提高了運(yùn)用所學(xué)的各門知識(shí)解決問