電流源型單相全橋逆變電路

1、電流源型單相全橋逆變電路的設計摘要本次設計說明書首先介紹了電流源型單相全橋逆變電路的特點和原理，用單相橋式電流型逆變電路的原理圖說明了該電路是采用負載換相方式工作的，要求負載電流略超前于負載電壓，又詳細分析該電路的工作過程，并用圖給出該逆變電路的工作波形。最后根據(jù)以上分析運用仿真軟件PSIM對電路進行仿真設計，得到波形圖。關鍵詞：電流源型單相電路，逆變電路，PSIM仿真目錄1.電流源型單相全橋逆變電路研究-31.1逆變電路介紹-31.2電流型逆變電路的主要特點-31.3電流源型單相全橋逆變電路-31.4電流源型單相全橋逆變電路工作過程-42.電流源型單相全橋逆變電路設計-72.1電路設計原理-

2、72.2電路仿真圖-73.參數(shù)設定及仿真結(jié)果-83.1直流側(cè)仿真-83.1.1參數(shù)設定-83.1.2仿真結(jié)果-83.2交流側(cè)仿真-83.2.1參數(shù)設定-83.2.2仿真結(jié)果-94.小結(jié)-95.參考文獻-10正文1. 電流源型單相全橋逆變電路研究1.1逆變電路介紹把直流電變成交流電稱為逆變。逆變器的交流負載中包含有電感、電容等無源元件，它們與外電路間必然有能量的交換，這就是無功。由于逆變器的直流輸入與交流輸出間有無功功率的流動，所以必須在直流輸入端設置儲能元件來緩沖無功的需求。在交直交變頻電路中，直流環(huán)節(jié)的儲能元件往往被當作濾波元件來看待，但它更有向交流負載提供無功功率的重要作用。隨著用電設備不

3、斷發(fā)展，用電設備對交流電源性能參數(shù)也有很多不同的要求,也就形成多種逆變電路。逆變電路可以從不同的角度進行分類。如可以按換流方式分類，按輸出的相數(shù)分類，也可以按直流電源的性質(zhì)分類。若按直流電源的性質(zhì)分類，可分為電壓型和電流型兩大類。本次課程設計的電路就屬于電流型逆變電路。1.2電流型逆變電路的主要特點（1）直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。（2）電路中開關器件的作用僅是改變直流甩流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負載阻抗情況的不同而不同。（3）當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩

4、沖無功能量的作用。因為反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關器件反并聯(lián)二極管。1.3電流源型單相全橋逆變電路電流源型單相全橋逆變電路原理圖如圖1-3所示。電路由4個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器LT。LT用來限制晶閘管開通時di/dt，各橋臂的L之間不存在互感。使橋臂1、4和橋臂2、3以10002500Hz的中頻輪流導通，就可以在負載上得到中頻交流電。該電路是采用負載換相方式工作的，要求負載電流略超前于負載電壓，即負載略呈容性。實際負載一般是電磁感應線圈，用來加熱置于線圈內(nèi)的鋼料。圖1 中R和L串聯(lián)即為感應線圈的等效電路，因為功率因數(shù)很低，故并聯(lián)補償電

5、容器C，電容C和L、R成并聯(lián)諧振電路，故這種逆變電路也被稱為并聯(lián)諧振式逆變電路。負載換流方式要求負載電流超前于電壓，因此補償電容應使負載過補償，使負載電路總體上工作在容性小失諧的情況下。因為是電流型逆變電路，故其交流輸出電流波形接近矩形波，其中包含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。因基波頻率接近負載電路諧振頻率，故負載電路對基波呈現(xiàn)高阻抗，而對諧波呈現(xiàn)低阻抗，諧波在負載電路上產(chǎn)生的壓降很小，因此負載電壓的波形接近正弦波。圖1-3 電流源型單相全橋逆變電路1.4電流源型單相全橋逆變電路工作過程圖1-4為該電路的工作波形。在交流電流的一個周期內(nèi)，有兩個穩(wěn)定導通階段和兩個換流階段。tlt2之間

6、為晶閘管 VTl和 VT4穩(wěn)定導通階段，負載電流 io =Id，近似為恒值，t2時刻之前在電容C上，即負載上建立了左正右負的電壓。在 t2時刻觸發(fā)晶閘管VT2和VT3，因在t2前VT2和 VT3的陽極電壓等于負載電壓，為正值，故VT2和VT3開通，開始進入換流階段。由于每個晶閘管都串有換流電抗器LT，故 VTl 和 VT4 在 t2 時刻不能立刻關斷，其電流有一個減小過程。同樣，VT2 和 VT3 的電流也有一個增大過程。t2 時刻后，

7、4個晶閘管全部導通，負載電容電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電。其中一個回路是經(jīng) LTl、VTl、VT3、LT3回到電容C；另一個回路是經(jīng) LT2、VT2、VT4、LT4回到電容C，如圖1-4中虛線所示。在這個過程中，VTl、VT4電流逐漸減小，VT2、VT3電流逐漸增大。當t=t4時，VTl、VT4電流減至零而關斷，直流側(cè)電流Id全部從VTl、VT4轉(zhuǎn)移到VT2、VT3，換流階段結(jié)束。 稱為換流時間。晶閘管在電流減小到零后，尚需一段時間才能恢復正向阻斷能力。因此，在 t4時刻換流結(jié)束后，還要使VTl，VT4承受一段反壓時間 才能保證其可靠關斷。 應大于晶

8、閘管的關斷時間tq。如果 VT1、VT4尚未恢復阻斷能力就被加上正向電壓，將會重新導通，使逆變失敗。為了保證可靠換流，應在負載電壓uo 過零前  時刻去觸發(fā) VT2、VT3。稱為觸發(fā)引前時間，從圖1-4可得  ， t4t6之間是VT2、VT3的穩(wěn)定導通階段。t6以后又進入從VT2、VT3導通向VT2、VT4導通的換流階段，其過程和前面的分析類似。晶閘管的觸發(fā)脈沖uGluG4，晶閘管承受的電壓 uVTluVT4以及A、B間的電壓 uAB也都示于圖1-4中。在換流過程中,上下橋臂的LT上的電壓極性相反，如果不考慮晶閘管

9、壓降，則uAB=0?？梢钥闯?，uAB的脈動頻率為交流輸出電壓頻率的兩倍。在uAB為負的部分，逆變電路從直流電源吸收的能量為負，即補償電容 C 的能量向直流電源反饋。這實際上反映了負載和直流電源之間無功能量的交換。在直流側(cè)，Ld 起到緩沖這種無功能量的作用。如果忽略換流過程，io可近似看成矩形波。展開成傅里葉級數(shù)可得      其基波電流有效值 Io1 為 再來看負載電壓有效值U。和直流電壓Ud的關系。如果忽略電抗器Ld的損耗，則uAB的平均值應等Ud。再忽略晶閘管壓降，則從圖1-4的uAB波形可得

10、60; 一般情況下  值較小，可近似認為 ，再考慮到式  可得 或 圖1-4 逆變電路工作波形圖在上述討論中，為簡化分析，認為負載參數(shù)不變，逆變電路的工作頻率也是固定的。實際上在中頻加熱和鋼料熔化過程中，感應線圈的參舉是隨時間而變化的，固定的工作頻率無法保證晶閘管的反壓時間大于關斷時間，可能導致逆變失敗。為了保證電路早常工作，必須使工作頻率能適應負載的變化而自動調(diào)整。這種控制方式稱為自勵方式，即逆變電路的觸發(fā)信號取自負載端，其工作頻率受負載諧振頻率的控制而比后者高一個適當?shù)闹?。與自勵式相對應，固定工作頻率的控制方聲稱為他勵方式。自勵方式存在著起動的問題，

11、因為在系統(tǒng)未投入運行時，負載端沒有輸出，無法取出信號。解決這一問題的方法之一是先用他勵方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵方式。另一種方法是附加預充電起動電路，即預先給電容器充電，起動時將電容能量釋放到負載上，形成衰減振蕩，檢測出振蕩信號實現(xiàn)自勵。2. 電流源型單相全橋逆變電路設計2.1電路設計原理逆變時電流源型逆變電路的直流部分需要輸出穩(wěn)定的直流電流，將仿真電路中的電壓源近似等效成電流源。在逆變電路中，由于電壓源串聯(lián)電阻可以等效成電流源，可以相互轉(zhuǎn)換，所以采用電壓源串聯(lián)大電阻來等效成電流源，再接上大電感，直流側(cè)部分就設計完成。交流側(cè)采用單相橋式連接，由晶閘管觸發(fā)導通電路，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個

12、電抗器LT。LT用來限制晶閘管開通時的di/dt,各橋臂LT之間不存在互感。此電抗器用電感等效，選用小電感。負載部分中電阻R2與電感L6串聯(lián)，后與大電容C1并聯(lián)，組成并聯(lián)諧振式電路。電容C1為補償電容，使負載過補償，使負載電路總體工作在容性，并略失諧的情況下。圖2-2 電路仿真圖2.2電路仿真圖3. 參數(shù)設定及仿真結(jié)果3.1直流側(cè)仿真3.1.1參數(shù)設定將電壓源VDC1設定為10伏，電壓源串聯(lián)的大電阻R1為1兆歐，與直流側(cè)相連的大電感L1為573毫亨。3.1.2仿真結(jié)果圖3-1-2直流側(cè)仿真波形圖3.2交流側(cè)仿真3.2.1參數(shù)設定晶閘管中VT1與VT4，VT2與VT3以中頻1000至2500Hz

13、的中頻輪流導通，將導通頻率設定為1500Hz。由逆變電路的工作波形可以看出兩組晶閘管相差180o輪流導通，導通角設定為0o。電抗器LT選擇小電感均為1毫亨。負載電路中需滿足并聯(lián)諧振條件WC=1/WL,由于觸發(fā)脈沖為1500Hz,所以將大電容C1設定為450uF，電感L6為2mH，取電阻R2為100歐姆。圖3-2-2 交流側(cè)仿真波形圖3.2.2仿真結(jié)果從仿真波形可以看出，通過本次逆變電路，在直流側(cè)的直流電通過橋式電路后，轉(zhuǎn)變成了交流電，且電流超前于電壓。4. 小結(jié)通過本次課程設計，對電力電子技術(shù)的知識有了更具體的理解和直觀的認識。通過設計電流源型單相全橋逆變電路，并對其工作原理和輸入輸出情況進行