實(shí)驗(yàn)1213 橋式可逆斬波電路設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書橋式可逆斬波電路的設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)任務(wù)1.方案設(shè)計(jì)2.完成主電路的原理分析,各主要元器件的選擇3.驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)4.繪制系統(tǒng)硬件圖5.利用matlab仿真軟件建模并仿真，獲取輸出電壓電流波形，并對結(jié)果進(jìn)行分析 2 初始條件 設(shè)計(jì)一橋式可逆斬波電路（IGBT），已知電源電壓為400V，反電動勢負(fù)載，其中R的值為5、L 的值為1 mH、E=50V。3 設(shè)計(jì)思路首先明確什么是斬波電路，了解其定義、分類與應(yīng)用后知橋式可逆斬波電路是利用不同的基本斬波電路進(jìn)行組合而構(gòu)成的復(fù)合斬波電路，那么，就必須從最基本的斬波電路著手，循序漸進(jìn)地分析，最后設(shè)計(jì)出橋式可逆斬波電路,并利用m

2、atlab軟件得到正確的波形。4 設(shè)計(jì)過程直流-直流變流電路（DC-DC Converter）的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，包括直接直流變流電路和間接直流變流電路。直接直流變流電路也稱斬波電路（DC Chopper），它的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，一般是指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，這種情況下輸入與輸出不隔離。直流斬波電路的種類較多，最基本的電路是降壓斬波電路和升壓斬波電路，利用它們進(jìn)行組合可構(gòu)成復(fù)合斬波電路，如電流可逆斬波電路，橋式可逆斬波電路，而橋式可逆斬波電路又可看做是電流可逆斬波電路的升級版或由兩個電流可逆斬波電路組合而成。4.1 降壓斬波

3、電路斬波電路的典型用途之一是拖動直流電動機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載，兩種情況下負(fù)載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中EM所示。降壓斬波電路的原理圖及工作波形如圖1所示。 圖1降壓斬波電路的原理圖及工作波形a)電路圖 b)電流連續(xù)時的波形 c)電流斷續(xù)時的波形工作原理 ：t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升；t=t1時刻控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小通常使串接的電感L值較大。數(shù)量關(guān)系：電流連續(xù)時，負(fù)載電壓平均值是tonV通的時間， toffV斷的時間，a-導(dǎo)通占空比 Uo最大為E ，

4、減小占空比a，Uo隨之減小，因此稱為降壓斬波電路。 負(fù)載電流平均值是電流斷續(xù)時，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。 4.2 升壓斬波電路升壓斬波電路的原理圖及工作波形如圖2所示。圖2 升壓斬波電路原理及其工作波形a)電路圖 b)波形工作原理：假設(shè)L值很大，C值也很大。V導(dǎo)通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓uo可以看做為恒值，記為Uo。設(shè)V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為 。V斷時，E是L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時間為toff，則此期間電感L釋放能量為 。穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等。即有:化簡得：輸出電壓高于電源電壓，

5、故稱該電路為升壓斬波電路,也稱之為boost變換器。 升壓比，調(diào)節(jié)其大小即可改變Uo大小。將升壓比的倒數(shù)記作，則和導(dǎo)通占空比a有如下關(guān)系：因此升壓斬波電路的典型應(yīng)用：一是用于直流電動機(jī)傳動，二是用作單相功率因數(shù)校正（PFC）電路，三是用于其他交直流電源中。用于直流電動機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形如圖3所示。圖3 用于直流電動機(jī)回饋能量的升壓斬波電路及其波形a) 電路圖 b)電流連續(xù)時 c)電流斷續(xù)時用于直流電動機(jī)傳動時，通常是用于直流電動機(jī)再生制動時把電能回饋給直流電源。實(shí)際電路中電感L值不可能為無窮大，因此該電路和降壓斬波電路一樣，也有電動機(jī)電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。此時電機(jī)的反電

6、動勢相當(dāng)于 圖2電路中的電源，而此時的直流電源相當(dāng)于圖2中電路中的負(fù)載。由于直流電源的電壓基本是恒定的，因此不必并聯(lián)電容。4.3 電流可逆斬波電路斬波電路用于拖動直流電動機(jī)時，常要使電動機(jī)既可電動運(yùn)行，又可再生制動。降壓斬波電路拖動直流電動機(jī)時，如圖1所示，電動機(jī)工作于第1象限。圖3所示升壓斬波電路中，電動機(jī)工作于第2象限。電流可逆斬波電路：降壓斬波電路與升壓斬波電路組合，拖動直流電動機(jī)時，電動機(jī)的電樞電流可正可負(fù)，但電壓只能是一種極性，故其可工作于第1象限和第2象限。其電路及其波形如圖4所示。圖4 電流可逆斬波電路及其波形a) 電路圖 b)波形工作原理：V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路，由電源向

7、直流電動機(jī)供電，電動機(jī)為電動運(yùn)行，工作于第1象限；V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路，把直流電動機(jī)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊答伒诫娫?，使電動機(jī)作再生制動運(yùn)行，工作于第2象限。要引起注意的是必須防止V1和V2同時導(dǎo)通而導(dǎo)致的電源短路。只作降壓斬波器運(yùn)行時，V2和VD2總處于斷態(tài)，只作升壓斬波器運(yùn)行時，則V1和VD1總處于斷態(tài)。第3種工作方式：一個周期內(nèi)交替地作為降壓斬波電路和升壓斬波電路工作。當(dāng)降壓斬波電路或升壓斬波電路的電流斷續(xù)而為零時，使另一個斬波電路工作，讓電流反方向流過，這樣電動機(jī)電樞回路總有電流流過。以 圖4為例說明。在一個周期內(nèi)，電樞電流沿正、負(fù)兩個方向流通，電流不斷，所以響應(yīng)很快。局限性：電流可

8、逆斬波電路：電樞電流可逆，兩象限運(yùn)行，但電壓極性是單向的。由此思路設(shè)計(jì)出橋式可逆斬波電路。4.4 橋式可逆斬波電路當(dāng)需要電動機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)以及可電動又可制動的場合，須將兩個電流可逆斬波電路組合起來，分別向電動機(jī)提供正向和反向電壓，成為橋式可逆斬波電路，如圖5所示。圖5 橋式可逆斬波電路工作原理：當(dāng)使V4保持通態(tài)時，該斬波電路就等效為圖4所示的電流可逆斬波電路，向電動機(jī)提供正電壓，可使電動機(jī)工作于第1、2象限，即正轉(zhuǎn)電動和正轉(zhuǎn)再生制動狀態(tài)。此時，需防止V3導(dǎo)通造成電源短路。當(dāng)使V2保持為通態(tài)時，V3、VD3、V4、VD4等效為又一組電流可逆斬波電路，向電動機(jī)提供負(fù)電壓，可使電動機(jī)工作于第3、4象

9、限。其中V3和VD3構(gòu)成降壓斬波電路，向電動機(jī)供電使其工作于第3象限即反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，而V4和VD4構(gòu)成升壓斬波電路，可使電動機(jī)工作于第4象限即反轉(zhuǎn)再生制動狀態(tài)。工作方式：雙極性工作方式，單極性工作方式，受限單極性工作方式。4.4.1 雙極性工作方式V1與V4同時通斷， V2與V3同時通斷；V1與V2通斷互補(bǔ)， V3與V4通斷互補(bǔ)。輸出電壓波形中電壓有正有負(fù)，故稱雙極性，如圖6所示。圖6 橋式可逆斬波電路雙極性工作方式波形a) 輸出電壓 b)電流連續(xù)時 c)電流斷續(xù)時4.4.2 單極性工作方式V1與V2不斷調(diào)制， V3與V4全通或全斷；V1與V2通斷互補(bǔ)， V3與V4通斷互補(bǔ)。輸出電壓波形中電壓

10、只有正或只有負(fù)，故稱單極性，如圖7所示。圖7 橋式可逆斬波電路單極性工作方式波形a) 輸出電壓 b)電流連續(xù)時 c)電流斷續(xù)時4.4.3 受限單極性工作方式V1不斷調(diào)制，V4全通，V3與V2全斷或V2不斷調(diào)制，V3全通，V1與V4全斷。輸出電壓波形中電壓只有正或只有負(fù)，且輕載時電流也斷續(xù)，故稱受限單極性，如圖8所示。圖8 橋式可逆斬波電路受限單極性工作方式波形a) 輸出電壓 b)電流連續(xù)時 c)電流斷續(xù)時5 仿真結(jié)果用matlab仿真橋式可逆斬波電路，首先得設(shè)計(jì)出用于觸發(fā)四個IGBT的脈沖發(fā)生器，在此只仿真橋式可逆斬波電路工作于雙極性工作方式的情形，即V1與V4同時通斷，V2與V3同時通斷；V

11、1與V2通斷互補(bǔ)，V3與V4通斷互補(bǔ)。脈沖發(fā)生器如圖9所示。圖9 脈沖發(fā)生器對控制四個IGBT通斷的兩個脈沖發(fā)生器的設(shè)置如下：對控制V1、V4的脈沖發(fā)生器設(shè)置如圖10，對控制V2、V3的脈沖發(fā)生器的設(shè)置如圖11所示。設(shè)置后需保證橋式可逆斬波電路工作在雙極性狀態(tài)，則兩組脈沖發(fā)生器的相位應(yīng)相差90度，即半個周期。圖10 對控制V1、V4的脈沖發(fā)生器的設(shè)置圖11 對控制V2、V3的脈沖發(fā)生器的設(shè)置設(shè)計(jì)最終的主電路圖如圖12所示。圖12 主電路圖仿真后得到的波形圖如圖13所示，上圖為電壓波形，下圖為電流波形。圖13 波形圖設(shè)計(jì)總結(jié)相對于降壓斬波電路和升壓斬波電路的設(shè)計(jì)，橋式可逆斬波電路的設(shè)計(jì)更具難度與挑戰(zhàn)性，可以說是前兩者的有機(jī)復(fù)合。橋式可逆斬波電路在電力電子技術(shù)、電力拖動和電力系統(tǒng)及其他領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。對于具有摩擦負(fù)載的直流調(diào)速系統(tǒng)需要能在四象限內(nèi)運(yùn)行的直流變換電路，從而發(fā)展出了橋式可逆斬波電路。調(diào)試橋式可逆斬波電路的相關(guān)參數(shù)并對負(fù)載的工作情況進(jìn)行對比分析與研究，對工程實(shí)踐具有較強(qiáng)的預(yù)測和指導(dǎo)作用。本文循序漸進(jìn)地分析基本斬波電路，最后設(shè)計(jì)出了橋式可逆斬波電路。在設(shè)計(jì)的過程中，反復(fù)地翻閱課本及相關(guān)資料，加深了我對直流斬波電路的理解，在仿真過程中，更加熟練了對matlab的操作，收獲頗豐！參考文獻(xiàn)1 王兆安