單相交直交變頻電路的性能研究

1、單相交直交變頻電路的性能研究一、交直交變頻器發(fā)展概況變頻器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢(shì)是：驅(qū)動(dòng)的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。交一直一交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲(chǔ)能元件，無(wú)功功率將由大電感來(lái)緩沖，它的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)（發(fā)電）狀態(tài)時(shí)，只需改變網(wǎng)側(cè)可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到直流側(cè)的再生電能方便地回饋到交流電網(wǎng)，構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行能力，可用于頻繁加減速等對(duì)動(dòng)態(tài)性能有要求的單機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，

2、在大容量風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中也有應(yīng)用。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。深入了解交流傳動(dòng)與控制技術(shù)的走向，具有十分積極的意義。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笫煜蜗嘟恢苯蛔冾l電路的組成，重點(diǎn)熟悉其中的單相

3、橋式PW陋變電路中元器件的作用、工作原理，對(duì)單相交直交變頻電路在電阻負(fù)載、阻感負(fù)載時(shí)的工作情況及其波形作全面，并研究工作頻率對(duì)電路工作波形的影響。三、實(shí)驗(yàn)原理及波形如下圖所示，總體設(shè)計(jì)方案由整流電路、濾波、逆變電路等組成。市電經(jīng)整流電路變直流電，直流電經(jīng)濾波電路進(jìn)行平滑濾波，再輸入逆變電路，變?yōu)轭l率和電壓均可調(diào)的交流電。單相交直交變頻電路由兩部分組成，交流電源轉(zhuǎn)化為直流是整流環(huán)節(jié)，選用了不可控的整流二極管電路，直流電源側(cè)則選用電容和電感來(lái)濾波，能夠獲得比較平直的直流電壓。這個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，性能也符合設(shè)計(jì)的需求。直流轉(zhuǎn)化為交流即是逆變部分，選用了單相橋式逆變電路，PW雄制，輸出電壓

4、的大小及頻率均可通過(guò)PWM6制進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于中間直流環(huán)節(jié)為電容濾波，因此選用電壓型逆變電路。r流波器1、主電路如圖所示的單相橋式逆變電路，交直流變換電路為不可控整流電路，輸入的交流電通過(guò)變壓器和橋式整流電路轉(zhuǎn)化為直流電，濾波電路用電感和電容濾波，逆變部分采用四只IGBT管組成單項(xiàng)橋式逆變電路，采用雙極性調(diào)制方式，輸出經(jīng)LC低通濾波器濾波，濾除高次諧波，得到頻率可調(diào)的交流電輸出。主電路中間直流電壓ud由交流電整流而得，而逆變部分別采用單相橋式PWM變電路。逆變電路中功率器件采用IGBT管，控制電路以單片集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038為核心組成，生成兩路PWM1號(hào)，分別用于控制VT1、VT4和VT2

5、、VT3兩隊(duì)IGBT。ICL8038僅需很小的外部元件就可以正常工作，用于發(fā)生正弦波、三角波、方波等，頻率圍0.001到500kHz。*_j12S2S+單相交直交變頻電路原理圖交直交變頻電路由兩部分組成，交流變直流（uiUd）為整流部分，采用不可控的二極管整流電路，直流側(cè)用電容和電感進(jìn)行濾波，可得到平直的中間直流電壓。此部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，其性能滿足實(shí)驗(yàn)的需要。直流變交流（Uduo）為逆變部分，采用單相橋式逆變電路,PWM控制，輸出電壓的大小及頻率均可通過(guò)PW配制進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于中間直流環(huán)節(jié)為電容濾波，因此圖中的逆變電路為電壓型。2,控制電路設(shè)計(jì)控制電路的工作流程是：信號(hào)發(fā)生（包括產(chǎn)生信號(hào)波

6、和載波）、信號(hào)調(diào)制、產(chǎn)生IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在本實(shí)驗(yàn)中，控制電路采用兩片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ICL8038為核心，其中一片產(chǎn)生正弦調(diào)制波Ur,另一片用以產(chǎn)生三角載波Uc,將此兩路信號(hào)經(jīng)比較電路LM311異步調(diào)制后，產(chǎn)生一系列等幅，不等寬的矩形波Um即SPW俄。Um經(jīng)反相器后，生成兩路相位相差180度的士PW眼，再經(jīng)觸發(fā)器CD4528延時(shí)后，得到兩路相位相差180度并帶一定死區(qū)圍的兩路SPWM和SPWM被，作為主電路中兩對(duì)開(kāi)關(guān)管IGBT的控制信號(hào)?？刂齐娐愤€設(shè)置了過(guò)流保護(hù)接口端STOP當(dāng)有過(guò)流信號(hào)時(shí)，STO中低電平，經(jīng)與門輸出低電平，封鎖了兩路SPWM信號(hào)，使IGBT關(guān)斷，起到保護(hù)作用。LW1B&

7、#171;.47|iF變換器3.整流電路整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。整流電路一般都是單獨(dú)的一塊整流模塊。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成，濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分，變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。 變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交ICL8038部原理框圖單極性PW觸制方式波形雙極性PW懈制方法波控制電路PWM控制技術(shù)即脈沖寬度調(diào)制技術(shù) ，是通過(guò)對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制 ，來(lái)等效的獲得需要的波形。PWM控制在逆變電路中白應(yīng)用最為廣泛 ,目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了PWM

8、控制技術(shù)。PWM6制技術(shù)對(duì)逆變電路的影響十分深刻。ICL8038是精密波形發(fā)生器，它產(chǎn)生的波形的頻率可以從0.1001Hz到300Hz。其部結(jié)構(gòu)如圖所示。I | - r .'II西丁HffjatiriF：LM1I9可舊強(qiáng)審 二 。J.IJUIqad4 日1.0h.Q流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。此部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，其性能滿足實(shí)驗(yàn)的需要，故采用橋式整流電路。其作用是將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能。在變壓器二次側(cè)電壓的正半周，其極性為上正下負(fù)，此時(shí)二極管D1、D4正向?qū)ǎ珼2、D3反偏截止，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管D1流向RL,再由二極管D4流回變壓

9、器。于是在負(fù)載電阻RL上得到一個(gè)極性為上正下負(fù)的半波電壓。在導(dǎo)通時(shí)二極管的正向壓降很小，可以忽略不計(jì)，因此，可認(rèn)為這半波電壓和的變壓器二次側(cè)電壓正半波是相同的。在變壓器二次側(cè)電壓的負(fù)半周，其極性為上負(fù)下正，此時(shí)二極管D2、D3正向?qū)ǎ珼1、D4反偏截止，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管D2流向RL,再由二極管D3流回變壓器。同理，在負(fù)載上得到一個(gè)半波電壓，極性依舊是上正下負(fù)，與前面得到的相同，整流電路4 .濾波電路濾波電路的原理及作用：濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C,或與負(fù)載串聯(lián)電感器L,以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)

10、式濾波電路。在交流電源轉(zhuǎn)換直流電源后，電路會(huì)有電壓波動(dòng)，為抑制電壓的波動(dòng)，采用簡(jiǎn)單的電容濾波。當(dāng)流過(guò)電感的電流變化時(shí)，電感線圈中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)將阻止電流的變化。當(dāng)通過(guò)電感線圈的電流增大時(shí)，電感線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相反，阻止電流的增加，同時(shí)將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)能存儲(chǔ)于電感之中；當(dāng)通過(guò)電感線圈的電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相同，阻止電流的減小，同時(shí)釋放出存儲(chǔ)的能量，以補(bǔ)償電流的減小。因此經(jīng)電感濾波后，不但負(fù)載電流及電壓的脈動(dòng)減小，波形變得平滑，而且整流二極管的導(dǎo)通角增大，在電感線圈不變的情況下，負(fù)載電阻愈小，輸出電壓的交流分量愈小。只有在RL>>coL時(shí)才能獲得較好的

11、濾波效果。L愈大，濾波效果愈好。另外，由于濾波電感電動(dòng)勢(shì)的作用，可以使二極管的導(dǎo)通角接近兀，減小了二極管的沖擊電流，平滑了流過(guò)二極管的電流，從而延長(zhǎng)了整流二極管的壽命。5 .逆變電路逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓裝換為所要頻率的交流電壓，逆變電路是與整流電路相對(duì)應(yīng)，將低電壓變?yōu)楦唠妷?，把直流電變成交流電的電路。逆變電路是通用變頻器核心部件之一，起著非常重要的作用。它的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源，將直流電能變換為交流電能的變換電路。單相全橋式逆變電路單相全橋式逆變電路工作波形6 .驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路作為控制電路和主電路

12、的中間環(huán)節(jié)。主要任務(wù)是將控制電路產(chǎn)生的控制器件通斷的信號(hào)轉(zhuǎn)化為器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。TLP3Z1-1驅(qū)動(dòng)電路它可以完成以下功能：(1)電氣隔離全橋電路的4個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并不都是共地的，為此需要將控制信號(hào)進(jìn)行隔離。另外，控制電路的電壓等級(jí)低，而主電路電壓等級(jí)高，為了避免干擾，也必須進(jìn)行電氣隔離。(2)波形整形將控制電路產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制通斷所需要的合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。(3)保護(hù)具有退飽和保護(hù)功能防止過(guò)流、短路的損壞器件。7.電路組成采用SPWME弦波脈寬調(diào)制，通過(guò)改變調(diào)制頻率，實(shí)現(xiàn)交直交變頻的目的。設(shè)計(jì)電路由三部分組成：即主電路，驅(qū)動(dòng)電路和控制電路。交直流變換部分（AC/DC為不可控整流電路；逆變部分

13、（DC/A。由四只IGBT管組成單相橋式逆變電路，采用雙極性調(diào)制方式。輸出經(jīng)LC低通濾波器，濾除高次諧波，得到高頻率的正弦波（基波）交流輸出。四、仿真實(shí)驗(yàn)1 .單相全橋逆變電路的仿真將輸入電壓Ud設(shè)為300V。幅彳1為1,周期為0.2s,頻率為50Hz,占空比為50%其中兩個(gè)滯后0s,其輸出加在IGBT1和IGBT4的門極，另外兩個(gè)滯后設(shè)為0.1s,其輸出加在IGBT2和IGBT3的門極。負(fù)載電阻和電感分別設(shè)為1和0.01H。周期與驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率同設(shè)為50Hz。將仿真時(shí)間設(shè)為2s,運(yùn)行后可得仿真結(jié)果。在示波器中得到的波形圖所示：其中圖片自上而下依次為輸入電壓Ud,負(fù)載兩端電壓Uo,流過(guò)負(fù)載的電流

14、io。交流電流和直流電流波形有阻感負(fù)載的特性所決定。直流電流為負(fù)的期間，電流通過(guò)反并聯(lián)二極管流向電源，負(fù)載電感的磁場(chǎng)儲(chǔ)能向直流母線饋送；直流電流為負(fù)的期間，電流通過(guò)IGBT流向負(fù)載。若為純電阻負(fù)載，則直流電流無(wú)波動(dòng)。根據(jù)仿真波形圖看，逆變器輸出的交流基波電壓的幅值為220V與上面數(shù)學(xué)分析中的理論值相符?？梢?jiàn)，單相方波逆變電路輸出電壓的基波幅值大于直流電壓，其中電壓利用率較高，但同時(shí)諧波利用率較高，但同時(shí)諧波含量較大，難以滿足多數(shù)負(fù)載的要求。仿真波形2 .單相半橋逆變電路的仿真將輸入電壓Ud設(shè)為360V （圖中每個(gè)電源電源為 180V）,幅值為1。周期為0.2s ,頻率為50Hz,占空比為50%

15、其中一個(gè)滯后0s,其輸出加在開(kāi)關(guān)IGBT的門極，另外一個(gè)滯后設(shè) 為0.1s ,其輸出加在IGBT1的門極。負(fù)載電阻和電感分別設(shè)為1 和0.04H。周期與驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率同設(shè)為50Hz。將仿真時(shí)間設(shè)為 2s,最后仿真在示波器中得到的波形圖如圖所示。從UO " 180V與理論值基本相符。2優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，使用器件少。缺點(diǎn)：交流電壓幅值Ud/2,直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡，用于幾 kW以下的小功率逆變電源。36136000.204060.B1121.416182法入附2漉出t/S200 r(=-j=j-j=j-j=(-=-j=|-=-j=|-p-ii) I : I tl I III nnilLl «( IHBl I 1! BIBB ! IB ! IUB B n !11 ""-200 l=!=!一l=!一!=!一一0020.40.6881121,4 L6 1.8 2a出血壓裝的vs仿真結(jié)果五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形可以看出，當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，隨著輸入電壓頻率的增大，輸出電壓幅值不變，頻率減?。划?dāng)負(fù)載為電阻電感時(shí)，隨著輸入電壓頻率的減小，輸出電壓幅值不變，頻率減小，兩者都