單相交直交變頻電路設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練附件 1：學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 0121011350327基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練題題 目目單相交直交變頻電路性能研究 學(xué)學(xué) 院院自動(dòng)化學(xué)院專專 業(yè)業(yè)班班 級(jí)級(jí)姓姓 名名指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師2012 年7月10日武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練1 總體原理圖.31.1 方框圖 .41.2 電路原理圖 .41.2.1 主回路電路原理圖.41.2.2 整流電路.41.2.3 濾波電路.51.2.4 逆變電路.62 電路組成.82.1 控制電路 .82.2 驅(qū)動(dòng)電路 .92.3 主電路 .103 仿真結(jié)果.113.1 仿真環(huán)境.113.2 仿真模型使用模塊提取的路徑及其單數(shù)設(shè)置.113.3

2、 具體仿真結(jié)果 .143.3.1 仿真電路圖.143.3.2 整流濾波輸出電壓計(jì)算與仿真.153.3.3 逆變輸出電壓計(jì)算與仿真.164 小結(jié)心得.185 參考文獻(xiàn).19武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練任務(wù)書基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 單相交直交變頻電路性能研究 初始條件：初始條件：輸入為單相交流電源，有效值 220V。要求完成的主要任務(wù)要求完成的主要任務(wù): : （1）掌握單相交直交變頻電路的原理；（2）設(shè)計(jì)出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并采用 matlab 對(duì)單相交流調(diào)壓電路進(jìn)行仿真；（3）采用 protel 設(shè)計(jì)出單相交直交變頻電路主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控

3、制電路時(shí)間安排時(shí)間安排：2012 年 7 月 9 日至 2012 年 7 月 13 日，歷時(shí)一周，具體進(jìn)度安排見(jiàn)下表具體時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容7.9指導(dǎo)老師就課程設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)要求、進(jìn)度安排、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等做具體介紹；學(xué)生確定選題，明確設(shè)計(jì)要求7.10開(kāi)始查閱資料，完成方案的初步設(shè)計(jì)7.11由指導(dǎo)老師審核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，學(xué)生修改、完善7.12撰寫課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書7.13上交課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書，并進(jìn)行答辯參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：1王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)第 5 版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練1 總體原理圖1.1 方框圖整流器濾

4、波器逆變器DCDC交流輸入交流輸出輔助電源PWM 波形 圖 1 總體方框圖1.2 電路原理圖1.2.1 主回路電路原理圖 圖 2 主回路原理圖如圖所示，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。1.2.2 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

5、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。變壓器的作用武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練是實(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。 此外整個(gè)電路需要輔助的正負(fù)5V 的電源，故通過(guò)降壓，整流，濾波，穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的正負(fù)5V 電壓。 電路如下： 圖3 整流濾波電路和輔助電源1.2.3 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

6、 L，以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)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，阻止武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練電流的減小，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

7、壓的交流分量愈小。只有在RLL時(shí)才能獲得較好的濾波效果。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，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。1.2.4 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)楦唠妷海阎绷麟娮兂山涣麟姷碾娐?。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。本方案中的逆變部分,采用單相橋式逆變

8、電路,PWM 控制,輸出電壓的大小及頻率均可通過(guò)PWM 控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。電路如下：武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練 圖4 主電路A 變頻器的工作原理以單相橋式逆變電路為例，S1-S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。用可控開(kāi)通，可控關(guān)斷的電力電子開(kāi)關(guān)，切換電流方向，將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。 圖5 開(kāi)關(guān)示意圖S1、S4閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓u uo o為正S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓u uo o為負(fù)B 脈寬調(diào)制原理脈寬調(diào)制技術(shù)：通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。PWM 控制的方法可分為3三類,即計(jì)算法、調(diào)制法和跟蹤控制法。

9、其中,調(diào)制法是較為常用的也是基本的一類方法,而調(diào)制法中最基本的是利用三角載波與正弦信號(hào)波進(jìn)行比較的調(diào)制方法,分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制。本實(shí)驗(yàn)采用的單相橋式逆變電路既可以采用單極性調(diào)制,也可以采用雙極性調(diào)制。在本實(shí)驗(yàn)裝置中,采用了雙極性PWM 調(diào)制技術(shù)。以下是雙極性PWM 調(diào)制的原理。雙極性PWM 控制原理示意圖如下圖所示。采用雙極性PWM 調(diào)制技術(shù)時(shí),以希望得到的交流正弦輸出波形作為信號(hào)波,采用三角波作為載波,將信號(hào)波與載波進(jìn)行比較,在信號(hào)波與載波的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開(kāi)關(guān)的通斷。在信號(hào)波的一個(gè)周期內(nèi),載波有正有負(fù),調(diào)制出來(lái)的輸出波形也是有正有負(fù),其輸出波形有Ud 兩種武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練電

10、平。用ur 表示信號(hào)波, uc 表示載波。當(dāng)ur uc 時(shí),給V1 、V4 施加開(kāi)通驅(qū)動(dòng)信號(hào),給V2 、V3 施加關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào),此時(shí)如果io 0 則V1 、V4 開(kāi)通,如果io 0則VD1 、VD4 開(kāi)通,但輸出電壓均為uo = Ud 。反之,則V2 、V3 或VD2 、VD3 開(kāi)通, uo = - Ud 。圖中,uof是輸出電壓uo 的基波分量。 圖6 PWM調(diào)制示意圖2 電路組成采用SPWM正弦波脈寬調(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（DC/AC）由四只IGBT管組成單相

11、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 。2.1 控制電路控制電路是由兩片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ICL8038為核心組成，其中一片8038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SPWM波。Um經(jīng)反相器后，生成兩路相位相差180度的PWM波，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)范圍的兩路SPWM1和SPWM2波，作為主電路中兩對(duì)開(kāi)關(guān)管IGBT的控制信號(hào)。 控制電路還設(shè)置了過(guò)流保護(hù)接口端STOP，當(dāng)有過(guò)流武漢理工大學(xué)

12、 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練信號(hào)時(shí)，STOP呈低電平，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。 圖7 控制電路原理：是由兩片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ICL8038為核心組成，其中一片8038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SPWM波。Um經(jīng)反相器后，生成兩路相位相差180度的PWM波，再經(jīng)觸發(fā)器MC14528延時(shí)后，得到兩路相位相差180度并帶一定死區(qū)范圍的兩路SPWM1和SPWM2波。2.2 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路作為控制電路和主電路的中間環(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

13、號(hào)轉(zhuǎn)化為器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。它可以完成 電氣隔離的功能，由于全橋電路的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。武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練本實(shí)驗(yàn)中使用了目前廣泛應(yīng)用的一種集成驅(qū)動(dòng)芯片 IR2110。IR2110 驅(qū)動(dòng)功率器件，采用自舉驅(qū)動(dòng)方式，懸浮溝道設(shè)計(jì)使其能驅(qū)動(dòng)母線電壓小于 600V 的功率管。它可以僅用一個(gè)供電電源來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)全橋電路 4 個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)，避免了以往橋式驅(qū)動(dòng)中多獨(dú)立電源的麻煩，還可以和主電路共地。 由于 MOS 管通常導(dǎo)通時(shí)間要小于截止時(shí)間，這樣在交替導(dǎo)通的瞬間往往容易發(fā)生橋路短

14、路現(xiàn)象，改進(jìn)的辦法是在驅(qū)動(dòng)臂上并聯(lián)二極管 1N4148 來(lái)加速電流回吸，以起到加速截止的作用，使 MOS 管的截止加快。電路如下： 圖 8 驅(qū)動(dòng)電路2.3 主電路采用單相橋式逆變電路,共用到4 個(gè)開(kāi)關(guān)器件,采用了目前應(yīng)用最多的全控型電力電子器件之一的IGBT。在電路中，為了防止MOS管在開(kāi)關(guān)的瞬間，尖鋒電壓導(dǎo)致MOS管被擊穿，在橋路中加入了起緩沖嵌位作用的二極管，電阻和電容。電路如下：武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練圖9 主回路電路3 仿真結(jié)果3.1 仿真環(huán)境本次設(shè)計(jì)中用 Altium designer 畫出原理圖，仿真則主要用 Matlab 軟件來(lái)仿真，用示波器觀察整流和逆變的輸出波形圖，評(píng)估整個(gè)

15、系統(tǒng)的功能。3.2 仿真模型使用模塊提取的路徑及其單數(shù)設(shè)置 離散 PWM 發(fā)生器模塊 Discrete PWM Generator 提取路徑是： SimulinkSimPowerSystemsPower ElectronicsDiscrete Control BlocksDiscrete PWM Generator 信號(hào)終結(jié)模塊 Terminator 提取路徑是: SimulinkCommonly Used BlocksTerminator 交流電源模塊:“Phase”初相角 0,“Frequency”頻率 50Hz,“Sample time”采樣時(shí)間 0(默認(rèn)值 0表示該交流電源為連續(xù)源),

16、“Peak amplitude”當(dāng)變頻輸出頻率為 100Hz 時(shí)置為 600V2,當(dāng)變頻輸出頻率為 50Hz 時(shí)置為 50V2。武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練濾波電感 L1：選 Series RLC Branch 模塊，將參數(shù)“Inductance(H)”置為80e-3。 圖 10 電感 L1 參數(shù)設(shè)置濾波電感 L2；選 Series RLC Branch 模塊，將參數(shù)“Inductance(H)”置為30e-3。圖 11 電感 L2 參數(shù)設(shè)置濾波電容 C1：選 Series RLC Branch 模塊，將參數(shù)“Capacitance(F)”置為 1800e-6。武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練圖 12

17、 電容 C1 參數(shù)設(shè)置濾波電容 C2：選 Series RLC Branch 278 模塊，將參數(shù)“Capacitance(F)”置為 320e-6。圖 13 電容 C2 參數(shù)設(shè)置不可控的整流橋 Universal bridge 的參數(shù)設(shè)置如下：武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練圖 14 Universal bridge 的參數(shù)設(shè)置3.3 具體仿真結(jié)果3.3.1 仿真電路圖單相整流逆變電路的仿真模型如下圖所示，由圖可知，單相 220V、50Hz交流電源經(jīng)單相不可控整流環(huán)節(jié)，進(jìn)行 LC 濾波后即為中間直流環(huán)節(jié)。再進(jìn)入PWM 逆變，又一次 LC 濾波后，形成所需的交流信號(hào)。武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練 圖

18、15 仿真原理圖3.3.2整流濾波輸出電壓計(jì)算與仿真運(yùn)用 matlab 對(duì)交流電源與經(jīng)過(guò)橋式整流之后的電壓信號(hào)進(jìn)行了仿真之前，對(duì)兩電壓的波形進(jìn)行理論的分析：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組成另一對(duì)橋臂，在正半周，若 4 個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，負(fù)載電流為零，輸出2U電壓 U 也為零，VT1、VT4 串聯(lián)承受電壓，設(shè) VT1 和 VT4 漏電阻相等，則各承2U受的一半。若在觸發(fā)角處給 VT1 和 VT4 加觸發(fā)脈沖，VT1 和 VT4 即導(dǎo)通，2U電流從電源端經(jīng) VT1、R、VT4 流回電源另一端。當(dāng)過(guò)零時(shí)，流經(jīng)晶閘管的2U電流也降到零，VT1

19、和 VT4 關(guān)斷。晶閘管承受的最大正向電壓和最大反向電壓的值分別為和。在負(fù)半周，仍在觸發(fā)延遲角處觸發(fā) VT2 和20.5* 2U22U2UVT3，VT2 和 VT3 導(dǎo)通，其電流電壓情況與正半周情況類似。并且按照此種規(guī)律循環(huán)往復(fù)的工作下去，在此種原理下可以計(jì)算得出以下公式。橋式整流輸出電壓：21 cos0.92dUU由于經(jīng)過(guò)濾波之后，電壓會(huì)上升，其實(shí)際值接近 350V。兩信號(hào)的 matlab仿真波形記錄如下： 武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練 圖16 整流濾波輸出電壓圖 由上圖可以看出整流輸出的是脈動(dòng)的直流電壓波形，通過(guò)濾波電路，將其變成紋波較小的直流電壓。3.3.3逆變輸出電壓計(jì)算與仿真電壓型全橋

20、逆變電路的原理圖在上面的基礎(chǔ)電路中已經(jīng)給出，它共有四個(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)半橋電路組合而成。把橋臂 1 和 4 作為一對(duì)，橋臂 2 和3 作為一對(duì)，成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩隊(duì)交替導(dǎo)通 180 度，其輸出電壓：0411sinsin3sin535dUUttt其中，基波的幅值和基波有效值分別為：1o mU1oU141.27do mdUUU12 20.9dodUUU由于輸出電壓由開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷頻率決定，所以輸出電壓為無(wú)數(shù)的寬度極小的矩形波組成，在 matlab 中，逆變電路輸出電壓頻率有 PWM 脈沖觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置。其參數(shù)設(shè)置如下圖：武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練圖17 PWM脈沖觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置在采

21、樣理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，沖量即指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出相應(yīng)波形基本相同。如果把脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形波脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積相等就能得到相應(yīng)的脈沖序列，這就是 PWM 波形?？梢钥闯觯髅}沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM 波形和正弦波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到 PWM 波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱 SPWM 波形。

22、武漢理工大學(xué) 基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練圖 18 逆變輸出電壓由圖可知，輸出電壓頻率為 400Hz 的交流電壓，波形與理論分析結(jié)果一致，可得，此交流變換器，即交流變頻仿真得到了正確的結(jié)果。 4 小結(jié)心得通過(guò)一個(gè)星期的查閱資料，仿真實(shí)驗(yàn)使我認(rèn)識(shí)到必需加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解，不能停留在膚淺的了解階段，這次基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練使我獲得了十分寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于將來(lái)的我來(lái)說(shuō)一定是非常巨大的財(cái)富。這次基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練讓我有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)書本上沒(méi)有的知識(shí)，增長(zhǎng)了我的見(jiàn)識(shí)。同時(shí)，這次基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練，也使我體會(huì)到了實(shí)踐精神的重要性，理論上的成立還要實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)是否符合實(shí)際，只有把理論和實(shí)際結(jié)合起來(lái)才能 有真正的收獲。 此外，這次的基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練，使我對(duì)團(tuán)結(jié)合作有了更深的理解，在做仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，大家在一起討論，加深了我們對(duì)理論知識(shí)的理解，能夠迅速解決問(wèn)題，我們因此認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)合作的精神尤為重要。 武