《電力電子技術》課程設計說明書- 單相橋式逆變電路的設計

11《電力電子技術》課程設計說明書 單相橋式逆變電路的設計學院：電氣與信息工程學院學生姓名：蔣智鵬指導教師：肖文英職稱/學位副教授專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：電氣本1205班學號：1230140514完成時間：2015年06月主電路的設計3.1主電路原理3.1.1主電路圖主電路圖如圖1：圖1主電路圖3.1.2主電路原理及說明在單相橋式全控整流電路中,晶閘管VT1和VT4組成一對橋臂,VT2和VT3組成一對橋臂。在U2的正半周期，觸發(fā)角α處給晶閘管VT1和VT4加觸發(fā)脈沖使其開通，=u2。負載中有電感存在使負載電流不能突變，電感對負載電流起平波作用。u2過零變負時，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關斷。至=π+α時刻，給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，因VT2和VT3本已承受正電壓，故兩管導通。VT2和VT3導通后，u2通過VT2和VT3施加反向電壓使VT1和VT4關斷，流過VT1和VT4的電流迅速的轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱為換向，亦成為換流。單相橋式全控整流電路帶阻感負載時，晶閘管承受的最大反向電壓u2.3.1.3參數(shù)計算負載電流連續(xù)時，整流電壓平均值可按下式計算：(1)輸出電流波形因電感很大，平波效果很好而呈一條水平線。兩組晶閘管輪流，一個周期中各導電180°，且與α無關，變壓器二次繞組中電流i2的波形是對稱的正、負方波。負載電流的平均值Id和有效值I相等，其波形系數(shù)為1。在這種情況下：當α=0°時，=0.9U2；當α=90°時，=0，其移相范圍為0~90°。晶閘管承受的最大正、反向電壓都是U2。流過每個晶閘管的電流平均值和有效值分別為:==(2)==(3)3.2主要元器件選擇單相橋式全控主電路中最重要的元器件是晶閘管，晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（SiliconControlledRectifier--SCR），晶閘管是大功率器件，工作時產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。其外型有螺栓型和平板型兩種封裝，引出陽極A、陰極K和門極（或稱柵極）G三個聯(lián)接端。選擇時主要考慮其參數(shù)和選取原則：1).1晶閘管的主要參數(shù)如下：晶閘管承受最大電壓為考慮到2倍裕量，取400V.(9)在本次設計中我選用4個KP20-4的晶閘管.4.2驅(qū)動電路的設計其驅(qū)動電路如圖4所示：圖4驅(qū)動電路4.2.1工作原理利用單結晶體管的負阻特性與RC電路的充放電可組成自激振蕩電路，產(chǎn)生頻率可變的脈沖。從圖（4）可知，經(jīng)D1-D2整流后的直流電源UZ一路徑R2、R1加在單結晶體管兩個基極b1、b2之間，另一路通過Re對電容C充電，發(fā)射極電壓=按指數(shù)規(guī)律上升。剛沖點到大于峰點轉(zhuǎn)折電壓Up的瞬間，管子e-b1間的電阻突然變小，開始導通。電容C開始通過管子e-b1迅速向R1放電，由于放電回路電阻很小，故放電時間很短。隨著電容C放電，電壓小于一定值，管子BT又由導通轉(zhuǎn)入截止，然后電源又重新對電容C充電，上述過程不斷重復。在電容上形成鋸齒波震蕩電壓，在R1上得到一系列前沿很陡的觸發(fā)尖脈沖us，如圖（b）所示，其震蕩頻率為f=1/T=1/(1/1-η)(10)式中η=0.3～0.9是單結晶體管的分壓比。即調(diào)節(jié)Re，可調(diào)節(jié)振4.2.3主要器件介紹（1）單結晶體管單結晶體管原理單結晶體管（簡稱UJT）又稱基極二極管，它是一種只有PN結和兩個電阻接觸電極的半導體器件，它的基片為條狀的高阻N型硅片，兩端分別用歐姆接觸引出兩個基極b1和b2。在硅片中間略偏b2一側用合金法制作一個P區(qū)作為發(fā)射極e。（2）同步電源步電壓又變壓器TB獲得，而同步變壓器與主電路接至同一電源，故同步電壓于主電壓同相位、同頻率。同步電壓經(jīng)橋式整流、穩(wěn)壓管削波為梯形波，而削波后的最大值UZ既是同步信號，又是觸發(fā)電路電源.當過零時，電容C經(jīng)e-b1、R1迅速放電到零電壓。這就是說，每半周開始，電容C都從零開始充電，進而保證每周期觸發(fā)電路送出第一個脈沖距離過零的時刻(即控制角α)一致，實現(xiàn)同步。（3）移相控制Re當Re增大時，單結晶體管發(fā)射極充電到峰點電壓Up的時間增大，第一個脈沖出現(xiàn)的時刻推遲，即控制角α增大，實現(xiàn)了移相。（4）脈沖輸出R1觸發(fā)脈沖由Ｒ1直接取出，這種方法簡單、經(jīng)濟，但觸發(fā)電路與主電路有直接的電聯(lián)系，不安全。對于晶閘管串聯(lián)接法的全控橋電路無法工作。所以一般采用脈沖變壓器輸出。5保護電路的設計5.1過電流保護當電力電子變流裝置內(nèi)部某些器件被擊穿或短路；驅(qū)動、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障；外部出現(xiàn)負載過載；直流側短路；可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生逆變失敗；以及交流電源電壓過高或過低；均能引起裝置或其他元件的電流超過正常工作電流，即出現(xiàn)過電流。因此，必須對電力電子裝置進行適當?shù)倪^電流保護。采用快速熔斷器作過電流保護，熔斷器是最簡單的過電流保護元件，但最普通的熔斷器由于熔斷特性不合適，很可能在晶閘管燒壞后熔斷器還沒有熔斷，快速熔斷器有較好的快速熔斷特性，一旦發(fā)生過電流可及時熔斷起到保護作用。最好的辦法是晶閘管元件上直接串快熔，因流過快熔電流和晶閘管的電流相同，所以對元件的保護作用最好，這里就應用這一方法快熔抑制過電流電路圖如圖5所示。圖5快速熔短器的接入方法A型熔斷器的特點：是熔斷器與每一個元件串連，能可靠的保護每一個元件。B型熔斷器的特點：能在交流、直流和元件短路時起保護作用，其可靠性稍有降低。C型熔斷器的特點：直流負載側有故障時動作，元件內(nèi)部短路時不能起保護作用對于第二類過流，即整流橋負載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，則應當采用電子電路進行保護。常見的電子保護原理圖如6所示圖6過流保護原理圖晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后以0.1mm/的擴展速度將電流擴展到整個陰極面，若晶閘管開通時電流上升率/過大，會導致PN結擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。如下圖7所示:圖7串聯(lián)電感抑制回路5.2過電壓保護設備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。過電壓保護的第一種方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。如圖8和圖9所示。圖8阻容三角抑制過電壓圖9壓敏電阻過壓加在晶閘管上的正向電壓上升率/也應有所限制,如果/過大，由于晶閘管結電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴重時引起晶閘管誤導通。為抑制/的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路。如圖10所示。圖10并聯(lián)R-C阻容吸收回6仿真及結果分析6.1仿真軟件介紹MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境。主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。6.2仿真及結果分析6.2.1仿真結果IGBT1/IGBT4觸發(fā)脈沖波形圖11IGBT2/IGBT3觸發(fā)脈沖圖12DC/AC逆變波形圖13當f=30Hz時，波形如圖14、圖15所示。圖14圖15當f=40Hz時，波形如圖16.圖17所示。圖16圖17當f=50Hz時，波形如圖18.圖19所示。圖18圖19當f=60Hz時，波形如圖20.圖21所示。圖20圖216.2.2結果分析從上圖中可以很清晰地看出產(chǎn)生的波形頻率為10HZ，可以通過改變信號波的頻率來改變IGBT的觸發(fā)脈沖，從而改變逆變交流電源的頻率，實現(xiàn)變頻逆變。IGBT單相電壓型全橋無源逆變電路共有4個橋臂，可以看成兩個半橋電路組合而成，采用移相調(diào)壓方式后，輸出交流電壓有效值即可通過改變直流電壓來實現(xiàn)，也可通過改變θ來調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度來改變其有效值。由于MATLAB軟件中電源等器件均為理想器件，故可將電容直接去掉。又由于在純電阻負載中，VD1—VD4不再導通，不起續(xù)流作用，古可將起續(xù)流作用的4個二極管也去掉，對結果沒有影響。相比于半橋逆變電路而言，全橋逆變電路克服了半橋逆變電路輸出交流電壓幅值僅為1/2Ud的缺點，且不需要有兩個電容串聯(lián)，就不需要控制電容電壓的均衡，因此可用于相對較大功率的逆變電源。總結通過單相全控橋式整流電路的設計，使我加深了對整流電路的理解，讓我對電力電子該課程產(chǎn)生了濃烈的興趣。整流電路的設計方法多種多樣，且根據(jù)負載的不同，又可以設計出很多不同的電路。其中單相全控橋式整流電路其負載我們用的多的主要是電阻型、帶大電感型，接反電動勢型。它們各自有自己的優(yōu)點。對于一個電路的設計，首先應該對它的理論知識很了解，這樣才能設計出性能好的電路。整流電路中，開關器件的選擇和觸發(fā)電路的選擇是最關鍵的，開關器件和觸發(fā)電路選擇的好，對整流電路的性能指標影響很大。在這次課程設計過程中，碰到的難題就是保護電路的設計。因為保護電路的種類較多，因此要選擇一個適合本課題的保護電路就比較難。后來經(jīng)老師，還有同學的幫助，選擇了一個較好的保護電路。參考文獻[1]王兆安,黃俊.電力電子技術[M].北京;機械工業(yè)出版社,第四版[2]吳曉燕.MATLAB在自動控制中的應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006.9[3]林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006[4]趙良炳.現(xiàn)代電力電