單相交直交變頻電路

/電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)（論文)單相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)裝置院（系）名稱電子與信息工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師起止時(shí)間:201４。１2。1５—2０14。1２。26課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語院（系)：電子與信息工程學(xué)院教研室：電子信息工程學(xué)號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)課程設(shè)計(jì)（論文)題目單相交－直—交變頻實(shí)驗(yàn)裝置課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)任務(wù)要求：設(shè)計(jì)一單相交-直-交變頻實(shí)驗(yàn)裝置用于電力電子技術(shù)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)參數(shù)要求完成整流電路設(shè)計(jì)、逆變電路設(shè)計(jì)、通過計(jì)算選擇器件的具體型號(hào)、完成驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)或選擇，使學(xué)生可以通過該裝置測試、觀察及驗(yàn)證單相交—直—交變頻的實(shí)現(xiàn)方法。技術(shù)要求：1、交流電源：單相220V。２、為了IGBＴ的安全，中間直流電壓最大為50V。3、輸出交流電壓約45V。4、輸出最大電流２Ａ。5、輸出頻率50Hz６、最大功率：100W.指導(dǎo)教師評(píng)語及成績平時(shí)成績:答辯成績：論文成績：總成績：指導(dǎo)教師簽字：年月日注：平時(shí)成績占20％，答辯成績占4０％,論文成績占40%。摘要隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電力電子技術(shù)取得了迅速的的發(fā)展,改變著我國工業(yè)的整體面貌，在現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。其中，單相交—直－交變頻技術(shù)也得到了越來越多的重視。其在工業(yè)生產(chǎn)、生活?yuàn)蕵泛蛢x器應(yīng)用等方面有著廣泛的應(yīng)用，其中目前應(yīng)用最廣泛的屬于電網(wǎng)互聯(lián)，將分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)出的電變成負(fù)載可以使用的交流電或與大電網(wǎng)電壓、頻率相匹配的工頻交流電.可見，研究交—直—交變頻系統(tǒng)的基本工作原理和作用特性意義十分重大.本次設(shè)計(jì)研究的單相交—直－交變頻實(shí)驗(yàn)裝置可分為主電路和控制電路兩部分。其中，主電路包括整流電路、逆變電路和濾波電路三部分。整流電路采用不可控的二極管單相橋式整流電路；逆變電路采用IGBＴ組成的單相全橋逆變電路;濾波電路采用電容濾波，輸出合適頻率的正弦交流電。而控制電路由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路組成。其中，控制電路以IＣL80３8為核心，生成兩路ＰWM控制信號(hào)；驅(qū)動(dòng)電路采用三菱公司生產(chǎn)的M５7862Ｌ集成驅(qū)動(dòng)器;用雙D觸發(fā)器CD4013構(gòu)成保護(hù)電路.根據(jù)以上電路組合設(shè)計(jì)，經(jīng)過Ｍｕltiｓiｍ軟件進(jìn)行電路仿真,可以基本滿足本次設(shè)計(jì)任務(wù)的要求,且電路比較可靠。關(guān)鍵詞:整流;逆變;ＩＧＢＴ;PWM控制?目錄TOC\ｏ＂1－３"\ｈ\z\ｕHYPERLINＫ\l”_Toc４072６1024"第1章第１章緒論 PAＧEＲEＦ_Toc40７261０24\h１HYPERLIＮK第２章單相交—直—交變頻電路設(shè)計(jì)?PAGEＲEF_Toc407261027\h3ＨYPERLINK＼ｌ”_Toc40７２6１0２8"2.1單相交—直-交變頻電路總體設(shè)計(jì)方案 PAＧEREF＿Toc４07261028\h３HYPEＲLINK＼l"_Ｔoｃ4072６1０29”２．１.１方案論證與選擇?PAＧＥREF_Toc4０7２6102９＼h３HYＰERＬINK＼ｌ＂＿Tｏc40７261０30＂２．１.2整體方案框圖 PＡGEREF_Toc４０72６1０３０\h3HＹPＥRLIＮK\ｌ”_Tｏｃ40726１０３1”2。2具體電路設(shè)計(jì) PAGEREF＿Toc407261０31\h４HYPERＬＩNK\l”_Toｃ４07２61032"2．2。１整流電路設(shè)計(jì) PAGEREＦ_Toc40７2610３2\h4HYPERLIＮK２。２．2逆變電路設(shè)計(jì) PAＧEＲＥF_Tｏc40726１0３3\h６HYPＥRＬINK２。2.3控制電路設(shè)計(jì) PAGERＥF_Toc407２6１０３4\h7ＨYPEＲLINK\ｌ＂_Ｔoc４07２610３5”２.２．4驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)電路設(shè)計(jì)?ＰAGＥRＥＦ_Tｏc4０72６１035\ｈ10HYPERLINＫ＼l"_Ｔoc４0726１03６"２．3元器件型號(hào)選擇?PAＧEＲEＦ_Ｔoc40７２61０３6＼ｈ11HＹＰＥRLINＫ\l”＿Tｏc４07２61０37＂第3章課程設(shè)計(jì)總結(jié)?ＰAＧEREF_Toc4072６1037＼h１3HYPERLINK＼l＂＿Toｃ４07２610３8＂參考文獻(xiàn) ＰＡＧERＥＦ_Toc407２6１038＼h15HYPERLＩＮＫ\ｌ"＿Toc４0７2610３9”附錄?ＰＡGＥＲEF_Toc4０7２61039＼h1６緒論交直交變頻器發(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—直—交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲(chǔ)能元件,無功功率將由大電感來緩沖，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)用場合，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，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.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,廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)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.本文研究內(nèi)容本文設(shè)計(jì)研究的是10０W單相交－直—交變頻實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置主要由整流電路、逆變電路以及驅(qū)動(dòng)電路等組成。任務(wù)要求：設(shè)計(jì)一單相交-直—交變頻實(shí)驗(yàn)裝置用于電力電子技術(shù)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn),根據(jù)參數(shù)要求完成整流電路設(shè)計(jì)、逆變電路設(shè)計(jì)、通過計(jì)算選擇器件的具體型號(hào)、完成驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)或選擇,使學(xué)生可以通過該裝置測試、觀察及驗(yàn)證單相交－直—交變頻的實(shí)現(xiàn)方法。技術(shù)要求：1、交流電源：單相220V。２、為了ＩGBT的安全,中間直流電壓最大為５0V.３、輸出交流電壓約４5V。4、輸出最大電流2A。5、輸出頻率50Hz。6、最大功率:１00Ｗ。單相交－直－交變頻電路設(shè)計(jì)單相交—直—交變頻電路總體設(shè)計(jì)方案方案論證與選擇1。逆變電路方案論證與選擇方案一：采用電壓型逆變電路電壓型逆變電路具有直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗的優(yōu)點(diǎn),且交流側(cè)輸出電壓波形與負(fù)載阻抗角無關(guān)，比較容易得到合適的交流電壓。方案二:采用電流型逆變電路電流型逆變電路需在直流側(cè)串聯(lián)大電感，且交流側(cè)輸出電壓波形和相位隨負(fù)載阻抗角的不同而不同,對(duì)于本次設(shè)計(jì),可行性差.綜上比較，本次設(shè)計(jì)采用電壓型逆變電路2.整流電路方案論證與選擇方案一：采用二極管單相橋式整流電路二極管單相橋式整流電路輸出電壓高,紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用,效率較高。方案二：采用晶閘管單相橋式整流電路晶閘管單相橋式整流電路適用于功率較大的場合。與二極管相比，晶閘管采購價(jià)格昂貴，易受干擾而發(fā)生誤導(dǎo)通,且需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的觸發(fā)電路,可行性不好.本次設(shè)計(jì)輸出功率為１00W，從經(jīng)濟(jì)、可操作性兩方面考慮，選擇方案一。整體方案框圖如圖2。１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?yōu)橹绷麟?，直流電?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.單相橋式整流電路電壓型逆變電路單相橋式整流電路電壓型逆變電路交流輸出市電交流濾波濾波變壓器變壓器控制控制電路圖2.1總體設(shè)計(jì)方案框圖具體電路設(shè)計(jì)整流電路設(shè)計(jì)直流電路的原理圖如圖2。2所示。圖2.2整流電路在變壓器二次側(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)?，?、D3反偏截止,電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過二極管Ｄ1流向RＬ,再由二極管D4流回變壓器。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)?D1、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，如圖２.3所示。圖2。3整流電路輸出波形一所得到的半波電壓經(jīng)過電容濾波電路的濾波，便可得到較為平緩的直流電壓，如圖2.4所示。圖2。4整流電路輸出波形二逆變電路設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，主要采用單相橋式逆變電路作為設(shè)計(jì)的主電路.其主電路結(jié)構(gòu)圖如圖2.5所示：圖2.５單相橋式逆變電路如上圖所示,單相全橋逆變電路主要有四個(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)半橋電路組合而成。其中橋臂1，４為一對(duì)，橋臂２，３為一對(duì)。每個(gè)橋臂由一個(gè)可控器件ＩGＢT以及一個(gè)反并聯(lián)的二極管組成.在直流側(cè)接有足夠大的電容，負(fù)載接在橋臂之間。它的具體工作過程如下:設(shè)最初ｔ1時(shí)刻時(shí),給ＩGBTＱ1、Ｑ4觸發(fā)信號(hào),使其導(dǎo)通。則電流通過橋臂1，負(fù)載，橋臂４構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)通回路。當(dāng)ｔ2時(shí)刻時(shí)，給Q2,Q3觸發(fā)信號(hào)，給Ｑ1，Q４關(guān)斷信號(hào)。但由于負(fù)載電感較大，通過它的電流不能突變，所以二極管D2，D３導(dǎo)通進(jìn)行續(xù)流。當(dāng)電流逐漸減小為0，橋臂1,４關(guān)斷,橋臂2，３導(dǎo)通,構(gòu)成一個(gè)回路，從而實(shí)現(xiàn)換流.當(dāng)Q１、Q4或Ｑ2、Q3為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓同方向,直流側(cè)向負(fù)載提供能量；而當(dāng)D6、Ｄ8或Ｄ５、D7為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓反向，負(fù)載電感中儲(chǔ)存的能量向直流側(cè)反饋，即負(fù)載電感將其吸收的無功能量向直流側(cè)反饋。反饋回的能量暫時(shí)儲(chǔ)存在直流側(cè)電容器中，直流側(cè)電容器起著緩沖這種無功能量的作用。單相橋式逆變電路工作波形如圖２．6所示。圖2．6單相橋式逆變電路工作波形分析其工作過程:設(shè)在ｔ1時(shí)刻前Q1和Ｑ4導(dǎo)通，輸出電壓Uo為Uｄ,t１時(shí)刻Ｑ３和Q4柵極信號(hào)反向,Q4截止,而因負(fù)載電感中電流不能突變，Q3不立刻導(dǎo)通,D７導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)續(xù)流。因?yàn)镼1和Ｄ6同時(shí)導(dǎo)通，所以輸出電壓為0。到ｔ２時(shí)刻Q1和Q２柵極信號(hào)反向，Q１截止，而Q２不能立刻導(dǎo)通，D5續(xù)流，和D7構(gòu)成電流通道，輸出電壓-Ｕｄ。到負(fù)載電流過零并開始反向時(shí),D5和Ｄ７截止，Q2和Q3開始同時(shí)導(dǎo)通，仍然為－Ud。在t３時(shí)刻Q3和Q4柵極信號(hào)再次反相，Ｑ3截止，而Q4不能立刻導(dǎo)通，Ｄ8導(dǎo)通續(xù)流,Uo再次為0。以后的過程與前面類似?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)１.ＰWM控制原理PWM(PulｓｅＷiｄｔhModuｌation)控制——脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。PWM控制的方法可分為三類，即計(jì)算法、調(diào)制法和跟蹤控制法。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。本次設(shè)計(jì)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。在本次設(shè)計(jì)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

控制原理示意圖如圖２．７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)制出來的輸出波形也是有正有負(fù)，其輸出波形有±Ｕｄ兩種電平。用Ｕr表示信號(hào)波,,Uc表示載波。當(dāng)Ur＞Uc

時(shí)，給Q1、Q4施加開通驅(qū)動(dòng)信號(hào),給Ｑ2

、Q３

施加關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此時(shí)如果負(fù)載電流io>0

則Ｑ1

、Q4

開通,如果io

<

0,則D６

、D８開通，但輸出電壓均為Uｏ=Ud

。反之，則Ｑ2、Q３或Ｄ5、D7開通,Uo=

-Ud

.圖2。8中，Uoｆ是輸出電壓Uo的基波分量。圖2。7雙極性PＷM控制方式波形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)波和載波)

、信號(hào)調(diào)制、產(chǎn)生ＩGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。附錄圖2給出了控制電路的原理圖。

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)開關(guān)管ＩGＢＴ的控制信號(hào)。控制電路還設(shè)置了過流保護(hù)接口端ＳＴO(shè)Ｐ，當(dāng)有過流信號(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。

ICL８038

是精密波形發(fā)生器,它產(chǎn)生的波形的頻率可以從０。00１Hz

到300Hz。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2．8所示。

圖2．8IＣL８038內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖原理：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MC４528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。驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)電路設(shè)計(jì)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)裝置的性能有很大影響。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路,可使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮小開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗,對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。另外,對(duì)電力電子器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往就近設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或者通過驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)，這使得驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)尤為重要。本次設(shè)計(jì)采用了三菱公司生產(chǎn)的專用于驅(qū)動(dòng)IGBT的驅(qū)動(dòng)器M５７962L。它的內(nèi)部集成了退飽和、檢測和保護(hù)單元，當(dāng)發(fā)生過電流時(shí)能快速響應(yīng)，但慢速關(guān)斷IGBT,并向外部電路給出故障信號(hào)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖２．９所示，它由光電耦合器、接口電路、檢測電路、定時(shí)復(fù)位電路以及門極關(guān)斷電路組成。M５79６2L具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1。采用快速型光電耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，具有較高的輸入、輸出隔離度.2．采用雙電源供電方式,確保IＧBT可靠通段。3。內(nèi)部集成了短路和過流保護(hù)電路。M57962L的過流保護(hù)電路通過檢測IGＢT的飽和壓降來判斷是否過流，一旦過流，M5７９6２L將對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷,并對(duì)外部電路輸出故障信號(hào).圖2。9M5７962Ｌ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖采用M5796２L設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖2.10所示.圖2．1０驅(qū)動(dòng)電路元器件型號(hào)選擇根據(jù)任務(wù)要求，可知直流側(cè)輸出電壓最大為50V，交流側(cè)輸出電壓約為45V，輸出最大電流為2A，最大功率為100W。1．整流電路器件選擇當(dāng)直流側(cè)輸出電壓最大時(shí)，由于（2-1）計(jì)算得變壓器二次側(cè)電壓≈5５。6V。所以變壓器匝數(shù)比（2－2)計(jì)算得K≈4,本設(shè)計(jì)取K=5。二極管所承受最大電壓(２-３）一般電網(wǎng)的波動(dòng)范圍為±10％，所以二極管兩端電壓為=１.１××55。６≈86.５V,可額定電壓、額定電流分別為100V、3A的1N５408二極管。2.IGBT型號(hào)的選擇IGBT兩端所承受的最大電壓為＝×５０≈7０.7V負(fù)載最大電流為２Ａ，選擇IGBT時(shí)電壓電流應(yīng)留有２至３倍的裕量，所以可選IＧBT的額定電壓、額定電流分別為＝3×７0。７=212.1V，＝３×2=6Ａ;可選擇額定電壓、額定電流分別為400V、5A的型號(hào)