電力電子技術(shù)課程設(shè)計單相橋式逆變課程設(shè)計

《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計說明書單相橋式逆變電路院、部：電氣與信息工程學(xué)院學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：職稱副教授專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：完成時間：2015年6月1日RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。當(dāng)山脊與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的積極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。電力二極管電力二極管（PowerDiode）自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用，當(dāng)時也被稱為半導(dǎo)體整流器（SemiconductorRectifier—SR）,其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，仍然大量應(yīng)用于許多電設(shè)備中。電力二極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管是一樣的，都是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的。由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合構(gòu)成PN結(jié)。其結(jié)構(gòu)和電氣符號如下：圖2-3 a)結(jié)構(gòu)和b)電氣符號 當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓，即外加電壓的正端接P區(qū)、負(fù)端接N區(qū)時，外加電場與PN結(jié)自建電場方向相反，在外帶電路上形成自P區(qū)流入從N區(qū)流出的電流，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。 當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時，外加電場與PN結(jié)自建電場方向相同，在外帶電路上形成自N區(qū)流入從P區(qū)流出的電流，稱之為反向電流。因此反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流通過，這就是反向截止?fàn)顟B(tài)。元件參數(shù)電感電抗：X=ωL=2πfL （4）干路電流有效值：I0=U01已知：交流輸出電壓頻率范圍在30～60HZ，電壓Ud=100V。又因晶閘管和IGBT的導(dǎo)通電流不宜過大，導(dǎo)通電流一般約為10mA。代入公式（5）得：jX+R=選擇最高頻率60HZ,代入公式（4）得：X=2πfL=120πL使整個電路負(fù)載呈感性則有：X>R。電阻選擇3000Ω。因此X=6000Ω。將X=6000Ω代入公式（4）得：L=所以選擇電阻R=3000Ω,電感L=0.063H。驅(qū)動電路的設(shè)計驅(qū)動電路原理圖設(shè)計圖3-1 驅(qū)動電路原理圖驅(qū)動電路的種類驅(qū)動電路有電流型驅(qū)動電路和電壓型驅(qū)動電路。驅(qū)動電路的作用驅(qū)動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)，對整個裝置的性能有很大的影響。采用良好的驅(qū)動電路，可使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。驅(qū)動電路的基本任務(wù)就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。驅(qū)動電路的選擇驅(qū)動電路的選擇與使用的電力電子器件相關(guān)。在這里我們需要控制IGBT的開關(guān)，因為IGBT是電壓型驅(qū)動器件所以選擇電壓型驅(qū)動電路。常見驅(qū)動電力的混合集成電路有三菱公司的M57918L芯片。同一系列的不同型號其引腳和接線基本相同，只是適用被驅(qū)動器件的容量和開關(guān)頻率以及輸入電流幅值等參數(shù)有所不同。圖3-2給出了M57962L的原理和接線圖。這些混合集成驅(qū)動器內(nèi)部都具有退飽和檢測和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號。M57962L輸出的正驅(qū)動電壓均為+15V，左右，負(fù)驅(qū)動電壓為-10V。圖3-2 M57962L型IGBT驅(qū)動器的原理和接線圖控制電路設(shè)計控制電路的作用控制電路的作用就是通過控制驅(qū)動電路運行進(jìn)而控制IGBT的通斷。又因IGBT的關(guān)斷速度決定了輸出電壓的頻率。所以控制電路就是通過產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號來控制驅(qū)動電路進(jìn)而控制IGBT的關(guān)斷改變電流方向和電壓方向從而得到想要頻率的輸出交流電壓?？刂齐娐吩韴D設(shè)計圖4-1 控制電路原理圖控制電路原理分析在這里采用2片集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038，分別用于發(fā)生頻率一樣的正弦波和三角波，它們共同經(jīng)過運放（LM311）、非門（74HC04）生成兩路PWM信號，這兩路信號分別是PWM+、PWM-，它們的相位差為180°。然后通過芯片4528以及與門（74HC08）得到兩路頻率一樣但相位相差（180°-θ）的SPWM波形，它們分別是SPWM1、SPWM2。將SPWM1分成兩路接驅(qū)動電路用來控制開關(guān)V1、V4，將SPWM2分成兩路接驅(qū)動電路用來控制開關(guān)V2、V3移相調(diào)壓的原理前面分析的都是為正負(fù)電壓各為180°的脈沖時的情況。在這種情況下若要改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud的大小來實現(xiàn)。 在阻感負(fù)載時，還可以采用移相的方式來調(diào)節(jié)逆變帶南路的輸出電壓，這種方式成為移相調(diào)壓。移相調(diào)壓實際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。當(dāng)V3、V4的柵極信號不是分別和V1、V2的柵極信號同相位，而是前移了180°-θ。這樣，輸出電壓U0就不再是正負(fù)各為一半的脈沖，而是正負(fù)各為θ的脈沖，各IGBT的柵極信號及輸出電壓U0、輸出電流i0的波形如圖0-4b所示。 工作原理：設(shè)在t1時刻前V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓U0為Ud，t1時刻V3和V4柵極信號反向，V4截止，而因負(fù)載電感中的電流i0不能突變，V3不能立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流。因為V1和VD3同時導(dǎo)通，所以輸出電壓為零。到t2時刻V1和V2柵極信號反向，V1截止，而V2不能立刻導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，輸出電壓為-Ud。到負(fù)載電流過零并開始反向時，VD2和VD3截止，V2和V3導(dǎo)通，U0仍為Ud。t3時刻V3和V4柵極信號再次反向，V3截止，而V4不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，U0再次為零。以后重復(fù)該過程。這樣，輸出電壓的正負(fù)脈沖寬度就各為θ。改變θ，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。例如當(dāng)θ=90°CL8038芯片介紹ICL0838精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢壘二極管等先進(jìn)工藝制成的單片集成電路芯片，是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路,電源電壓范圍寬、穩(wěn)定度高、精度高、易于用等優(yōu)點，只需調(diào)整個別的外部元件就能產(chǎn)生從0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調(diào)頻信號輸入端,所以可以用來對低頻信號進(jìn)行頻率調(diào)制。ICL0838引腳功能

圖4-2ICL8038的引腳功能排列圖腳1、12（SineWaveAdjust）：正弦波失真度調(diào)節(jié)；腳2（SineWaveOut）：正弦波輸出；腳3（TriangleOut）：三角波輸出；腳4、5（DutyCycleFrequency）：方波的占空比調(diào)節(jié)、正弦波和三角波的對稱調(diào)節(jié)；腳6（V＋）：正電源±10V～±18V；腳7（FMBias）：內(nèi)部頻率調(diào)節(jié)偏置電壓輸；腳8（FMSweep）：外部掃描頻率電壓輸入；腳9（SquareWaveOut）：方波輸出，為開路結(jié)構(gòu)；腳10（TimingCapacitor）：外接振蕩電容；腳11（V-orGND）：負(fù)電原或地；腳13、14（NC）：空腳。ICL0838內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4-3 ICL8038內(nèi)部電路方框圖基本電路的工作原理:該芯片由三角波振蕩電路、比較器1、比較器2、觸發(fā)器、三角波—正弦波變換電路、恒流源CS1、CS2等組成。恒流源CS1、CS2主要用于對外接電容C進(jìn)行充電放電，可利用4、5腳外接電阻調(diào)整恒流源的電流，以改變電容C的充放電時間常數(shù)，從而改變10腳三角波的頻率。兩個比較器分別被內(nèi)部基準(zhǔn)電壓設(shè)定在23Vs與13Vs。使兩個比較器必須在大于23Vs或小于13Vs的范圍內(nèi)翻轉(zhuǎn)。其輸出同時控制觸發(fā)器，使其一方面控制恒流源CS2的通斷，另一方面輸出方波經(jīng)集電極開路緩沖器，由9腳輸出方脈沖，而10腳經(jīng)緩沖器直接由3腳輸出三角波，另外還經(jīng)三角波—正弦波變換電路由2腳輸出低失真正弦波。外接電容C由兩個恒流源充電和放電。若S斷開，僅有電流I1向C充電，當(dāng)C上電壓上升到比較器1的門限電壓23Vs時，觸發(fā)器輸出Q=1。開關(guān)S導(dǎo)通，CS2把電流I2加到C上反充電，當(dāng)I2>I1時，相當(dāng)于C由一個凈電流I2-I1放電，此時C上電壓逐漸下降，當(dāng)下降到比較器2的門限電壓13Vs時，RS觸發(fā)器被復(fù)位Q=0，于是S斷開CS2，僅有CS1對C充電，如此反復(fù)形成振蕩，C上電壓近似為三角波，而觸發(fā)器輸出則為方波。當(dāng)兩個電流源CS1、CS2的電流分別設(shè)定為I、2I時，電容C上的充電、放電時間相等，則10腳三角波以及變換的正弦波就是對稱的,方波的占空比是50%。若恒流源CS1、CS2的電流不滿足上述關(guān)系，則3腳輸出非對稱的鋸齒波，2腳輸出非對稱的正弦波，9腳輸出占空比為2%～98%的脈沖波形。另外改變恒流源I的大小，即可改變振蕩信號的頻率。保護(hù)電路的設(shè)計保護(hù)電路的種類換相過電壓保護(hù)：由于晶閘管或者與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結(jié)束后不能恢復(fù)阻斷能力時，因而有較大的反向電流通過，使殘存的載流子恢復(fù)，而當(dāng)其恢復(fù)了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在晶閘管陰陽極這間或與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過電壓。圖5-1 相過電壓保護(hù)電路關(guān)斷過電壓保護(hù)：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時，因正向電流的迅速降低而線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。圖5-2 斷過電壓保護(hù)電路過電流保護(hù)：電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流現(xiàn)象。過電流分載和短路兩種情況。一般電力電子均同時采用幾種過電壓保護(hù)措施，怪提高保護(hù)的可靠性和合理性。在選擇各種保護(hù)措施時應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器只作為短路時的部分區(qū)斷的保護(hù)，直流快速斷路器在電子電力動作之后實現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器在過載時動作。采用快速熔斷器（簡稱快熔）是電力電子裝置中最有效，應(yīng)用最方泛的一種過電流保護(hù)措施。圖5-3 電流保護(hù)電路保護(hù)電路的作用保護(hù)電路的作用就是防止系統(tǒng)在外部電壓不穩(wěn)定的時，導(dǎo)致部分器件在過電壓或過電流的情況下被燒壞，造成電路癱瘓，無法正常工作。保護(hù)電路的選擇在本設(shè)計中主要是對IGBT進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)IGBT的特性，只要不過電壓則不會導(dǎo)致IGBT過電流。所以采用過電壓保護(hù)。又因為IGBT工作在高頻率條件下，故采用關(guān)斷過電壓保護(hù)。只要將圖5-2所示的電路串接在各IGBT所在的之路上即可。仿真分析仿真軟件MATLABSimulink簡介：Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。功能：Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink®：是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB®緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。特點：豐富的可擴充的預(yù)定義模塊庫。交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖。以設(shè)計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計的管理。通過ModelExplorer導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、屬性，生成模型代碼。提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成。使用EmbeddedMATLAB模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法。使用定步長或變步長運行仿真，(Normal,Accelerator,RapidAcc-elerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型。圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計的性能和異常行為。可訪問MATLAB從而對結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)。模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤。仿真電路圖圖6-1 電路仿真圖參數(shù)設(shè)置表表2 參數(shù)設(shè)置表模塊名參數(shù)設(shè)置DCVoltagesourceAmplitude(V):100PulseGenerator1PulseGenerator4Amplitude:1Period(secs):0.02PulseWidth(%ofperiod):50Phasedelay:90*0.02/360PulseGenerator2PulseGenerator3Amplitude:1Period(secs):0.02PulseWidth(%ofperiod):50Phasedelay:(90+180)*0.02/360SeriesRLCBranchResistance(Ohms):5Variablename:R1SeriesRLCBranchResistance(Ohms):5Variablename:R2ScopeNumberofaxes:5Variablename:S仿真效果圖圖6-2 仿真結(jié)果波形圖仿真結(jié)果分析輸入電壓特點：Ud為為100V的恒流電壓源。輸出電流特點：I0近似正弦波，且連續(xù)，輸出電流周期為0.02S，頻率均為50HZ。控制脈沖特點：控制脈沖頻率為50HZ，幅值為1V，假設(shè)VT4的延遲角為0°，則由圖可得T1的延遲角90°，VT2的延遲角為270°，VT3的延遲角為180°。輸出電壓特點：U0為電壓源經(jīng)過單項逆變器移相調(diào)壓后交流電壓幅值不變，占空比變?yōu)?:4，所以電壓有效值為為50V。從仿真結(jié)果波形圖觀察輸入直流電壓為100V，經(jīng)過逆變電路后輸出交流電壓為50V，頻率為50HZ，符合課程設(shè)計要求。設(shè)計總結(jié)電力電子技術(shù)既是一門基礎(chǔ)技術(shù)課程，也是實用性很強的一門課程。本次電力電子技術(shù)課程設(shè)計，讓我們有機會將課堂上所學(xué)的理論知識運用到實際中。并通過對知識的綜合利用，進(jìn)行必要的分析、比較，從而進(jìn)一步驗證了所學(xué)的理論知識。同時，本次課程設(shè)計也為我們以后的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)，還讓我們知道了最重要的是心態(tài)，在你拿到題目時會覺得困難，但是只要有信心，就肯能能完成的。通過本次電力電子技術(shù)課程設(shè)計，我們不僅加深了對課本專業(yè)知識的理解，同時增強了自己的自學(xué)能力。因為平時上課時只是被動的學(xué)習(xí)理論知識，而在此次的設(shè)計過程中，我們更進(jìn)一步的熟悉了單相橋式逆變電路的原理及其控制電路的設(shè)計。在這個過程中也不是一蹴而就的，我也遇到了各種困難。但是通過查閱資料、和同學(xué)討論，我及時的發(fā)現(xiàn)自己的錯誤并糾正了。這也是本次電力電子課程設(shè)計的一大收獲，使我們的實踐動手能力有了進(jìn)一步的提高，同時也增強了我們對以后學(xué)習(xí)的信心。課程設(shè)計開始，思緒全無，舉步維艱。對于理論知識學(xué)習(xí)不夠扎實的我深感“書到用時方恨少”，于是重拾教材與實驗手冊，對知識進(jìn)行了系統(tǒng)而全面的梳理，而且領(lǐng)悟諸多平時學(xué)習(xí)難以理解的知識，對于知識的理解更深了一層。課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在這里我感謝所有給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)，在我遇到困難的時候是他們耐心的幫助我。我會在以后的學(xué)習(xí)和生活中發(fā)揚不怕苦的精神，努力學(xué)習(xí)。參考文獻(xiàn)[1] 趙可斌.電力電子變流技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1993.

[2] 陳堅編著.電力電子學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] 李序葆編著.電力電子器件及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.[4] 黃俊主編.半導(dǎo)體變流技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1986.[5] 邵群濤主編.電機及拖動基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.[6] 鄭忠杰，吳作海編.電力電子變流技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.[7] 龍志文主編.電力電子技術(shù)[M].