单相交直交变频电路.docx

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1、i多/亨人琴电力电子技术课程设计（论文）单相交-直-交变频实验装置院（系）名称电子与信息工程学院专业班级学号学生姓名指导教师起止时间：2014.12.15 2014.12.26课程设计（论文）任务与评语院（系）：电子与信息工程学院教研室：电子信息工程学号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目单相交-直-交变频实验装置课程设计论文任务任务要求：设计一单相交-直-交变频实验装置用于电力电子技术课程 的教学实验，根据参数要求完成整流电路设计、逆变电路设计、 通过计算选择器件的具体型号、完成驱动电路设计或选择，使 学生可以通过该装置测试、观察与验证单相交-直-交变频的实 现方法。技术要求：1、交流电源：

2、单相220V。2、为了 IGBT的安全，中间直流电压最大为50V。3、输出交流电压约45V。4、输出最大电流2A。5、输出频率50Hz6、最大功率：100W。指导教师评语与成绩平时成绩： 答辩成绩： 论文成绩： _总成绩： 指导教师签字： 年月日注：平时成绩占20%，答辩成绩占40%,论文成绩占40%。随着科学技术的进步，电力电子技术取得了迅速的的发展，改变着 我国工业的整体面貌，在现代化建设中发挥着越来越重要的作用。其 中，单相交-直-交变频技术也得到了越来越多的重视。其在工业生产、 生活娱乐和仪器应用等方面有着广泛的应用，其中目前应用最广泛的 属于电网互联，将分布式发电技术发出的电变成负载

3、可以使用的交流 电或与大电网电压、频率相匹配的工频交流电。可见，研究交一直一 交变频系统的基本工作原理和作用特性意义十分重大。本次设计研究的单相交-直-交变频实验装置可分为主电路和控制 电路两部分。其中，主电路包括整流电路、逆变电路和滤波电路三部 分。整流电路采用不可控的二极管单相桥式整流电路；逆变电路采用 IGBT组成的单相全桥逆变电路；滤波电路采用电容滤波，输出合适频 率的正弦交流电。而控制电路由控制电路、驱动电路和保护电路组成。 其中，控制电路以ICL8038为核心，生成两路PWM控制信号；驱动电 路采用三菱公司生产的M57862L集成驱动器；用双D触发器CD4013 构成保护电路。根据

4、以上电路组合设计，经过Multisim软件进行电路仿真，可以 基本满足本次设计任务的要求，且电路比较可靠。关键词：整流；逆变；IGBT； PWM控制目录第1章 第1章 绪论11.1电力电子技术发展概况11.2本文研究内容1第2章单相交-直-交变频电路设计32.1单相交-直-交变频电路总体设计方案32.1.1方案论证与选择32.1.2整体方案框图32.2具体电路设计42.2.1整流电路设计42.2.2逆变电路设计62.2.3控制电路设计82.2.4驱动电路与保护电路设计102.3元器件型号选择12第3章课程设计总结13参考文献15附录16第1章绪论1.1交直交变频器发展概况变频器是运动控制系统中

5、的功率变换器。当今的运动控制系统是包含 多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高 频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功 率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。交一直一交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率 将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当电动机处于制动（发电）状态 时，只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生 电能方便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，可用 于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合，在大容量风机、泵类 节能调速中也有应用。近年来，随着电力电子

6、技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展， 交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面 临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代 模拟控制技术已成为发展趋势。交流变频调速技术是当今节电、改善工艺 流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调 速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛 的适用范围与其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义。1.2本文研究内容本文设计研究的是100W单相交-直-交变频实验装置。该装置主要由整 流电路、逆变电路以与

7、驱动电路等组成。任务要求：设计一单相交-直-交变频实验装置用于电力电子技术课程的教学实 验，根据参数要求完成整流电路设计、逆变电路设计、通过计算选择器件 的具体型号、完成驱动电路设计或选择，使学生可以通过该装置测试、观 察与验证单相交-直-交变频的实现方法。技术要求：1、交流电源：单相220V。2、为了 IGBT的安全，中间直流电压最大为50V。3、输出交流电压约45V。4、输出最大电流2A。5、输出频率50Hz。6、最大功率：100W。第2章单相交-直-交变频电路设计2.1单相交-直-交变频电路总体设计方案2.1.1方案论证与选择1. 逆变电路方案论证与选择方案一：采用电压型逆变电路电压型逆

8、变电路具有直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗的 优点，且交流侧输出电压波形与负载阻抗角无关，比较容易得到合适的交 流电压。方案二：采用电流型逆变电路电流型逆变电路需在直流侧串联大电感，且交流侧输出电压波形和相 位随负载阻抗角的不同而不同，对于本次设计，可行性差。综上比较，本次设计采用电压型逆变电路2. 整流电路方案论证与选择方案一：采用二极管单相桥式整流电路二极管单相桥式整流电路输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的 最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载， 电源变压器得到了充分的利用，效率较高。方案二：采用晶闸管单相桥式整流电路晶闸管单相桥式整流电路适用于功率

9、较大的场合。与二极管相比，晶 闸管采购价格昂贵，易受干扰而发生误导通，且需要设计相应的触发电路， 可行性不好。本次设计输出功率为100W，从经济、可操作性两方面考虑，选择方案2.1.2整体方案框图如图2.1所示，总体设计方案由整流电路、滤波、逆变电路等组成。 市电经整流电路变为直流电，直流电经滤波电路进行平滑滤波，再输入逆 变电路，变为频率和电压均可调的交流电。图2.1总体设计方案框图2.2具体电路设计2.2.1整流电路设计直流电路的原理图如图2.2所示。R220 Vrms 50 HzLJD3D4图2.2整流电路在变压器二次侧电压的正半周，其极性为上正下负，此时二极管D1、4 / 24D4正向

10、导通，D2、D3反偏截止，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能 经过二极管D1流向RL，再由二极管D4流回变压器。于是在负载电阻RL上 得到一个极性为上正下负的半波电压。在导通时二极管的正向压降很小， 可以忽略不计，因此，可认为这半波电压和的变压器二次侧电压正半波是 相同的。在变压器二次侧电压的负半周，其极性为上负下正，此时二极管D2、 D3正向导通，D1、D4反偏截止，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能 经过二极管D2流向RL，再由二极管D3流回变压器。同理，在负载上得到 一个半波电压，极性依旧是上正下负，与前面得到的相同，如图2.3所示。图2.3整流电路输出波形一所得到的半波电压经过电容

11、滤波电路的滤波，便可得到较为平缓的直 流电压，如图2.4所示。图2.4整流电路输出波形二2.2.2逆变电路设计在本次设计中，主要采用单相桥式逆变电路作为设计的主电路。其主 电路结构图如图2.5所示：图2.5单相桥式逆变电路如上图所示，单相全桥逆变电路主要有四个桥臂，可以看成由两个半 桥电路组合而成。其中桥臂1,4为一对，桥臂2, 3为一对。每个桥臂由一 个可控器件IGBT以与一个反并联的二极管组成。在直流侧接有足够大的电 容，负载接在桥臂之间。它的具体工作过程如下：设最初t1时刻时，给IGBTQ1、Q4触发信号， 使其导通。则电流通过桥臂1，负载，桥臂4构成一个导通回路。当t2时 刻时，给Q2

12、,Q3触发信号，给Q 1,Q4关断信号。但由于负载电感较大，通 过它的电流不能突变，所以二极管D2,D3导通进行续流。当电流逐渐减小 为0，桥臂1,4关断，桥臂2,3导通，构成一个回路，从而实现换流。当Q1、Q4或Q2、Q3为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负 载提供能量；而当D6、D8或D5、D7为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能量向直 流侧反馈。反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着 缓冲这种无功能量的作用。单相桥式逆变电路工作波形如图2.6所示。图2.6单相桥式逆变电路工作波形分析其工作过程：设在t1时刻前Q1

13、和Q4导通，输出电压Uo为Ud， t1时刻Q3和Q4栅极信号反向，Q4截止，而因负载电感中电流不能突变， Q3不立刻导通，D7导通实现续流。因为Q1和D6同时导通，所以输出电压 为0。到t2时刻Q1和Q2栅极信号反向，Q1截止，而Q2不能立刻导通，D5续流，和D7构成电流通道，输出电压-Ud。到负载电流过零并开始反向 时，D5和D7截止，Q2和Q3开始同时导通，仍然为-Ud。在t3时刻Q3和 Q4栅极信号再次反相，Q3截止，而Q4不能立刻导通，D8导通续流，Uo再 次为0。以后的过程与前面类似。2.2.3控制电路设计1. PWM控制原理PWM (Pulse Width Modulation)控

14、制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。PWM控制的方法可分为三类，即计算法、调制法和跟踪控制法。其中， 调制法是较为常用的也是基本的一类方法，而调制法中最基本的是利用三 角载波与正弦信号波进行比较的调制方法，分为单极性调制和双极性调 制。本次设计采用的单相桥式逆变电路既可以采用单极性调制，也可以采 用双极性调制。在本次设计中，采用了双极性PWM调制技术。以下是双极 性PWM调制的原理。双极性PWM控制原理示意图如图2.7所示。采用双极性PWM调制技术 时，以希望得到的交流正弦输出波形作为信号波，采用三角波作为载波， 将信号波与载波进行比较,

15、在信号波与载波的交点时刻控制各开关的通断。 在信号波的一个周期内，载波有正有负，调制出来的输出波形也是有正有 负，其输出波形有Ud两种电平。用Ur表示信号波,，Uc表示载波。当 UrUc时，给Q1、Q4施加开通驱动信号，给Q2 、Q3施加关断驱动信 号，此时如果负载电流io0则Q1 、Q4开通，如果io 0，则D6 、 D8开通，但输出电压均为Uo=Ud 。反之，则Q2、Q3或D5、D7开通， Uo= -Ud 。图2.8中，Uof是输出电压Uo的基波分量。蓦/图2.7双极性PWM控制方式波形2. 控制电路设计控制电路的工作流程是:信号发生（包括产生信号波和载波）、信号调 制、产生IGBT的驱动

16、信号。附录图2给出了控制电路的原理图。在本实验中，控制电路采用两片集成函数信号发生器ICL8038为核心， 其中一片产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号 经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即 SPWM波。Um经反相器后，生成两路相位相差180度的PWM波，再经触发 器CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1 和 SPWM2波，作为主电路中两对开关管IGBT的控制信号。控制电路还设置 了过流保护接口端STOP，当有过流信号时，STOP呈低电平，经与门输出低 电平，封锁了两路SPWM信号，使IGBT关断，

17、起到保护作用。ICL8038 是精密波形发生器，它产生的波形的频率可以从 0.001Hz到300Hz。其内部结构如图2.8所示。比较糯图2.8 ICL8038内部结构图原理：是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片 8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比 较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM 波。Um经反相器后，生成两路相位相差180度的PWM波，再经触发器MC4528 延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2 波。2.2.4驱动电路与保护电路设计电力电子器件的驱动电

18、路是电力电子主电路与控制电路之间的接口， 是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大影响。采用性能良 好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩小开关时 间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就近设在驱动电 路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计尤为重要。本次设计采用了三菱公司生产的专用于驱动IGBT的驱动器M57962L。 它的内部集成了退饱和、检测和保护单元，当发生过电流时能快速响应， 但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。其内部结构方框图如图2.9 所示，它由光电耦合器

19、、接口电路、检测电路、定时复位电路以与门极关 断电路组成。M57962L具有以下几个特点：1. 采用快速型光电耦合器实现电气隔离，具有较高的输入、输出隔离 度。2. 采用双电源供电方式，确保IGBT可靠通段。3. 内部集成了短路和过流保护电路M57962L的过流保护电路通过检测IGBT的饱和压降来判断是否过流，一旦过流，M57962L将对IGBT实施软关 断，并对外部电路输出故障信号。图2.9 M57962L的内部结构图采用M57962L设计的驱动电路如图2.10所示。M57962LMC7aO9GT图2.10驱动电路2.3元器件型号选择根据任务要求，可知直流侧输出电压最大为50V，交流侧输出电

20、压气 约为45V，输出最大电流为2A，最大功率为100W。01. 整流电路器件选择当直流侧输出电压最大时，由于U = 0.9U(2-1)计算得变压器二次侧电压U 525.6V。所以变压器匝数比K=U(2-2)计算得K4，本设计取K=5。U2二极管所承受最大电压一般电网的波动范围为主10%，所以二极管两端电压为V =1.1X72 X55.6e86.5V，可额定电压、额定电流分别为100V、3A 的1脸08二极管。2. IGBT型号的选择IGBT两端所承受的最大电压为U =V2u 二巨 X50e70.7V负载最大电流为2A，选择IGBf时电压电流应留有2至3倍的裕量，所 以可选IGBT的额定电压、

21、额定电流分别为U =3X70.7=212.1V，i =3X2=6A；可选择额定电压、额定电流分别为400V、 5A的型号为2N6975的0IGBT。第3章 课程设计总结课程设计是大学必修的一门课，是我们专业知识得到实践的必要环节， 这是我们步入社会，从事职业前必不可少的过程。单相交-直-交变频电路由主电路和控制电路两部分组成。在整流电路 中，采用不可控的二极管整流电路，直流输出侧用电容进行滤波，可得到 较为平直的直流电压。此部分电路结构简单，选材广泛，且能满足设计要 求，比较适合实验室中使用。控制电路以两片ICL8038为核心搭建，其中 一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波U

22、c，再经过相应 电路处理，最终产生两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1 和SPWM2波。驱动电路以IGBT专用驱动器M57962L为核心搭建，并利用其 自带的过流检测功能设计保护电路。经Multisim软件进行仿真，此次设计 能基本满足设计要求。在设计进行的过程中，由于知识限制，自己也遇到了许多问题，但得 到了指导老师们的细心辅导与耐心帮助。老师们的辅导与答疑，使自己得 以顺利地完成此次设计。当然，由于水平有限，此次设计难免会有不足之 处，恳请各位老师批评指正。本人签字:参考文献1 王兆安，刘进军主编.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2009,52 李宏.MOSFET、IG

23、BT驱动集成电路与应用.北京:科学出版社,20123 康华光主编.电子技术基础模拟部分.北京:高等教育出版社,2006,14 冷增祥，徐以荣编著.电力电子技术基础.南京:东南大学出版社,20125 曾方主编.电力电子技术.西安:西安电子科技大学出版社,2014,16 郝万新主编.电力电子技术.化学工业出版社，2002220 Vrms50 Hz 01N5408D21N5408Q1 2N6975 木 1N4007D6T15:1V9C12200叶1HC2*1kQ-4-2N6975jL1N4007D7D3Jk 1N5408D4Jk 1N5408D5)Q2 2N6975 木 1N4007Q4D8坐N6975木1N4007图1主电路i.Dkq IIIWp图2控制电路VEEM57962L6H=0.1 pFMC7S09CTLD1L VREG图3驱动电路图4保护电路图5整体仿真波形