单相交直交变频电路

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）任务及评语院（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、观察及验证单相交-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50Hz6、最大功率：100W。指导教师评语及成绩平时成绩：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%。本科生课程设计（论文）I摘要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—直—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控制本科生课程设计（论文）II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....................................................................................72.2.4驱动电路与保护电路设计..............................................................102.3元器件型号选择........................................................................................11第3章课程设计总结............................................................................................13参考文献..................................................................................................................14附录........................................................................................................................15本科生课程设计（论文）1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—直—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，广泛的适用范围及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、逆变电路以及驱动电路等组成。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、观察及验证单相交-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。本科生课程设计（论文）24、输出最大电流2A。5、输出频率50Hz。6、最大功率：100W。本科生课程设计（论文）3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，选择方案一。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。本科生课程设计（论文）4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。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、D4正向导通，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，市电交流单相桥式整流电路滤波电压型逆变电路交流输出控制电路变压器T15:1CD11N5408D21N5408D31N5408D41N5408V9220Vrms50Hz0°R本科生课程设计（论文）5D1、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本科生课程设计（论文）62.2.2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以及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,Q3触发信号，给Q1,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