单相桥式逆变电路的设计

《电力电子技术》课程设计说明书单相桥式逆变电路的设计学院：电气信息与工程学院学生姓名：刘子豪指导教师：肖文英职称副教授专业：电气工程及其自动化班级：电气1505班学号：15030720554完成时间：2018年6月I湖南工学院电力电子技术课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院专业：电气工程及其自动化专业\自动化专业指导教师肖文英学生姓名刘子豪课题名称单相桥式逆变电路的设计内容及任务一、设计任务设计一个单相桥式逆变电路，已知直流输入电压100V，负载自拟，要求交流输出电压频率范围在30～60HZ，电压30～50V范围可调，其它性能指标自定。二、设计内容1、关于本课程学习情况简述；2、主电路的设计、原理分析和器件的选择；3、控制电路的设计；4、保护电路的设计；5、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。主要参考资料[1]王兆安,王俊编.电力电子技术(第5版).北京:机械工业出版社,2012[2]黄俊,秦祖荫编.电力电子自关断器件及电路.北京:机械工业出版社,1991[3]李序葆,赵永健编.电力电子器件及其应用.北京:机械工业出版社,1996教研室意见教研室主任：（签字）年月日II摘要在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要把这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电动机调速用的变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。本次设计采用的是PWM型逆变电路。为了对PWM型逆变电路进行分析，首先建立了逆变器控制所需的电路模型，采用IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和PWM控制电路的工作原理进行了分析，运用MATLAB中的SIMULINK对电路进行了仿真，给出了仿真波形，并运用MATLAB提供的powergui模块对仿真波形进行了FFT分析（谐波分析）。通过仿真分析表明，运用PWM控制技术可以很好的实现逆变电路的运行要求。在本次设计中我主要负责设计过程中搜集资料、数据的计算以及相关文档的整理。关键词：逆变电路；PWM控制技术；换流III目录1绪论................................................................12课程设计的方案......................................................22.1概述..........................................................22.2系统组成方案..................................................22.2.1单相桥式整流电路的结构................................22.2.2单相桥式无源逆变电路的结构............................33主电路设计..........................................................43.1单相桥式整流主电路............................................43.1.1单相桥式整流主电路图..................................43.1.2工作原理..............................................43.2单相桥式无源逆变电路主电路....................................53.2.1单相桥式整流电路主电路图..............................53.2.2工作原理..............................................63.3主要元器件的选择.............................................64控制电路设计........................................................94.1单相桥式整流电路控制..........................................94.1.1触发电路..............................................94.1.2保护电路.............................................104.2单相桥式无源逆变电路控制电路.................................114.2.1驱动电路.............................................114.2.2保护电路.............................................125MATLAB仿真........................................................145.1单相桥式整流电路的仿真.......................................145.2单相桥式无源逆变电路的仿真...................................176课程设计总结.......................................................19参考文献..............................................................2011.绪论整流电路就把交流电转换为直流电的电路。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定，其作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。另外，还有采用全控型器件的电路，其主要控制方式为PWM脉宽调制式，后来，又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC），随着全控型电力电子器件的发展，电力电子电路的工作频率也不断提高。同时，电力电子器件的开关损耗也随之增大，为了减小开关损耗，软开关技术便应运而生，零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）把电力电子技术和整流电路的发展推向了新的高潮。逆变电路与整流电路相对应，是把直流电变成交流电的电路。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；而无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载，即将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。另外，逆变电路输出电压基波方均根值随外加控制信号电压的大小作连续调节。逆变电路的基本功能固然是将直流电能改变成所需频率的交流电能，但含逆变电路的工业特殊交流电源，除了必须具备变频功能之外，还要求其出端电压在一定范围内连续可调。例如：交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。再例如，为了防止交流电动机磁路饱和，用于变频调速的电源输出电压需要与工作频率同步调节,以保持U/f值为常数（其中U为电源输出基波电压方均根值,f为工作频率）。为了适应不同工件和工艺规范的需要，用于感应加热的电源输出功率需要在一定范围内连续可调（相当于电源输出电压可调）。为了在电网和负载波动条件下维持输出电压恒定，各种恒压电源（如不停电电源等）必须具备输出电压快速调节的功能等等。22.课程设计的方案2.1概述本次设计主要设计单相桥式整流电路和单相全桥无源逆变电路。这两个电路在电力电子这门课程中算是比较简单的电路，但同时也是基础型的电路。这次设计不仅可以更直观的了解电路的工作情况和各个器件的工作原理，使自己对电力电子知识的掌握更加清晰、牢固。同时可以通过对比来分辨两个电路的不同作用。整流电路要求输入单相电网220V，输出电压0~100V，电阻性负载，，R=20欧姆，通过设计整流电路并按照要求参数进行仿真，可以得到相应的波形。逆变电路要求单相全桥无源逆变，输出功率200W，输出电压100Hz方波，应采用无源方波逆变电路，通过对参数的正确设置，就可以仿真出所求波形。2.2系统组成总体结构2.2.1单相桥式整流电路的结构单相桥式整流电路在输入单相电源后经过变压器带动驱动电路使晶闸管处于通状态来控制整流电路的通断，整流电路与负载相连得到整流后的波形，保护电路在整个过程中保证电路的正常运行，防止过压或过流情况的发生。图2.1单相桥式整流电路的结构单相电源驱动电路单相桥式整流电路负载保护电路32.2.2单相全桥无源逆变电路的结构无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载，即将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。直流侧与电源相接，通过滤波电路得到需要的电压范围，整流电路将直流电压转换成交流电，输出给负载，控制电路全程逆变控制电路的通断。图2.2单相桥式无源逆变电路的结构直流电源逆变输入滤波负载输出滤波控制电路43.主电路设计3.1单相桥式整流电路主电路3.1.1单相桥式整流主电路图图3.1单相桥式整流主电路图3.1.2工作原理如上图所示，晶闸管VT1和VT2组成一对桥臂，晶闸管VT4和VT3组成另一对桥臂。当u2为正半周时，在ωt=α瞬间给VT1和VT4以触发脉冲，则电流i2从a→VT1→Rd→VT4→b,VT2和VT3均承受反向电压而关断；在电源电压u2的负半周期时，仍在控制角α时刻触发VT2和VT3，电流i2从b→VT3→Rd→VT2→a,如此一个个周期周而复始地重复、循环。VT1VT3VT2VT4Rdu2i2ab5由于单相桥式整流电路直流电压在一个周期内有两个波头，故整流电压平均值可2/cos129.0)sin22(Ud0UtdtU当α=0°时，晶闸管全导通，相当二极管的不可控整流，Ud=0.9U2为最大值；当α=90°时，Ud=0，为最小值，可见，其移相范围为90°。对电路来说,晶闸管的选取会影响到电路的功能和输出,因此,晶闸管的参数的选取十分重要,决定晶闸管性能的主要参数有:主要电压参数包括断态重复峰值电压,反向重复峰值电压,反向击穿电压,通态平均电压和断态电压临界上升率。主要电流包括通态平均电流，断态平均电流，维持电流，掣住电流和浪涌电流等。因此，出于对电路输出的考虑，选取KP1型晶闸管，其主要参数为：通态正向平均电流It为1av,断态正反向重复峰值电压Udrn,Udrrm为50～160V，门极触发电压Vgt为≤2.5V，门极触发电流Igt为≤20mA。根据以上参数可求得晶闸管承受的最大正、反向电压都是2U2。流过每个晶闸管的电流平均值和有效值公式分别为dIdIdvI5.0Idvt22IdIdIdv2122Idvt3.2单相桥式无源逆变电路主电路3.2.1单相桥式无源逆变主电路图图3.2单相桥式无源逆变主电路图VD1VT3VD2VT1VD3VT2VT4VD4ABUduo,ioLoRo63.2.2工作原理单相桥式无源逆变电路如上图所示，从图中可看出，它由两对桥臂组合而成，VT1和VT4构成一对导电臂，VT2和VT3构成另一对导电臂，两对导电臂交替导通180度。其工作过程如下：t=0时刻以前，VT2、VT3导通，VT1、VT4关断，电源电压反向加在负载上，Uo=-Ud。在t=0时刻，负载电流上升到负的最大值，此时关断VT2、VT3，同时驱动VT1、VT4，由于感性负载电流不能立即改变方向，负载电流经VD1、VD4续流，此时，由于VD1、VD4导通，VT1、VT4受反压而不能导通。负载电压