单相交直交变频试验装置汇总

1、辽 宁 工 业 大 学 电力电子技术课程设计（论文） 题目：单相交直交变频实验装置 院（系）： 电气工程学院 专业班级：电气 091 学 号：090303007 学生姓名： 张宝全 指导教师： （签字） 起止时间： 2011.12.27-2012.1.6 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 课课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：电气教研室 号 学 全 宝 张 置 装 验 课程设计（论文）任务 大 电压 最 通 流 5。 生 直 A。 学 。 间 2 ，使 法 中 流 ， 方 ， 电 装置 现 全 大 数 此装 实 。 安 最 参 计 频的 真

2、T的 出 术 设 频 仿 BT 输 。 G 、 技 ， 交 b I4 、 验 - 证 tla 了 。 、要 教学 交 技术 型号 m。 2、 4 、 教 交 济 体 或 书 。 约 能 的 相 经 具 。 试 明 0V压 功 程 单 的 的 择 调 说 2电 务及 术课 证 案 件 选 。 拟 右 2 流 务 术 验 方 。 。 器 或 图模 左 相 交 任 技 及 频 计 计 择 计 路行 字 单 出 设计 电子 察 要求 变 设 设 选 设 电 进 00 ： 输 设 电 观 要 交 路 路 算 路 关室 00 源 、 的 力 、 与 -电 电 计 电 相验 4 电 3。 完成 功能 足电

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4、 平总 注：成绩：平时 20% 论文质量 60% 答辩 20% 以百分制计算 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 摘要 随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，单相交直交 变频系统得到了迅速发展，其显著的变频能力，宽泛的应用范围，完善的保护 功能，以及易于实现的变频功能，得到了广大用户的认可，在运行的安全可靠、 安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利。因此，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。 本文研究了变频调速系统的基本组成部分， 主回路主要有三部分组成： 将工 频电源变换为直流电源的“整流器” ；吸收由整流器和逆变

5、器回路产生的电压脉 动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器” 。使 用 Matlab/Simulink 搭建交直交变频系统的仿真模型，通过试验对该交直 交变频系统的基本工作原理、 工作特性及作用有更深的认识， 也对谐波对于交 直交变频系统的影响有了一定的了解。 关键词： 交直交变频；整流；逆变；谐波；仿真 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 目录 第 1章 绪论. 1 1.1 电力电子技术概况 1 1.2 本文设计内容 1 第 2 章 单相交直交变频电路设计 . 3 2.1 单相交直交变频电路总体设计方案 3 2.2 具体电路设计 3 2.

6、2.1 主电路设计 3 2.2.2 驱动电路设计 5 2.2.3 控制电路设计 6 2.3 元器件型号选择 7 2.4 单相整流逆变电路的仿真模型 8 第 3章 课程设计总结 . 12 参考文献 . 13 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 第1章 绪论 1.1 电力电子技术概况 电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术， 就是使用电力电子器 件（如晶闸管， GTO， IGBT 等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术 所变换的 “电力 ”功率可大到数百 MW 甚至 GW，也可以小到数 W 甚至 1W 以下， 和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术

7、主要用于电力变换。 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。

8、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 本文设计内容 实现功能 为满足电力电子技术课程的教学实验， 设计此装置，使学生通过该装置测试、 观察及验证单相交 -直 -交变频的实现方法。 设计任务与要求 1、交-直-交变频方案的经济技术论证。 2、整流电路设计。 3、逆变电路设计。 4、通过计算选择器件的具体型号。 5、驱动电路设计或选择。 辽

9、 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 6、绘制相关电路图。 7、在实验室进行模拟调试或 matlab 仿真 8、完成 4000 字左右说明书。 技术参数 1、交流电源：单相 220V。 50V。 2、为了 IGBT的安全，中间直流电压最大为 3、输出交流电压约 45V。 4、输出最大电流 2A。 5、最大功率： 100W。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 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 如图 2.1 交直交变频器原理是先把交流电经整流器先整流成直流电，直流中 间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，再经过

10、逆变器把这个直流电流变成频率 和电压都可变的交流电。 图 2.1 单相交直交变频电路总体方案图 2.2 具体电路设计 图 2.2 单相交直交变频电路原理图 如图 2.2 交直交变频电路由两部分组成，交直交直流为整流部分，采用不可 控的二级管整流电路，直流侧用电容和电感进行滤波，可得到平直的中间直流电 压。此部分结构简单可靠，性能满足实验的需要。 直流变交流为逆变部分，采用单相桥式逆变电路， PWM控制，输出电压的大 小及频率均通过 PWM控制进行调节。由于中间直流环节为电容滤波，因此图 2.2 的逆变电路为电压型。 PWM控制技术即脉冲宽度调制技术，是通过对脉冲的宽度 辽 宁 工 业 大 学

11、课 程 设 计 说 明 书 （论文） 进行调制，来等效的获得需要的波形。 PWM控制在你变电路中的应用最为广泛， 目前中小功率的逆变电路几乎都采用了 PWM控制技术。 PWM控制技术对逆变电路 的影响十分深刻。 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，也可以采用双极性调制。在本实验装置中，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 2.3 所示。采用双极性炮 PWM 调制技术 时，以希望得到的交流正弦输出波形

12、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，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 两种电平。用 ur 表示信号波， uc表示载波，当 ur uc 时，给V1 、V4施加开通驱动 信号，给 V2 、V3施加关断驱动信号，此时如果 i0 0 ，则V1、V4开通，如果 i0 0， 则VD1 、 VD4开通，但输出电压均为 u0 Ud 。反之，则 V2、V3或VD2、VD3开通， u0 -U d 。图中， uof 是输出电压 u0的基波分量。 图 2.3 双极性 PWM控制的原理 辽 宁 工 业 大

13、学 课 程 设 计 说 明 书 (论文) 2.2.2 驱动电路设计 图 2.4 驱动电路原理图 如图 2.4，驱动电路作为控制电路和主电路的中间环节。 主要任务是将控制电 路产生的控制器件通断的信号转化为器件的驱动信号。 本实验中使用了目前广泛应用的一种集成驱动芯片三菱公司的 M57950L 驱动芯片。它可以完成一下功能： (1) 电气隔离 全桥电路的 4 个管子的驱动信号并不都是共地的， 为此需要将 控制信号进行隔离，另外，控制电路的电压等级低，而主电路电压等级高，为了 避免干扰，也必须进行电气隔离 (2) 波形整形 将控制电路产生的信号转化为控制 IGBT 通断所需要的驱动 信号。 (3)

14、 具有过流保护功能。通过检测 IGBT管的饱和压降来判断 IGBT 是否过流， 过流时， IGBT 管的 CE 结之间的饱和压降升到一定的值，使 8 脚输出低电平，在 光耦 TLP521-1输出端 OC1变成高电平，经过过流保护电路 ,如图 2.5，使4013输 出 Q 端变成低电平送给控制电路，起到了封锁保护作用。 图 2.5 保护电路设计 图 2.6 CD4013 原理图 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 4013 芯片原理： 如图 2.6 ，设电路初始状态均在复位状态， Q1、Q2端均为低电平。 当fi 信号 输入时，由于输入端异或门的作用 （ 附表是异或门逻

15、辑功能表 ） ，其输出还受到触 发器IC2的Q2端的反馈控制 （非门F2是增加的一级延迟门， A点波形与 Q2相同） 。 在第 1个fi 时钟脉冲的上升沿作用下， 触发器 IC1、IC2均翻转。由于 Q2端的反 馈作用使得异或门输出一个很窄的正脉冲，宽度由两级D触发器和反相门的延时 决定。当第 1个fi 脉冲下跳时，异或门输出又立即上跳， 使IC1触发器再次翻转， 而 IC2 触发器状态不变。这样在第 1 个输入时钟的半个周期内促使 IC1 触发器的 时钟脉冲端 CL1有一个完整周期的输入，但在以后的一个输入时钟的作用下，由 于 IC2触发器的 Q2端为高电平，IC1触发器的时钟输入跟随 fi

16、 信号（反相或同相 ） 。 本来 IC1 触发器输入两个完整的输入脉冲便可输出一个完整周期的脉冲，现在由 于异或门及 IC2触发器 Q2端的反馈控制作用，在第 1个 fi 脉冲的作用下得到一 个周期的脉冲输出， 所以实现了每输入一个半时钟脉冲， 在 IC1 触发器的 Q1端取 得一个完整周期的输出。 2.2.3 控制电路设计 控制电路原理图 图 2.7 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 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 的驱动信号。图 2.7 给出了控制电路的原理图 在本实验装置中，采用两片 ICL8038 分

17、别产生正弦信号波和三角波载波。根 据双极性 PWM 信号。在图 1 所示的电压型单相桥式逆变电路中需要注意的一点 是 不能同时导通， 不能同时导通，否则将使直流侧发生短 路。为避免两对器件同时导通，需要在两对器件的开关状态切换时设置死区，确 保先断后通。图三的控制电路中使用了单稳态多频率振荡器 4528 来实现死区的控 制。 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 图 2.8 ICL8038 内部功能结构图 2.3 元器件型号选择 1) 二极管参数计算： I 2 Id I 2A 流过每个二极管的电流是 Id I

18、VT I d2 2AIN (1.52)IVT 2.122.8A UN (23)U2 112 168V 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 所以选择 150v/2.5A 的二极管 U2 U0.9d 56V U1 220V n 4:1 U 2 56V 2）变压器变比计算： 所以选择变比为 4：1 的变压器最好。 3) IGBT 参数计算： U RM 2U 2 79V UN (2 3)U RM 158 237V IN (1.5 2)IVT /1.57 1.35 1.80A 所以选 220v/2.5A 的 IGBT 管。 2.4 系统的仿真 单相整流逆变电路的仿真模型如图 2

19、.9所示，由图可知，单相 50Hz 交流电 源经单相不控整流环节，进行 LC 滤波后即为中间直流环节。再进入 PWM 逆变， 又一次 LC 滤波后，连接到需要不同于 50Hz 的交流电单相负载。 万用表检测不控 整流桥与逆变桥的电力电子元件的电压与电流， 示波器还检测输出负载电压波形。 图 2.9 单相整流逆变电路的仿真模型 对于单相控制方式的逆变电路，有如下参数： 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 载波比 N载波频率 fc 与调制信号频率 fr 之比，即 N=fc/fr 。 调制度 m 调制波幅值 Ar 与载波幅值 Ac 之比，即 m=Ar/Ac 。 输出电压基波

20、幅值 Ud1m=mUd，其中， Ud 为直流侧电源电压。 将调制度 m 设置为 0.9，调制波频率设为 50Hz，载波频率设为基波的 30倍， 仿真时间设为 0.04s，在 powergui 中设置为离散仿真模式， 采样时间设为 le-006s， 运行后可得仿真结果，建立 m 文件，程序如下所示： （示波器名称设置为 inv） subplot（2，1，1）； plot（inv.time,inv.signals（1）.values）； title（输出电压波形）； plot（inv.time,inv.signals（2）.values）； title（输出电流波形）； 运行此文件后，可得输出电压

21、和电流波形图所示 图 2.10 逆变电路输出波形 从图 2.10 中可以看出，输出电压 Uo 为单极性 PWM行电压脉冲宽度符合正弦 规律变化，交流电流 Io 接近正弦波形，直流电流含有直流分量。利用 MATLAB提 供的 powergui 模块，对上图中的输出电压 Uo和输出电流 Io 进行 FFT 分析得到图 2.11 所示 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 图 2.11 单相桥式逆变电路输出电压波形的 FFT 分析 图 2.12 单相桥式逆变电路输出电流波形的 FFT 分析 由图 2.12 可知：在 Ud=300V，m=0.9，fc=1500Hz，fr=50H

22、z，即 N=30时, 输 出电压的基波电压的幅值为 Ud1m=269.6V，基本满足理论上的 Ud1m=mU。d谐波分 不中最高的为 30 次谐波，考虑最高频率为 4500Hz时的 THD达到 121%。 由图 2.12 可知：输出电流基波幅值 Id1m为 246.8A，谐波分不中最高的为 30 10 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 次谐波，考虑最高频率为 4500Hz时的 THD=9.47%，输出电流近似为正弦波 11 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 第 3章 课程设计总结 两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习

23、的知识， 也培养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。学 会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从 事职业工作前一个必不少的过程 ”千里之行始于足下 ”，通过这次课程设计，我 深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实 地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础 通过这次课程设计，本人在多方面都有所提高。通过这次课程设计，综合运 用本专业所学课程的理论和实际知识实际运用从而培养和提高学生独立工作能 力，巩固与扩充了单相交直交变频装置设计等课程所学的内容，掌握了方法和步 骤，怎样确定方案，了解了电路的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉 了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了 在这次设计过程中，体现出自己单独设计电路的能力