辽宁工业大学100W单相交-直-交变频实验装置

1、辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文）题目：100W单相交-直-交变频实验装置院（系）： 新能源学院 专业班级： 电气141 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：1本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：新能源学院 教研室： 电气学 号学生姓名专业班级 课程设计（论文）题目100W单相交-直-交变频实验装置课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能为了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1、方案的经济技术论证。2、整流电路设计。3、逆变电路设计。4、

2、通过计算选择器件的具体型号。5、驱动电路设计或选择。6、绘制相关电路图。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理论分析与计算要正确。3、文中的图表工整、规范。4、元器件的选择符合要求。技术参数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最大功率：100W。进度计划 第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：输入整流滤波电路设计；第5天：逆变电路设计；第6天：控制电路设计；第7天：器件选择；第8天：系统调试或仿真；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量：

3、 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算13                                        

4、0;                                                 

5、0;                       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

6、作原理和作用特性意义十分重大。 本文研究的单相交-直-交变频电路可分为主电路和控制电路，其主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路，而控制电路包括控制电路、驱动电路和保护电路。对于整流部分采用不可控制整流电路；滤波部分采用LC低通滤波器，得到高频率的正弦波交流输出；逆变部分由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路。控制电路选用以单片集成函数发生器ICL8038为核心组成，生成两路PWM信号，分别用于控制两对IGBT；驱动电路采用了具有电气隔离集成驱动芯片M57962L；保护电路采用双D触发器CD4013。关键词：整流；滤波；逆变；IGBT；PWM。目录第1章 绪论11.1 电力电

7、子技术概况11.2 本文设计内容2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32.2具体电路设计32.2.1主电路设计32.2.2整流电路42.2.3滤波电路52.2.4逆变电路62.2.5控制电路设计82.2.6驱动电路92.3器件参数的确定11第3章 课程设计总结12参考文献13附录14第1章 绪论1.1 电力电子技术概况随着科技的不断发展和人们要求的不断提高，电力电子技术的应用越来越广泛。当今世界先进工业国家正处于由“工业经济”模式向“信息经济”模式转变的时期。电力电子技术作为信息产业和传统产业之间的桥梁，是在非常广泛的领域内改造传统产业、支

8、持高新技术发展的基础。因此，电力电子技术将在国民经济中扮演者越来越重要的角色。集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式。但是在配电网中，城市居民和商业用户、农村和半城镇区域的负荷具有很大的随机波动性。家用空调随气温变化的无规律启停，降水降雪和大风的无常发生，以及其他不确定因素所引起的负荷变化给配电网的规划、设计和运行带来了巨大的难题和挑战。特别是在我国中西部的偏远地区的农村和一些游牧民族地区，如果采用传统的集中式供电方式，新建配电网络，不仅在技术上实现起来难度非常大，而且在经济效益上也是不可取的。因此，欧美的电力专家提出了投资省、发电方式灵活、与环境兼容的

9、分布式发电与大电网联合运行的方式，以提高了电力系统运行的灵活性、可靠性和安全性。目前，大电网与分布电网相结合被世界许多电力专家公认为是能够节省投资降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式，是21世纪电力工业的发展方向。一般来说，分布式发电指的是通过规模不大、分布在负荷附近的发电设施，为了满足一些特殊用户的需求，经济、高效、可靠的发电系统。近年来，分布式发电技术的研究取得了突破性的进展，分布式发电有望在电能产中占有越来越大的比重，并对传统的电力系统供电方式产生重大的影响。 通常这些发出的电都不是与电网供电系统相同的交流电，无法与大电网联网或者直接供给普通负载使用，都需要变频装置将

10、其变换成负载可以使用的交流电或者与大电网电压、频率相匹配的工频交流电。因此，针对特定的分布式发电技术研究与其相配套的变频电路就很有必要。1.2 本文设计内容 本文设计的是100W单相交-直-交变频实验装置。主要是由整流电路、逆变电路以及滤波器组成。 设计任务 1、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。6、绘制相关电路图。 技术参数 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、

11、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 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，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。交流整流直流逆变交流单相桥式滤波单相桥式IGBT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2.2.1主电路设计                图2.2 主电路

12、原理图 如图2.2所示，交直流变换电路为不可控整流电路，输入的交流电通过变压器和桥式整流电路转化为直流电，滤波电路用电感和电容滤波，逆变部分采用四只IGBT管组成单项桥式逆变电路，采用双极性调制方式，输出经LC低通滤波器滤波，滤除高次谐波，得到频率可调的交流电。2.2.2整流电路 整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成，主电路多用硅整流二极管组成，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。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹

13、配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。 此部分结构简单、工作可靠,其性能满足实验的需要，故采用桥式整流电路。其作用是将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能。 电路图如下：      图2.3 整流滤波电路1. 桥式整流器工作原理： 正向导通为D1和D4，反向导通为D2和D3。当一个二极管短路时，则其余二极管过流烧毁；当一个二极管开路时，则整流电路变成半波整流。 U2的波形：2图2.4 的波形Ud的波形图2.5的波形 2.主要的数量关系 输出电压平均值空载时R=，放

14、电时间常数为无穷大，输出电压最大，Ud=U2。通常在设计时根据负载的情况选择电容C值，使RC T ，T为交流电源的周期，此时输出电压为Ud=1.2U2。设计要求中间直流电压最大为50V，即Udmax=50V，所以U242V。又单相电压220V，故变压器变比约为5。 2.2.3滤波电路 滤波电路的原理及作用：滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。 在交流电源转换直流电源后，电路会有电压波动，为抑制电压的波动，采用简单的电容滤波。当流过电感的电流变化时

15、，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大，在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在RL>>L时才能获得较好的滤波效果。L愈大，滤波效果愈好。另外，由于滤波电感

16、电动势的作用，可以使二极管的导通角接近，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。 2.2.4逆变电路 逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压转换为所要频率的交流电压，逆变电路是与整流电路相对应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路。逆变电路是通用变频器核心部件之一，起着非常重要的作用。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，将直流电能变换为交流电能的变换电路。 本方案中的逆变部分,采用单相桥式逆变电路,PWM控制,输出电压的大小及频率均可通过PWM控制进行调

17、节。电路如下：图2.6 逆变电路 1. 主要的数量关系 全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的。下面对其电压波形作定量分析。把幅值为Ud 的矩形波Uo展开成傅里叶级数得其中，基波的幅值和基波有效值分别为： 2.变频器的工作原理 以单相桥式逆变电路为例，S1-S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。用可控开通、可控关断的电力电子开关，切换电流方向，将直流电能转换成交流电能。             

18、60;         图2.7开关示意图图2.7 开关示意图S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压Uo为正  S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压Uo为负 3.脉宽调制原理 脉宽调制技术：通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（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

19、双极性调制。本实验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2.8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,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Ur > Uc

20、60;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io > 0 则V1 、V4 开通,如果io < 0 则VD1 、VD4开通,但输出电压均为Uo=Ud 。反之，则V2、V3或VD2、VD3开通,Uo= -Ud 。图2.8中,Uof是输出电压Uo的基波分量图2.8 双极性PWM控制的原理2.2.5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

21、号调制、产生IGBT的驱动信号。附录图3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

22、两路SPWM信号，使IGBT关断，起到保护作用。 在图2.2 所示的电压型单相桥式逆变电路中,需要注意的一点是,V1 和V4 不能同时导通,V2 和V3 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”,避免直通。附录图3 的控制电路中使用了单稳态多频振荡器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2.9 所示。

23、60;         图2.9  ICL8038 内部功能结构图原理：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MC14528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。 2.2.6驱动电路

24、 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M57959L 驱动芯片。它可以完成以下功能: （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通断所需要的合适的驱动信号。 （3）保护  具有退

25、饱和保护功能,防止过流、短路的损坏器件。驱动电路图：       图2.10 驱动电路保护电路图：       图2.11 保护电路M57962L芯片原理图：   图2.12 M57962L芯片2.3器件参数的确定 已知单相电压220V1=U，21.2U=Ud。设计要求中间直流电压最大为V50，输出电流最大A2，输出交流电压约45V，输出最大电流2A，最大功率：100W。  1、变压器的选择 变压器副边电压=42V=，变比K=,容量2、二极管的选择 二极管的额定电压： (23) ×=(118.79178.19)V=´= 额定电流：  =(1.52) ×(34)A 3、IGBT的选择 I