单相交直交变频电路设计

1、武汉理工大学 基础强化训练附件 1：学学 号：号： 0121011350327基础强化训练基础强化训练题题 目目单相交直交变频电路性能研究 学学 院院自动化学院专专 业业班班 级级姓姓 名名指导教师指导教师2012 年7月10日武汉理工大学 基础强化训练1 总体原理图.31.1 方框图 .41.2 电路原理图 .41.2.1 主回路电路原理图.41.2.2 整流电路.41.2.3 滤波电路.51.2.4 逆变电路.62 电路组成.82.1 控制电路 .82.2 驱动电路 .92.3 主电路 .103 仿真结果.113.1 仿真环境.113.2 仿真模型使用模块提取的路径及其单数设置.113.3

2、 具体仿真结果 .143.3.1 仿真电路图.143.3.2 整流滤波输出电压计算与仿真.153.3.3 逆变输出电压计算与仿真.164 小结心得.185 参考文献.19武汉理工大学 基础强化训练基础强化训练任务书基础强化训练任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 单相交直交变频电路性能研究 初始条件：初始条件：输入为单相交流电源，有效值 220V。要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : （1）掌握单相交直交变频电路的原理；（2）设计出系统结构图，并采用 matlab 对单相交流调压电路进行仿真；（3）采用 protel 设计出单相交直交变频电路主电路、驱动电路、控

3、制电路时间安排时间安排：2012 年 7 月 9 日至 2012 年 7 月 13 日，历时一周，具体进度安排见下表具体时间设计内容7.9指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求7.10开始查阅资料，完成方案的初步设计7.11由指导老师审核系统结构图，学生修改、完善7.12撰写课程设计说明书7.13上交课程设计说明书，并进行答辩参考文献：参考文献：1王兆安，刘进军.电力电子技术第 5 版.北京：机械工业出版社，2011指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日武汉理工大学 基础强化训练1 总体原理图1.1 方框图整流器滤

4、波器逆变器DCDC交流输入交流输出辅助电源PWM 波形 图 1 总体方框图1.2 电路原理图1.2.1 主回路电路原理图 图 2 主回路原理图如图所示，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输出。1.2.2 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和晶闸管组成，滤波器接在主电

5、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。变压器的作用武汉理工大学 基础强化训练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。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。 此外整个电路需要辅助的正负5V 的电源，故通过降压，整流，滤波，稳压得到稳定的正负5V 电压。 电路如下： 图3 整流滤波电路和辅助电源1.2.3 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

6、 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，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，阻止武汉理工大学 基础强化训练电流的减小，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

7、压的交流分量愈小。只有在RLL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。1.2.4 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装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

8、电路,PWM 控制,输出电压的大小及频率均可通过PWM 控制进行调节。电路如下：武汉理工大学 基础强化训练 图4 主电路A 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。 图5 开关示意图S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u uo o为正S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压u uo o为负B 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3三类,即计算法、调制法和跟踪控制法。

9、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 控制原理示意图如下图所示。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 两种武汉理工大学 基础强化训练电

10、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 。图中,uof是输出电压uo 的基波分量。 图6 PWM调制示意图2 电路组成采用SPWM正弦波脉宽调制，通过改变调制频率，实现交直交变频的目的。设计电路由三部分组成：即主电路, 驱动电路和控制电路。交直流变换部分（AC/DC）为不可控整流电路；逆变部分（DC/AC）由四只IGBT管组成单相

11、桥式逆变电路，采用双极性调制方式。输出经LC低通滤波器，滤除高次谐波，得到高频率的正弦波（基波）交流输出 。2.1 控制电路控制电路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，当有过流武汉理工大学

12、 基础强化训练信号时，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，起到保护作用。 图7 控制电路原理：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 驱动电路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

13、号转化为器件的驱动信号。它可以完成 电气隔离的功能，由于全桥电路的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。武汉理工大学 基础强化训练本实验中使用了目前广泛应用的一种集成驱动芯片 IR2110。IR2110 驱动功率器件，采用自举驱动方式，悬浮沟道设计使其能驱动母线电压小于 600V 的功率管。它可以仅用一个供电电源来实现对全桥电路 4 个管子的驱动，避免了以往桥式驱动中多独立电源的麻烦，还可以和主电路共地。 由于 MOS 管通常导通时间要小于截止时间，这样在交替导通的瞬间往往容易发生桥路短

14、路现象，改进的办法是在驱动臂上并联二极管 1N4148 来加速电流回吸，以起到加速截止的作用，使 MOS 管的截止加快。电路如下： 图 8 驱动电路2.3 主电路采用单相桥式逆变电路,共用到4 个开关器件,采用了目前应用最多的全控型电力电子器件之一的IGBT。在电路中，为了防止MOS管在开关的瞬间，尖锋电压导致MOS管被击穿，在桥路中加入了起缓冲嵌位作用的二极管，电阻和电容。电路如下：武汉理工大学 基础强化训练图9 主回路电路3 仿真结果3.1 仿真环境本次设计中用 Altium designer 画出原理图，仿真则主要用 Matlab 软件来仿真，用示波器观察整流和逆变的输出波形图，评估整个

15、系统的功能。3.2 仿真模型使用模块提取的路径及其单数设置 离散 PWM 发生器模块 Discrete PWM Generator 提取路径是： SimulinkSimPowerSystemsPower ElectronicsDiscrete Control BlocksDiscrete PWM Generator 信号终结模块 Terminator 提取路径是: SimulinkCommonly Used BlocksTerminator 交流电源模块:“Phase”初相角 0,“Frequency”频率 50Hz,“Sample time”采样时间 0(默认值 0表示该交流电源为连续源),

16、“Peak amplitude”当变频输出频率为 100Hz 时置为 600V2,当变频输出频率为 50Hz 时置为 50V2。武汉理工大学 基础强化训练滤波电感 L1：选 Series RLC Branch 模块，将参数“Inductance(H)”置为80e-3。 图 10 电感 L1 参数设置滤波电感 L2；选 Series RLC Branch 模块，将参数“Inductance(H)”置为30e-3。图 11 电感 L2 参数设置滤波电容 C1：选 Series RLC Branch 模块，将参数“Capacitance(F)”置为 1800e-6。武汉理工大学 基础强化训练图 12

17、 电容 C1 参数设置滤波电容 C2：选 Series RLC Branch 278 模块，将参数“Capacitance(F)”置为 320e-6。图 13 电容 C2 参数设置不可控的整流桥 Universal bridge 的参数设置如下：武汉理工大学 基础强化训练图 14 Universal bridge 的参数设置3.3 具体仿真结果3.3.1 仿真电路图单相整流逆变电路的仿真模型如下图所示，由图可知，单相 220V、50Hz交流电源经单相不可控整流环节，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，形成所需的交流信号。武汉理工大学 基础强化训练 图

18、15 仿真原理图3.3.2整流滤波输出电压计算与仿真运用 matlab 对交流电源与经过桥式整流之后的电压信号进行了仿真之前，对两电压的波形进行理论的分析：在单相桥式全控整流电路中，晶闸管 VT1 和 VT4 组成一对桥臂，VT2 和 VT3组成另一对桥臂，在正半周，若 4 个晶闸管均不导通，负载电流为零，输出2U电压 U 也为零，VT1、VT4 串联承受电压，设 VT1 和 VT4 漏电阻相等，则各承2U受的一半。若在触发角处给 VT1 和 VT4 加触发脉冲，VT1 和 VT4 即导通，2U电流从电源端经 VT1、R、VT4 流回电源另一端。当过零时，流经晶闸管的2U电流也降到零，VT1

19、和 VT4 关断。晶闸管承受的最大正向电压和最大反向电压的值分别为和。在负半周，仍在触发延迟角处触发 VT2 和20.5* 2U22U2UVT3，VT2 和 VT3 导通，其电流电压情况与正半周情况类似。并且按照此种规律循环往复的工作下去，在此种原理下可以计算得出以下公式。桥式整流输出电压：21 cos0.92dUU由于经过滤波之后，电压会上升，其实际值接近 350V。两信号的 matlab仿真波形记录如下： 武汉理工大学 基础强化训练 图16 整流滤波输出电压图 由上图可以看出整流输出的是脉动的直流电压波形，通过滤波电路，将其变成纹波较小的直流电压。3.3.3逆变输出电压计算与仿真电压型全桥

20、逆变电路的原理图在上面的基础电路中已经给出，它共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂 1 和 4 作为一对，桥臂 2 和3 作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两队交替导通 180 度，其输出电压：0411sinsin3sin535dUUttt其中，基波的幅值和基波有效值分别为：1o mU1oU141.27do mdUUU12 20.9dodUUU由于输出电压由开关管的开通与关断频率决定，所以输出电压为无数的宽度极小的矩形波组成，在 matlab 中，逆变电路输出电压频率有 PWM 脉冲触发器参数设置。其参数设置如下图：武汉理工大学 基础强化训练图17 PWM脉冲触发器参数设置在采

21、样理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出相应波形基本相同。如果把脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形波脉冲和相应的正弦波部分面积相等就能得到相应的脉冲序列，这就是 PWM 波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM 波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形，也称 SPWM 波形。

22、武汉理工大学 基础强化训练图 18 逆变输出电压由图可知，输出电压频率为 400Hz 的交流电压，波形与理论分析结果一致，可得，此交流变换器，即交流变频仿真得到了正确的结果。 4 小结心得通过一个星期的查阅资料，仿真实验使我认识到必需加强对知识的理解，不能停留在肤浅的了解阶段，这次基础强化训练使我获得了十分宝贵的经验，对于将来的我来说一定是非常巨大的财富。这次基础强化训练让我有机会学习书本上没有的知识，增长了我的见识。同时，这次基础强化训练，也使我体会到了实践精神的重要性，理论上的成立还要实践来检验是否符合实际，只有把理论和实际结合起来才能 有真正的收获。 此外，这次的基础强化训练，使我对团结合作有了更深的理解，在做仿真实验时，大家在一起讨论，加深了我们对理论知识的理解，能够迅速解决问题，我们因此认识到团队合作的精神尤为重要。 武