单相交直交变频装置设计

1、 电力电子技术课程设计说明书 单相交直交变频装置设计 学 院: 电信学院 学生姓名： 指导教师： 职称/学位 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 完成时间： 摘 要由于传统能源的枯竭，各国对环境保护的重视以及现存的电力系统的种种弊端，分布式发电将在未来的供电系统中发挥越来越重要的作用。近年来以燃料电池发电技术发展迅速。但是分布式发电技术发出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、频率相匹配的公频交流电。因此，针对特定的分布式发电技术研究与其配套的变频电源就很有必要。本文针对内

2、燃机拖动永磁发电机的中小功率分布式发电系统，设计一套变频电源，将发电机发出的中频交流电变换为相电压220V，频率50HZ的公频交流电。在论述和分析了变频电源机器控制技术发展的概况和趋势的基础上，结合本课题任务的实际情况，设计了一套中小功率的逆变电源。系统中PWM（Pulse Width Modulation)控制信号采用专用集成芯片SA4828生成，减轻了控制器的工作量也提高系统了可靠性。控制器选用集成了A/D转换器的单片机。使得系统的硬科复杂性降低，提高了可靠性。关键词：交流电；变频；电网；PWM目 录1 总体原理图11.1 方框图11.2 电路原理图11.2.1 主回路电路原理图21.2.

3、2 整流电路21.2.3 滤波电路21.2.4 逆变电路32 电路组成62.1控制电路62.2驱动电路72.3 主电路83 仿真结果93.1 仿真环境93.2 仿真模型使用模块提取的路径及其单数设置93.3 具体仿真结果123.3.1仿真电路图123.3.2整流滤波输出电压计算域仿真123.3.3逆变输出电压计算与仿真13参考文献15致 谢161 总体原理图 PWM波形 辅 助 电 路1.1 方框图 交 流 输 出交 流 输 入 整流器 逆变器 DC 滤波器 DC 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

4、流电通过变压器和桥式整流电路转换为直流电，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管组成单相桥式逆变电路，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端输出。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，滤波器接在主电路与负载之间，用于滤波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变压与直流输出变压间的匹配以及交流电网与整流电路

5、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，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 元件组成，如滤波电路的原理作用：滤波电路常用于滤去整流输出中的纹波，一把的电抗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试滤波电路。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

6、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，同时将一部分电转化成磁场能存储于电感之中；单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，一补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平静，而且整流二级管的导通角增大，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>>WL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.

7、4 逆变电路 逆变电路同整流电路相反，逆变电路就是将直流电压装换位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的部件之一，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化电路。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控制进行调节。电路如下：图4 主电路（1）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

8、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。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压U0为正S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压U0为负图5 开关示意图（2）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，分为单极性和双极性调制。在本实验装置中，采用了双极性PWM调制技术。一下是双极性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

9、，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，其输出波形有正负Ud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

10、过改变调制频率，实现交直流变频的目的。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度的正负PWM波，再经触发器CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一

11、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IGL8038为核心组成，其中一片8083产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc,将此两路信号经此比较电路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度的正负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SP

12、WM1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号转换为器件的驱动信号。他可以完成隔离的功能，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。本实验中使用了目前广泛应用的一种集成芯片IR2110.IR2110驱动功率器件，采用自居驱动方式，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

13、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略短路现象，改进的办法是在驱动臂上并联二极管IN4148来加速电流回吸，以起到加速截止的作用，是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，剑锋电压导致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：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

14、形图，评估整个系统的功能。3.2 仿真模型使用模块提取的路径及其单数设置离散PWN发生器模Discrete PWM Generator 提取路径是：SimulinkSimPower SystemsPower ElectronicsDiscrete Control BlocksDiscrete PWM Generator 信号终结模块Terminator提取路径是：SimulinkCommonly Used BlocksTerminator 交流电模块：“Phase”初相角0度，“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），“Peak

15、 amplitude”当变频输出频率为100Hz时置为600VC×2，当变频输出频率为50Hz时置为50V×2。滤波电感L1：选Series RLC Branch 模块，将参数“Inductance(H)”z置为80e-3。 图10 电感L1参数设置 滤波电路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。图12 电容C1参数设置滤波电容C2：选Series RLC Branch 27

16、8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：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。在进入PWM逆变，又一次LC滤波后，形成所需的交流信号。图15 仿真原理图3.3.2整流滤波输出电压计算域仿真运用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

17、路中，晶闸管VT1和VT4组成一对峭壁，VT2和VT3组成另一对桥臂，字U2 正半周，若4个晶闸管均不导通，负载电流为零，输出电压U也为零，在U2 的一半。若在触发角处给VT1和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源端经VT1、R、VT4流回电源另一端。当U2 过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1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0.5×U2和U2。在U2负半周，仍在触发角延迟处触发VT2和VT3，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：U

18、d =0.9U2 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：图16 整流滤波输出电压器 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和桥臂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： U0=其中，基波的幅值Uolm 和基波有效值UO1分别为： 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技校的矩形组成，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：图17 PWM脉冲触发器参数设置在采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