单相桥式逆变电路的设计

1、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：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：完成时间： 2018年6月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3060HZ,电压3050V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

2、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,20122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,19913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

3、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II目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK

4、 l bookmark4 o Current Document 1绪论1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 2课程设计的方案2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 概述2系统组成方案2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 单相桥式整流电路的结构2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 单相桥式无源逆变电路的结构3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 3主电路设计

5、4 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 单相桥式整流主电路4 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 单相桥式整流主电路图4工作原理4. HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 单相桥式无源逆变电路主电路5 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 单相桥式整流电路主电路图5工作原理6. HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 主要元器件的选择 6 HYPERLINK l b

6、ookmark34 o Current Document 4控制电路设计9单相桥式整流电路控制9触发电路9.保护电路10 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 单相桥式无源逆变电路控制电路11驱动电路11保护电路1.2. HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 5MATLAB 仿真14 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 单相桥式整流电路的仿真14 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 单相桥式无源逆变电路的仿真

7、17 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 6课程设计总结19 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 参考文献20III1.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

8、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

9、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

10、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。.课程设计的方案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

11、，输出电压0100V，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。系统组成总体结构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。单相电源负载单相电源负载图2.1单相桥式整流电路的结构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

12、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。输出S输出S滤波负 载控制电路图2.2单相桥式无源逆变电路的结构.主电路设计单相桥式整流电路主电路单相桥式整流主电路图RdRd图3.1单相桥式整流主电路图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，在西二a瞬间给VT1和VT4以触发脉冲，则电流 i2从aVT1TRdVT4Tb,VT2和VT3均承受反向电压而关断；在电源

13、电压u2 的负半周期时，仍在控制角a时刻触发VT2和VT3，电流i2从b-VT3TRdTVT2 -a,如此一个个周期周而复始地重复、循环。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 值可按下式计算：Ud = F (、立U 2sin3t) d 3t = 0.9U 2(1 + cos a)/2当a=00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a=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,

14、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lav,断态正反向重复峰值电压Udrn,Udrrm为50160V,门极触 发电压Vgt为W2.5V,门极触发电流Igt为W20mA。根据以上参数可求得晶闸管承受的最大正、反向电压都是工；2 U2。流过每个晶闸管的电流平均值和有效值公式分别为Idvt =爪 Id =/ Id = 0.5Id2K 2兀 _Idvt= jq Id 二- Id =上 Id、2k* 2k. 2单相桥

15、式无源逆变电路主电路单相桥式无源逆变主电路图VD1UdVD2A Louo,ioVT2VT3RoWVVT4VD3VD4VD1UdVD2A Louo,ioVT2VT3RoWVVT4VD3VD4图3.2单相桥式无源逆变主电路图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 二-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

16、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Uo二+Ud。在t=t1时刻，负载电流下降到0，VD1、VD4自然关断，VT1、VT4在正向 电压作用下开始导通。负载电流正向增大，负载电压0u=+Ud。在t=t2时刻负载电流上升到正的最大值，此时关断VT1、VT4,并驱动VT2、 VT3,同样，由于负载电流不能立即换向，负载电流经VD2、VD3续流，负载电 压 0u=-Ud。在仁t3时刻，负载电流下降到0，VD2、VD3自然关断，VT2、VT3开通， 负载电流反向增大时，0u=-Ud。在仁t4时刻，负载电流上升到

17、负的最大值，完成一个工作周期。从图2-2知，单相全桥逆变电路的输出电压为方波，定量分析时，将0口展开 成傅立叶级数，得Uo = 4Ud*(sin3t + +sin 33t + 十 sin 53t +)/兀35其中，基波分量的幅值Uolm和有效值Uol分别为：Uolm=1.27UdUol=0.9Ud主要元器件选择单相桥式全控主电路中最重要的元器件是晶闸管，晶管又称为晶体闸流管， 可控硅整流(Silicon Controlled Rectifier-SCR)，晶闸管是大功率器件，工作时产 生大量的热，因此必须安装散热器。其外型有螺栓型和平板型两种封装，引出阳 极A、阴极K和门极(或称栅极)G三个联

18、接端。选择时主要考虑其参数和选取原则：晶闸管的主要参数如下：额定电压。m通常取UDRM和URRM中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的 额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压舱3倍，以保证 电路的工作安全。6晶闸管的额定电压(1)额定电流IT(AV)It(av)又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40和规定的冷却条件下元 件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170的电路中，结温不超过额定 结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电 流等级即为晶闸管的额定电流。在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流 有效值1TM

19、 W Im,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的 范围。U = ninU ,U i :额定电流有效值：n根据管子的价处换算出，IT(AV)、1TM Im三者之间的关系：(2)(3)I = ；1/ 2兀(Im sin 3t )2 d(3t) = Im/ 2 = 0.5 Im(2)(3) TOC o 1-5 h z T0I= 1/2 兀)Im sin 3 td(31) = Im/ 兀=0.318 ImT (AV)0波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值I与平均值Id之比称为该波的波 形系数，用Kf表示：dK = L(4)f Id额定状态下，晶闸管的电流波形系数:(5)一 I 九

20、 一(5)K Tn = = 1.57fIT (AV)2晶闸管承受最大电压为UTM v2U2 v2 x 111V 157V 考虑到 晶闸管承受最大电压为UTM400V.晶闸管的选择原则：I、所选晶闸管电流有效值I大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。TnII、选择时考虑(1.52)倍的安全余量。即I=1.57 I=(1.5I TOC o 1-5 h z I TnT(AV)TMI (1.5 2)L(6)T (AV)1.57因为,则晶闸管的额定电流为1T(AV10A(输出电流的有效值为最小值，所以该 额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量，取20A.即晶闸管的额定电流至少应大于20A.(7)在本次

21、设计中我选用4个KP20-4的晶闸管.2）变压器的选取根据参数计算可知:变压器应选变比为2,容量至少为24.2V - A.控制电路设计单相桥式整流电路控制电路单相桥式整流电路触发电路.电路图图4.1单相桥整流电路触发电路图.晶闸管触发电路工作原理(1)由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出 环节两部分组成。(2)当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉 冲。VD1和R3是为了 VI、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能 量而设的。(4)为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。 晶闸管触发电路应满足下列

22、要求：A、触发脉冲的宽度应该保证晶闸管的可靠导通，对感性和反电动势负载的变流器 采用宽脉冲或脉冲列触发，对变流器的启动，双星型带平衡电抗器电路的触发脉 冲应该宽于30，三相全控桥式电路应小于60或采用相隔60的双窄脉冲。B、脉冲触发应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最 大触发电流的35倍，脉冲前沿的陡度也要增加。一般需达1-2A/us所提供的触发脉冲不应超过晶闸管门极的电压、电流和额定功率，且在门极伏安 特性的可靠触发区域之内。并且应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及主电路的 电气隔离。4.1.2单相桥式整流电路保护电路.工作原理设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入

23、的操作过电压和雷击过电压 的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。过电压保护 的电压保护的方法是采用电子电路进行保护。.电路图图4.2单相桥式整流保护电路图104.2单相桥式逆变电路控制电路的设计驱动电路.功能介绍电力电子器件的驱动电路时电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力 电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电 路，可使电流电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗， 对装置的运行效率、可靠性和安全都有重要的意义。另外，对电力电子器件或整 个装置的一些保护措施也往往就近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现， 这使得驱

24、动电路的设计更为重要。IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。常用的有三菱公司的 M579 系列（如 M57962L和 M57959L）和富士公司的 EXB 系列（如 EXB840、 EXB841、EXB850和EXB851）。同一系列的不同型号其引脚和接线基本相同， 只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同。下图 给出了 M57962L的接线图和引脚图。这些混合集成驱动器内部都具有退饱和检 测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给 出故障信号。M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为-10V。.电路图M57962L

25、的接线图：快恢复士工工 0. 2usR 30r+5丫 14M57962L图4.3单相桥式逆变驱动电路图11M57962L的引脚图:1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 14图4.4 M57962L的引脚图.工作原理当控制电路使M57962L输入端13和14脚有10mA的电流时光耦IC1导通，A 点电位迅速下降至VEE，使IC2A的2脚输出为高电平Vcc，则三极管V2、V4 导通，V3、V5截止，使V7导通，Vcc力口至U R17上，同时由R18/ (R17+ R18)大 于R16/(R15+ R16),导致IC2D的13脚为低电位，V6截止，R4/(R3 +R4)大于 R1

26、6(R15 + R16)使IC2B的13脚截至，故IC2的14脚为高电平V1,截止，M57962L 的8脚不输出故障信号。在M57962L输入端13和14无电流时，IC1截止，A点电位上升使IC2A的 2脚变为低电位，则使V3、V5导通，V2、V4截止。lGBT的门极(GATE)通过 V5导通到VEE,而使IGBT关断。IC2c的14脚输出为低电平，使V1、V7导 通，使IC2B、IC2D保持原先状态不变。保护电路.功能介绍在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外， 采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护也是必要的。这里 主要讲述IGBT的过

27、电压保护。12.电路图图4.5单相桥式逆变保护电路图.工作原理电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因 过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压。2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。可采用图4.5所示的反向阻断式RC电路。有关保护电路的参数计算可参照 相关的工程手册。采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施。13MATLAB 仿真Matlab被誉为三大数学软件之一，它在数学类科技应用软件中在数值方面首 屈一指。Matlab可以进行矩阵、

28、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连 接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、 图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域，受到各个研究领域的推崇和 关注。本文也采用MATLAB软件对研究结果经行仿真，以验证结果是否正确。单相桥式整流电路的仿真.整流仿真电路图要求电路单相电网220V，输出电压0100V，电阻性负载，R=20欧姆， 设置参数如下：交流电网为220V，脉冲幅值为20，脉冲周期0.02s,占空比 为20%，延迟时间的设置根据公式（触发角/360）*0.02来设置。punergulIhsnEtarCurrent Nessu_:menSeries

29、RLC Branch y;riu,lACVoilig&ScijiTeIIPulseGtiisainfl图5.1 单相桥式整流仿真电路图14vcltags Measuranent2.仿真波形当触发角=30度时，波形如下图:图5.2单相桥式整流触发角为30度电路图15当触发角=60度时，波形如下图:图5.3单相桥式整流触发角为60度电路图当触发角=90度时，波形如下图图5.4单相桥式整流触发角为90度电路图16单相桥式无源逆变电路的仿真.参数设置设计主要参数：单相全桥无源逆变，此采用电阻负载，直流侧输入电压 二100V,脉宽为。=90的方波，输出功率为200W,电容和电感都设置为理想零状 态。频率

30、为100Hz。由频率为100Hz即可得出周期为T=0.01s,由于V3的基波信号比V1的落后 了 90度（即相当1/4个周期）。通过换算得：t3=0.001/4=0.0025s,而 t1=0s。同理得：t2=0.001/2=0.005S,而 t4=0.00075S。由理论情况有效值：Uo=Ud/2=50V。又因为P=200W所以有电阻：R=Uo*Uo/P=12.5 Q则输出电流有效值：图5.5单相桥式逆变仿真电路图173.仿真波形图5.6单相桥式逆变输出波形电路图如上图所示，波形从上到下依次为负载电流：最大值为8A的方波。负载电压：最大值为100V，波形与负载电流相同VT4的触发脉冲波形：幅值为5,周期0.01s.VT4电流波形：最大值8A，最小值0AVT4电压波形：最大值100V，最小值0V。186.课程设计总结我这次电力电子技术课设主要设计单相整流和逆变电路并进行仿真，让我有 机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中，并通过对知识的综合运用，进行必 要的分析、比较，从而进一步验证了所学的理论知识。同时，这次课程设计，还 让我知道了最重要的是心态，在刚开始会觉得困难，但是只要充满信心，就肯定 会完成的。通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专