电力电子技术课程设计单相桥式逆变课程设计

《电力电子技术》课程设计说明书单相桥式逆变电路院、部：电气与信息工程学院学生姓名：指导教师：职称副教授专业：电气工程及其自动化班级：完成时间：2015年6月1日RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当山脊与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的积极电流被切断，使得IGBT关断。电力二极管电力二极管（PowerDiode）自20世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器（SemiconductorRectifier—SR）,其结构和原理简单，工作可靠，仍然大量应用于许多电设备中。电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都是以半导体PN结为基础的。由N型半导体和P型半导体结合构成PN结。其结构和电气符号如下：图2-3 a)结构和b)电气符号 当PN结外加正向电压，即外加电压的正端接P区、负端接N区时，外加电场与PN结自建电场方向相反，在外带电路上形成自P区流入从N区流出的电流，这就是PN结的正向导通状态。 当PN结外加反向电压时，外加电场与PN结自建电场方向相同，在外带电路上形成自N区流入从P区流出的电流，称之为反向电流。因此反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流通过，这就是反向截止状态。元件参数电感电抗：X=ωL=2πfL （4）干路电流有效值：I0=U01已知：交流输出电压频率范围在30～60HZ，电压Ud=100V。又因晶闸管和IGBT的导通电流不宜过大，导通电流一般约为10mA。代入公式（5）得：jX+R=选择最高频率60HZ,代入公式（4）得：X=2πfL=120πL使整个电路负载呈感性则有：X>R。电阻选择3000Ω。因此X=6000Ω。将X=6000Ω代入公式（4）得：L=所以选择电阻R=3000Ω,电感L=0.063H。驱动电路的设计驱动电路原理图设计图3-1 驱动电路原理图驱动电路的种类驱动电路有电流型驱动电路和电压型驱动电路。驱动电路的作用驱动电路是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。采用良好的驱动电路，可使电力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、可靠性和安全性都有重要的意义。驱动电路的基本任务就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。驱动电路的选择驱动电路的选择与使用的电力电子器件相关。在这里我们需要控制IGBT的开关，因为IGBT是电压型驱动器件所以选择电压型驱动电路。常见驱动电力的混合集成电路有三菱公司的M57918L芯片。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。图3-2给出了M57962L的原理和接线图。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。图3-2 M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图控制电路设计控制电路的作用控制电路的作用就是通过控制驱动电路运行进而控制IGBT的通断。又因IGBT的关断速度决定了输出电压的频率。所以控制电路就是通过产生一定频率的脉冲信号来控制驱动电路进而控制IGBT的关断改变电流方向和电压方向从而得到想要频率的输出交流电压。控制电路原理图设计图4-1 控制电路原理图控制电路原理分析在这里采用2片集成函数发生器ICL8038，分别用于发生频率一样的正弦波和三角波，它们共同经过运放（LM311）、非门（74HC04）生成两路PWM信号，这两路信号分别是PWM+、PWM-，它们的相位差为180°。然后通过芯片4528以及与门（74HC08）得到两路频率一样但相位相差（180°-θ）的SPWM波形，它们分别是SPWM1、SPWM2。将SPWM1分成两路接驱动电路用来控制开关V1、V4，将SPWM2分成两路接驱动电路用来控制开关V2、V3移相调压的原理前面分析的都是为正负电压各为180°的脉冲时的情况。在这种情况下若要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud的大小来实现。 在阻感负载时，还可以采用移相的方式来调节逆变带南路的输出电压，这种方式成为移相调压。移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。当V3、V4的栅极信号不是分别和V1、V2的栅极信号同相位，而是前移了180°-θ。这样，输出电压U0就不再是正负各为一半的脉冲，而是正负各为θ的脉冲，各IGBT的栅极信号及输出电压U0、输出电流i0的波形如图0-4b所示。 工作原理：设在t1时刻前V1和V4导通，输出电压U0为Ud，t1时刻V3和V4栅极信号反向，V4截止，而因负载电感中的电流i0不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流。因为V1和VD3同时导通，所以输出电压为零。到t2时刻V1和V2栅极信号反向，V1截止，而V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，输出电压为-Ud。到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3导通，U0仍为Ud。t3时刻V3和V4栅极信号再次反向，V3截止，而V4不能立刻导通，VD4导通续流，U0再次为零。以后重复该过程。这样，输出电压的正负脉冲宽度就各为θ。改变θ，就可以调节输出电压。例如当θ=90°CL8038芯片介绍ICL0838精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，只需调整个别的外部元件就能产生从0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端,所以可以用来对低频信号进行频率调制。ICL0838引脚功能

图4-2ICL8038的引脚功能排列图脚1、12（SineWaveAdjust）：正弦波失真度调节；脚2（SineWaveOut）：正弦波输出；脚3（TriangleOut）：三角波输出；脚4、5（DutyCycleFrequency）：方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；脚6（V＋）：正电源±10V～±18V；脚7（FMBias）：内部频率调节偏置电压输；脚8（FMSweep）：外部扫描频率电压输入；脚9（SquareWaveOut）：方波输出，为开路结构；脚10（TimingCapacitor）：外接振荡电容；脚11（V-orGND）：负电原或地；脚13、14（NC）：空脚。ICL0838内部结构图4-3 ICL8038内部电路方框图基本电路的工作原理:该芯片由三角波振荡电路、比较器1、比较器2、触发器、三角波—正弦波变换电路、恒流源CS1、CS2等组成。恒流源CS1、CS2主要用于对外接电容C进行充电放电，可利用4、5脚外接电阻调整恒流源的电流，以改变电容C的充放电时间常数，从而改变10脚三角波的频率。两个比较器分别被内部基准电压设定在23Vs与13Vs。使两个比较器必须在大于23Vs或小于13Vs的范围内翻转。其输出同时控制触发器，使其一方面控制恒流源CS2的通断，另一方面输出方波经集电极开路缓冲器，由9脚输出方脉冲，而10脚经缓冲器直接由3脚输出三角波，另外还经三角波—正弦波变换电路由2脚输出低失真正弦波。外接电容C由两个恒流源充电和放电。若S断开，仅有电流I1向C充电，当C上电压上升到比较器1的门限电压23Vs时，触发器输出Q=1。开关S导通，CS2把电流I2加到C上反充电，当I2>I1时，相当于C由一个净电流I2-I1放电，此时C上电压逐渐下降，当下降到比较器2的门限电压13Vs时，RS触发器被复位Q=0，于是S断开CS2，仅有CS1对C充电，如此反复形成振荡，C上电压近似为三角波，而触发器输出则为方波。当两个电流源CS1、CS2的电流分别设定为I、2I时，电容C上的充电、放电时间相等，则10脚三角波以及变换的正弦波就是对称的,方波的占空比是50%。若恒流源CS1、CS2的电流不满足上述关系，则3脚输出非对称的锯齿波，2脚输出非对称的正弦波，9脚输出占空比为2%～98%的脉冲波形。另外改变恒流源I的大小，即可改变振荡信号的频率。保护电路的设计保护电路的种类换相过电压保护：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后不能恢复阻断能力时，因而有较大的反向电流通过，使残存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极这间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。图5-1 相过电压保护电路关断过电压保护：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而线路电感在器件两端感应出的过电压。图5-2 断过电压保护电路过电流保护：电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流现象。过电流分载和短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保护措施，怪提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载时动作。采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效，应用最方泛的一种过电流保护措施。图5-3 电流保护电路保护电路的作用保护电路的作用就是防止系统在外部电压不稳定的时，导致部分器件在过电压或过电流的情况下被烧坏，造成电路瘫痪，无法正常工作。保护电路的选择在本设计中主要是对IGBT进行保护。根据IGBT的特性，只要不过电压则不会导致IGBT过电流。所以采用过电压保护。又因为IGBT工作在高频率条件下，故采用关断过电压保护。只要将图5-2所示的电路串接在各IGBT所在的之路上即可。仿真分析仿真软件MATLABSimulink简介：Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。功能：Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink®：是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB®紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。特点：丰富的可扩充的预定义模块库。交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。通过ModelExplorer导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码。提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。使用EmbeddedMATLAB模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法。使用定步长或变步长运行仿真，(Normal,Accelerator,RapidAcc-elerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型。图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据。模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。仿真电路图图6-1 电路仿真图参数设置表表2 参数设置表模块名参数设置DCVoltagesourceAmplitude(V):100PulseGenerator1PulseGenerator4Amplitude:1Period(secs):0.02PulseWidth(%ofperiod):50Phasedelay:90*0.02/360PulseGenerator2PulseGenerator3Amplitude:1Period(secs):0.02PulseWidth(%ofperiod):50Phasedelay:(90+180)*0.02/360SeriesRLCBranchResistance(Ohms):5Variablename:R1SeriesRLCBranchResistance(Ohms):5Variablename:R2ScopeNumberofaxes:5Variablename:S仿真效果图图6-2 仿真结果波形图仿真结果分析输入电压特点：Ud为为100V的恒流电压源。输出电流特点：I0近似正弦波，且连续，输出电流周期为0.02S，频率均为50HZ。控制脉冲特点：控制脉冲频率为50HZ，幅值为1V，假设VT4的延迟角为0°，则由图可得T1的延迟角90°，VT2的延迟角为270°，VT3的延迟角为180°。输出电压特点：U0为电压源经过单项逆变器移相调压后交流电压幅值不变，占空比变为1:4，所以电压有效值为为50V。从仿真结果波形图观察输入直流电压为100V，经过逆变电路后输出交流电压为50V，频率为50HZ，符合课程设计要求。设计总结电力电子技术既是一门基础技术课程，也是实用性很强的一门课程。本次电力电子技术课程设计，让我们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利用，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，本次课程设计也为我们以后的学习打下了良好的基础，还让我们知道了最重要的是心态，在你拿到题目时会觉得困难，但是只要有信心，就肯能能完成的。通过本次电力电子技术课程设计，我们不仅加深了对课本专业知识的理解，同时增强了自己的自学能力。因为平时上课时只是被动的学习理论知识，而在此次的设计过程中，我们更进一步的熟悉了单相桥式逆变电路的原理及其控制电路的设计。在这个过程中也不是一蹴而就的，我也遇到了各种困难。但是通过查阅资料、和同学讨论，我及时的发现自己的错误并纠正了。这也是本次电力电子课程设计的一大收获，使我们的实践动手能力有了进一步的提高，同时也增强了我们对以后学习的信心。课程设计开始，思绪全无，举步维艰。对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是重拾教材与实验手册，对知识进行了系统而全面的梳理，而且领悟诸多平时学习难以理解的知识，对于知识的理解更深了一层。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。在这里我感谢所有给予我帮助的老师和同学，在我遇到困难的时候是他们耐心的帮助我。我会在以后的学习和生活中发扬不怕苦的精神，努力学习。参考文献[1] 赵可斌.电力电子变流技术[M].上海：上海交通大学出版社，1993.

[2] 陈坚编著.电力电子学[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] 李序葆编著.电力电子器件及应用[M].北京：机械工业出版社，1996.[4] 黄俊主编.半导体变流技术[M].北京：机械工业出版社，1986.[5] 邵群涛主编.电机及拖动基础[M].北京：机械工业出版社，1999.[6] 郑忠杰，吴作海编.电力电子变流技术[M].北京：机械工业出版社，1999.[7] 龙志文主编.电力电子技术[M].