電流源型單相全橋逆變電路

1、電流源型單相全橋逆變電路的設(shè)計(jì)摘要本次設(shè)計(jì)說明書首先介紹了電流源型單相全橋逆變電路的特點(diǎn)和原理，用單相橋式電流型逆變電路的原理圖說明了該電路是采用負(fù)載換相方式工作的，要求負(fù)載電流略超前于負(fù)載電壓，又詳細(xì)分析該電路的工作過程，并用圖給出該逆變電路的工作波形。最后根據(jù)以上分析運(yùn)用仿真軟件PSIM對(duì)電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，得到波形圖。關(guān)鍵詞：電流源型單相電路，逆變電路，PSIM仿真目錄1.電流源型單相全橋逆變電路研究-31.1逆變電路介紹-31.2電流型逆變電路的主要特點(diǎn)-31.3電流源型單相全橋逆變電路-31.4電流源型單相全橋逆變電路工作過程-42.電流源型單相全橋逆變電路設(shè)計(jì)-72.1電路設(shè)計(jì)原理-

2、72.2電路仿真圖-73.參數(shù)設(shè)定及仿真結(jié)果-83.1直流側(cè)仿真-83.1.1參數(shù)設(shè)定-83.1.2仿真結(jié)果-83.2交流側(cè)仿真-83.2.1參數(shù)設(shè)定-83.2.2仿真結(jié)果-94.小結(jié)-95.參考文獻(xiàn)-10正文1. 電流源型單相全橋逆變電路研究1.1逆變電路介紹把直流電變成交流電稱為逆變。逆變器的交流負(fù)載中包含有電感、電容等無源元件，它們與外電路間必然有能量的交換，這就是無功。由于逆變器的直流輸入與交流輸出間有無功功率的流動(dòng)，所以必須在直流輸入端設(shè)置儲(chǔ)能元件來緩沖無功的需求。在交直交變頻電路中，直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件往往被當(dāng)作濾波元件來看待，但它更有向交流負(fù)載提供無功功率的重要作用。隨著用電設(shè)備不

3、斷發(fā)展，用電設(shè)備對(duì)交流電源性能參數(shù)也有很多不同的要求,也就形成多種逆變電路。逆變電路可以從不同的角度進(jìn)行分類。如可以按換流方式分類，按輸出的相數(shù)分類，也可以按直流電源的性質(zhì)分類。若按直流電源的性質(zhì)分類，可分為電壓型和電流型兩大類。本次課程設(shè)計(jì)的電路就屬于電流型逆變電路。1.2電流型逆變電路的主要特點(diǎn)（1）直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。（2）電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流甩流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。（3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩

4、沖無功能量的作用。因?yàn)榉答仧o功能量時(shí)直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。1.3電流源型單相全橋逆變電路電流源型單相全橋逆變電路原理圖如圖1-3所示。電路由4個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器LT。LT用來限制晶閘管開通時(shí)di/dt，各橋臂的L之間不存在互感。使橋臂1、4和橋臂2、3以10002500Hz的中頻輪流導(dǎo)通，就可以在負(fù)載上得到中頻交流電。該電路是采用負(fù)載換相方式工作的，要求負(fù)載電流略超前于負(fù)載電壓，即負(fù)載略呈容性。實(shí)際負(fù)載一般是電磁感應(yīng)線圈，用來加熱置于線圈內(nèi)的鋼料。圖1 中R和L串聯(lián)即為感應(yīng)線圈的等效電路，因?yàn)楣β室驍?shù)很低，故并聯(lián)補(bǔ)償電

5、容器C，電容C和L、R成并聯(lián)諧振電路，故這種逆變電路也被稱為并聯(lián)諧振式逆變電路。負(fù)載換流方式要求負(fù)載電流超前于電壓，因此補(bǔ)償電容應(yīng)使負(fù)載過補(bǔ)償，使負(fù)載電路總體上工作在容性小失諧的情況下。因?yàn)槭请娏餍湍孀冸娐?，故其交流輸出電流波形接近矩形波，其中包含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。因基波頻率接近負(fù)載電路諧振頻率，故負(fù)載電路對(duì)基波呈現(xiàn)高阻抗，而對(duì)諧波呈現(xiàn)低阻抗，諧波在負(fù)載電路上產(chǎn)生的壓降很小，因此負(fù)載電壓的波形接近正弦波。圖1-3 電流源型單相全橋逆變電路1.4電流源型單相全橋逆變電路工作過程圖1-4為該電路的工作波形。在交流電流的一個(gè)周期內(nèi)，有兩個(gè)穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個(gè)換流階段。tlt2之間

6、為晶閘管VTl和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，負(fù)載電流io=Id，近似為恒值，t2時(shí)刻之前在電容C上，即負(fù)載上建立了左正右負(fù)的電壓。在t2時(shí)刻觸發(fā)晶閘管VT2和VT3，因在t2前VT2和VT3的陽(yáng)極電壓等于負(fù)載電壓，為正值，故VT2和VT3開通，開始進(jìn)入換流階段。由于每個(gè)晶閘管都串有換流電抗器LT，故VTl和VT4在t2時(shí)刻不能立刻關(guān)斷，其電流有一個(gè)減小過程。同樣，VT2和VT3的電流也有一個(gè)增大過程。t2時(shí)刻后，4個(gè)晶閘管全部導(dǎo)通，負(fù)載電容電壓經(jīng)兩個(gè)并聯(lián)的放電回路同時(shí)放電。其中一個(gè)回路是經(jīng)LTl、VTl、VT3、LT3回到電容C；另一個(gè)回路是經(jīng)LT2、VT2、VT4、LT4回到電容C，如圖1-4中虛線

7、所示。在這個(gè)過程中，VTl、VT4電流逐漸減小，VT2、VT3電流逐漸增大。當(dāng)t=t4時(shí)，VTl、VT4電流減至零而關(guān)斷，直流側(cè)電流Id全部從VTl、VT4轉(zhuǎn)移到VT2、VT3，換流階段結(jié)束。 稱為換流時(shí)間。晶閘管在電流減小到零后，尚需一段時(shí)間才能恢復(fù)正向阻斷能力。因此，在 t4時(shí)刻換流結(jié)束后，還要使VTl，VT4承受一段反壓時(shí)間才能保證其可靠關(guān)斷。應(yīng)大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。如果VT1、VT4尚未恢復(fù)阻斷能力就被加上正向電壓，將會(huì)重新導(dǎo)通，使逆變失敗。為了保證可靠換流，應(yīng)在負(fù)載電壓uo過零前時(shí)刻去觸發(fā)VT2、VT3。稱為觸發(fā)引前時(shí)間，從圖1-4可得 ， t4t6之間是VT2、VT3的穩(wěn)定導(dǎo)通

8、階段。t6以后又進(jìn)入從VT2、VT3導(dǎo)通向VT2、VT4導(dǎo)通的換流階段，其過程和前面的分析類似。晶閘管的觸發(fā)脈沖uGluG4，晶閘管承受的電壓uVTluVT4以及A、B間的電壓uAB也都示于圖1-4中。在換流過程中,上下橋臂的LT上的電壓極性相反，如果不考慮晶閘管壓降，則uAB=0?？梢钥闯?，uAB的脈動(dòng)頻率為交流輸出電壓頻率的兩倍。在uAB為負(fù)的部分，逆變電路從直流電源吸收的能量為負(fù)，即補(bǔ)償電容C的能量向直流電源反饋。這實(shí)際上反映了負(fù)載和直流電源之間無功能量的交換。在直流側(cè)，Ld起到緩沖這種無功能量的作用。如果忽略換流過程，io可近似看成矩形波。展開成傅里葉級(jí)數(shù)可得 其基波電流有效值 Io1

9、為 再來看負(fù)載電壓有效值U。和直流電壓Ud的關(guān)系。如果忽略電抗器Ld的損耗，則uAB的平均值應(yīng)等Ud。再忽略晶閘管壓降，則從圖1-4的uAB波形可得 一般情況下值較小，可近似認(rèn)為，再考慮到式 可得 或 圖1-4 逆變電路工作波形圖在上述討論中，為簡(jiǎn)化分析，認(rèn)為負(fù)載參數(shù)不變，逆變電路的工作頻率也是固定的。實(shí)際上在中頻加熱和鋼料熔化過程中，感應(yīng)線圈的參舉是隨時(shí)間而變化的，固定的工作頻率無法保證晶閘管的反壓時(shí)間大于關(guān)斷時(shí)間，可能導(dǎo)致逆變失敗。為了保證電路早常工作，必須使工作頻率能適應(yīng)負(fù)載的變化而自動(dòng)調(diào)整。這種控制方式稱為自勵(lì)方式，即逆變電路的觸發(fā)信號(hào)取自負(fù)載端，其工作頻率受負(fù)載諧振頻率的控制而比后者

10、高一個(gè)適當(dāng)?shù)闹?。與自勵(lì)式相對(duì)應(yīng)，固定工作頻率的控制方聲稱為他勵(lì)方式。自勵(lì)方式存在著起動(dòng)的問題，因?yàn)樵谙到y(tǒng)未投入運(yùn)行時(shí)，負(fù)載端沒有輸出，無法取出信號(hào)。解決這一問題的方法之一是先用他勵(lì)方式，系統(tǒng)開始工作后再轉(zhuǎn)入自勵(lì)方式。另一種方法是附加預(yù)充電起動(dòng)電路，即預(yù)先給電容器充電，起動(dòng)時(shí)將電容能量釋放到負(fù)載上，形成衰減振蕩，檢測(cè)出振蕩信號(hào)實(shí)現(xiàn)自勵(lì)。2. 電流源型單相全橋逆變電路設(shè)計(jì)2.1電路設(shè)計(jì)原理逆變時(shí)電流源型逆變電路的直流部分需要輸出穩(wěn)定的直流電流，將仿真電路中的電壓源近似等效成電流源。在逆變電路中，由于電壓源串聯(lián)電阻可以等效成電流源，可以相互轉(zhuǎn)換，所以采用電壓源串聯(lián)大電阻來等效成電流源，再接上大電感，

11、直流側(cè)部分就設(shè)計(jì)完成。交流側(cè)采用單相橋式連接，由晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通電路，每個(gè)橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個(gè)電抗器LT。LT用來限制晶閘管開通時(shí)的di/dt,各橋臂LT之間不存在互感。此電抗器用電感等效，選用小電感。負(fù)載部分中電阻R2與電感L6串聯(lián)，后與大電容C1并聯(lián)，組成并聯(lián)諧振式電路。電容C1為補(bǔ)償電容，使負(fù)載過補(bǔ)償，使負(fù)載電路總體工作在容性，并略失諧的情況下。圖2-2 電路仿真圖2.2電路仿真圖3. 參數(shù)設(shè)定及仿真結(jié)果3.1直流側(cè)仿真3.1.1參數(shù)設(shè)定將電壓源VDC1設(shè)定為10伏，電壓源串聯(lián)的大電阻R1為1兆歐，與直流側(cè)相連的大電感L1為573毫亨。3.1.2仿真結(jié)果圖3-1-2直流側(cè)仿真波形圖3.2

12、交流側(cè)仿真3.2.1參數(shù)設(shè)定晶閘管中VT1與VT4，VT2與VT3以中頻1000至2500Hz的中頻輪流導(dǎo)通，將導(dǎo)通頻率設(shè)定為1500Hz。由逆變電路的工作波形可以看出兩組晶閘管相差180o輪流導(dǎo)通，導(dǎo)通角設(shè)定為0o。電抗器LT選擇小電感均為1毫亨。負(fù)載電路中需滿足并聯(lián)諧振條件WC=1/WL,由于觸發(fā)脈沖為1500Hz,所以將大電容C1設(shè)定為450uF，電感L6為2mH，取電阻R2為100歐姆。圖3-2-2 交流側(cè)仿真波形圖3.2.2仿真結(jié)果從仿真波形可以看出，通過本次逆變電路，在直流側(cè)的直流電通過橋式電路后，轉(zhuǎn)變成了交流電，且電流超前于電壓。4. 小結(jié)通過本次課程設(shè)計(jì)，對(duì)電力電子技術(shù)的知識(shí)有了更具體的理解和直觀的認(rèn)識(shí)。通過設(shè)計(jì)電流源型單相全橋逆變電路，并對(duì)其工作原理和輸入輸出情況進(jìn)行分析，將理論和實(shí)踐聯(lián)系在一起。