電力電子課程設(shè)計(jì)

1、引言變頻電源是在國(guó)內(nèi)一般的稱呼，更準(zhǔn)確的說(shuō)，應(yīng)該叫交流電力頻率轉(zhuǎn)換器，即Ac power Frequency Converter，一般用縮寫AFC來(lái)稱呼。變頻電源的整個(gè)發(fā)展史基本是隨著電子器件的發(fā)展而發(fā)展的。變頻電源裝置主要分為交直交變頻和交交變頻兩大類，交直交變頻又可分為電壓型和電流型兩大類，交交變頻多為電壓型，也有少量使用電流型。交直交變頻電源主要有兩大類：線性放大型和PWM開(kāi)關(guān)型。本文介紹PWM開(kāi)關(guān)型變頻電源的設(shè)計(jì)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，在80年代末，富士生產(chǎn)出了第一代的IGBT，該電子器件的特性集成了GTR及MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)速度快，通流能力強(qiáng)，故很快就被應(yīng)用到逆變領(lǐng)域。隨著實(shí)力

2、強(qiáng)大的三菱、西門康、英飛凌等廠家在IGBT領(lǐng)域的加入，使得IGBT的發(fā)展速度日新月異，更新?lián)Q代的速度加快，IGBT的開(kāi)關(guān)速度及通流能力得到進(jìn)一步的加強(qiáng)，這樣，就使得大功率的變頻電源的制作得以實(shí)現(xiàn)。1 交直交變頻電源總體設(shè)計(jì)主電路的功能是將輸入交流電的電壓和頻率進(jìn)行變化。主電路包括輸入部分的三相不可控橋式整流電路，作用是將輸入的交流電整流為直流電輸出，輸出部分為三相橋式PWM逆變電路。作用是將輸入部分輸出的直流電逆變?yōu)榻涣麟?，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)器件的通斷間隔從而達(dá)到輸出交流電電壓和頻率的變換。其組成框圖如圖1-1所示：圖1-1 系統(tǒng)組成框圖2 主回路設(shè)計(jì)2.1 交流直流部分設(shè)計(jì)方案對(duì)于直流交流部分由于

3、三相交流輸入為380V，電壓波動(dòng)率為±10%。交流直流部分采用三相不可控整流電路，電路圖如圖2-1所示：。圖2-1 主電路交流直流部分其中加入電容C，過(guò)濾全波整流后的電壓紋波，另外當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，是直流電壓保持平穩(wěn)。2.2 直流交流部分設(shè)計(jì)對(duì)于直流交流部分，由于輸入為經(jīng)整流后的直流電，需要逆變?yōu)槿嘟涣麟娸敵觯疚牟捎萌鄻蚴絇WM逆變電路，并采用雙極性控制方式，雙極性PWM控制波形和三相橋式PWM逆變電路如圖2-2所示：圖2-2 三相橋式逆變電路3 主電路元件選擇及參數(shù)計(jì)算3.1 電容濾波的三相不可控整流電路（1）輸出電壓平均值 空載時(shí)，輸出電壓平均值最大，為Ud=6U2=2.4

4、5U2。隨著負(fù)載加重，輸出電壓平均值減小，至wRC=3進(jìn)入id連續(xù)情況后，輸出電壓波形成為線電壓的包絡(luò)線，其平均值為Ud=2.34U2。可見(jiàn)，Ud在2.34U2到2.45U2之間變化。（2）電流平均值 輸出電流平均值IR為IR=Ud/R與單相電路情況一樣，電容電流iC平均值為零，因此，Id=IR在一個(gè)電源周期中，id有六個(gè)波頭，流過(guò)每一個(gè)二極管的是其中的兩個(gè)波頭，因此二極管電流平均值為IVD=Id/3（3）二極管承受的電壓 二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為6U2。（4）電容的選定對(duì)于電容濾波的三相不可控整流電路，負(fù)載電流存在著連續(xù)與不連續(xù)的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)中確定負(fù)載電流連續(xù)，即滿足條件w

5、RC=3。由于交流輸入電源的工頻為50HZ，所以w=314rad/s，R取1K（本濾波整流電路右側(cè)為三相橋式PWM型逆變電路，其輸入電阻比較大，故整定本濾波整流電路負(fù)載為1 K）。所以，電容C=5.516F。電容的電壓值以及電流值選取 ： 由于Ud在2.34U2到2.45U2之間變化，故此電容兩端的電壓值的范圍也為2.34U2到2.45U2之間。因此，可以得到2.34（380/3）VUd2.45（380/3）V514.8VUd550V在整個(gè)整流過(guò)程中，電容的電流平均值為零。根據(jù)上面計(jì)算，選擇電容參數(shù)如下：型號(hào)：鋁電解電容 CD71C參數(shù)：額定電壓750V ，電容值：100uF（5）二極管的選定

6、電壓值選取本電容濾波的三相不可控整流電路中各個(gè)二極管承受的最大反向電壓為6U2，即537.40V。選取一定的安全裕量，即取UVD為所承受的最大反向電壓的1到2倍UVD=537.401074.8V電流值選取Id=IR=Ud/R=0.5148A考慮到安全裕量，取ic=1AIVD=Id/3=0.1716A考慮到安全裕量，取ic=0.2A根據(jù)上述計(jì)算，所以選擇二極管參數(shù)如下：型號(hào)：2CP29峰值電流：0.3A最大電壓：1000V數(shù)量：63.2 雙極性調(diào)制控制方式的三相橋式PWM電壓型逆變電路（1）IGBT的選擇由于逆變電路直流側(cè)電壓為左側(cè)整流電路id連續(xù)時(shí)的電壓，即Ud=2.34U2=514.8V。在

7、IGBT導(dǎo)通時(shí)，管壓降可忽略不計(jì)，電感在充放電的過(guò)程中平均電流為零，因此，電路中流過(guò)的電流為I=Ud/R=514.8÷1000=0.5148A考慮一定的裕量，則IGBT的耐流值取I的1.5倍，即0.7722AIGBT承受的電壓為Ud/2，即257.4V，考慮一定的裕量，則IGBT的耐壓值772.2V。根據(jù)上述計(jì)算，選擇IGBT參數(shù)如下：型號(hào)：GTl53101最高耐壓值：1000V最高電流值；200A數(shù)量：6個(gè)（2）二極管的選擇二極管承受的電壓同為257.4V，考慮一定的裕量，則二極管耐壓值取1.5倍，即386.1V；二極管流過(guò)的電流為0.5148A，考慮一定的裕量，則二極管耐流值取1

8、.5倍，即0.7722A。根據(jù)上述計(jì)算，選擇二極管參數(shù)如下：型號(hào)：BY550-1000峰值電流：1A額定最大電壓：1000V（3）電阻電容電感的選擇選擇三個(gè)1千歐姆的CF50碳膜電阻器，兩個(gè)鋁電解電容 CD71C，三個(gè)SDRH62繞線貼片功率電感。4 驅(qū)動(dòng)電路選擇由于本交-直-交PWM變頻電源的逆變電路采用三相橋式PWM電壓型逆變電路，根據(jù)其特點(diǎn)，要求逆變電路中采用全控型電力電子器件，然而電力電子器件中的全控型器件種類較多，有電力MOSFET、GTR、GTO等。其中GR、GTO的關(guān)斷速度較差，會(huì)影響輸出波形，效果會(huì)很差。而IGBT則綜合了電力MOSFET以及GTR的特點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)中選擇IGB

9、T作為逆變電路中的開(kāi)關(guān)器件。從而驅(qū)動(dòng)電路為IGBT的驅(qū)動(dòng)電路。IGBT的驅(qū)動(dòng)多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器，例如三菱公司的M579系列和富士公司的EXB系列。同一系列的不同型號(hào)其引腳和接線基本相同，只是適合被驅(qū)動(dòng)器件的容量和開(kāi)關(guān)頻率以及輸入電流等參數(shù)有所不同。圖4-1給出了M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)的接線圖。M51962L輸出的正驅(qū)動(dòng)電壓為+15V左右，負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓為-10V。 圖4-1 M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器接線圖5 保護(hù)電路、緩沖電路設(shè)計(jì)5.1保護(hù)電路利用死區(qū)生成電路進(jìn)行短路保護(hù)，其作用是防止逆變橋同一相上下兩個(gè)橋臂直通而造成短路。電路形式如下：圖5-1保護(hù)電路器件選擇：在電壓型逆變電

10、路的PWM控制中，同一相上下兩個(gè)臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都是互補(bǔ)的。但實(shí)際上為了防止上下兩個(gè)臂直通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時(shí)要留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由功率開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間來(lái)決定。這個(gè)死區(qū)時(shí)間將會(huì)給輸出的PWM波形帶來(lái)一定影響，使其稍微偏離正弦波。由于死區(qū)時(shí)間取決于電容的充電時(shí)間，而經(jīng)過(guò)滯回比較器輸出的信號(hào)最大幅值約為5V，低電平為0.5V根據(jù)電容充放電特性UC=US(1-e-t/RC) UCmax=5V令t=7ms,則兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得出結(jié)果為RC=4.3X10-6s，取C=104pF，R=394.6K所以選擇一個(gè)50V-104PF-Z瓷片電容，一個(gè)394.6

11、K的CF50碳膜電阻器。5.2 過(guò)電壓保護(hù)（1）在IGBT中加上緩沖電路，吸收浪涌電壓。在緩沖電路的電容器中使用薄膜電容，并配置在IGBT附近，使其吸收高頻浪涌電壓。具體方案在第六章 緩沖電路的設(shè)計(jì)中將會(huì)說(shuō)明。（2）調(diào)整IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的-VGE和RG，減小di/dt。（3）為了減小主電路和緩沖電路的配線電感，配線要更粗、更短。在配線中使用銅條。另外進(jìn)行并列平板配線（分層配線），使用配線低電感化將有很大的效果。5.3 緩沖電路具體設(shè)計(jì)本次用到的IGBT型號(hào)為Tl53101，高耐壓值為1000V，高電流值為200A，根據(jù)情況選擇對(duì)于每個(gè)IGBT的緩沖電路結(jié)構(gòu)如下所示：圖5-2 充放電型RCD緩

12、沖電路在無(wú)緩沖電路的情況下，逆變電路中的IGBT開(kāi)通時(shí)電流迅速上升，di/dt很大，關(guān)斷時(shí)du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過(guò)電壓。在有沖放型RCD緩沖電路的情況下，開(kāi)通時(shí)緩沖電容先通過(guò)R向IGBT放電，使電流先上一個(gè)臺(tái)階，以后因?yàn)橛衐i/dt抑制電路的緣故，電流上升速度減慢。緩沖電路中的電阻和二極管是在IGBT關(guān)斷時(shí)提供放電回路而設(shè)置的。結(jié)論本文主要討論了變頻電源的種類，及其各種變頻電源的區(qū)別，并著重講述了交直交變頻電源的應(yīng)用和設(shè)計(jì)。本文所介紹的內(nèi)容有：（1）變頻電源方案論證及設(shè)計(jì)；（2）主回路元件選擇；（3）驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；（4）保護(hù)電路設(shè)計(jì)；（5）緩沖電路設(shè)計(jì)；（6）PWM控制策略；（7）濾波電路設(shè)計(jì)。同時(shí)本文通過(guò)計(jì)算完成了各個(gè)部分器件的選擇，從而整體上對(duì)交直交變頻電源的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)體會(huì)此次設(shè)計(jì)使我對(duì)電力電子技術(shù)有了新的認(rèn)識(shí),更深的了解，基本掌握了基本變流電路的設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)對(duì)我