單相橋式整流逆變電路的設計及仿真

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學 電力電子技術電力電子技術 課程設計（論文）課程設計（論文）題目：題目： 單相橋式整流單相橋式整流/ /逆變電路的設計及仿真逆變電路的設計及仿真 院（系）：院（系）： 電氣工程學院電氣工程學院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 自動化自動化111111班班 學學 號：號： 110302030110302030 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： （簽字）起止時間：起止時間： 2013.12.30-2014.1.10 本科生課程設計（論文）I課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：自動化 本科生課程設計（論文）II注：成績

2、：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算學 號1103020學生姓名專業(yè)班級課程設計（論文）題目單相橋式整流/逆變電路的設計及仿真課程設計（論文）任務課題完成的功能、設計任務及要求、技術參數(shù)課題完成的功能、設計任務及要求、技術參數(shù)實現(xiàn)功能實現(xiàn)功能整流電路是將交流電能變成直流電供給直流用電設備，在生產(chǎn)實際中，用于電阻加熱爐、電解、電鍍中，這類負載屬于電阻類負載。逆變電路是把直流電變成交流電。逆變電路應用廣泛，在各種直流電源中廣泛使用。設計任務及要求設計任務及要求 1、確定系統(tǒng)設計方案，各器件的選型2、設計主電路、控制電路、保護電路；3、各參數(shù)的計算；4、建立仿真模型，驗證設計結(jié)果。

3、5、撰寫、打印設計說明書一份；設計說明書應在 4000 字以上。技術參數(shù)技術參數(shù)整流電路：單相電網(wǎng) 220V，輸出電壓 0100V，電阻性負載， ，R=20 歐姆逆變電路：單相全橋無源逆變，輸出功率 200W，輸出電壓 100Hz 方波進度計劃1、 布置任務，查閱資料，確定系統(tǒng)方案（1 天）2、 系統(tǒng)功能分析及系統(tǒng)方案確定（2 天）3、 主電路、控制電路等設計（1 天）4、 各參數(shù)計算（1 天）5、 仿真分析與研究（3 天）6、 撰寫、打印設計說明書（1 天）答辯（1天）指導教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日本科生課程設計（論文）III摘 要整流電路

4、是把交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。逆變電路是把直流電變成交流電的電路，與整流電路相對應。無源逆變電路則是將交流側(cè)直接和負載連接的電路。此次設計的單相橋式整流電路是利用二極管來連接成“橋”式結(jié)構，達到電能的充分利用，是使用最多的一種整流電路。無源逆變是指逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)連接，而是直接接到負載，即將直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供給負載。關鍵詞：交直流轉(zhuǎn)換；橋式整流；無源逆變電路； 本科生課程設計（論文）IV目錄第 1 章 緒論.1第 2 章 課程設計的方案.22.1 概述.22.2 系統(tǒng)組成方案.22.2.1 單相橋式整流電路的結(jié)構.2

5、2.2.2 單相橋式無源逆變電路的結(jié)構.3第 3 章 主電路設計.43.1 單相橋式整流主電路.43.1.1 單相橋式整流主電路圖.43.1.2 工作原理.43.2 單相橋式無源逆變電路主電路.53.2.1 單相橋式整流電路主電路圖.53.2.2 工作原理.6第 4 章 控制電路設計.74.1 單相橋式整流電路控制.74.1.1 觸發(fā)電路.74.1.2 保護電路.84.2 單相橋式無源逆變電路控制電路.94.2.1 驅(qū)動電路.94.2.2 保護電路.10第 5 章 MATLAB 仿真.125.1 單相橋式整流電路的仿真.125.2 單相橋式無源逆變電路的仿真.15第 6 章 課程設計總結(jié).17

6、參考文獻.18本科生課程設計（論文）1第 1 章 緒論整流電路就把交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20 世紀 70 年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設置與否視具體情況而定，其作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。另外，還有采用全控型器件的電路，其主要控制方式為 PWM 脈寬調(diào)制式，后來，又把驅(qū)動，控制，保護電路和功率器件集成在一起，構成功率集成電路（PIC） ，隨著全控型電力電子器件的發(fā)展，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。同時，電力電

7、子器件的開關損耗也隨之增大，為了減小開關損耗，軟開關技術便應運而生，零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）把電力電子技術和整流電路的發(fā)展推向了新的高潮。逆變電路與整流電路相對應，是把直流電變成交流電的電路。當交流側(cè)接在電網(wǎng)上，即交流側(cè)接有電源時，稱為有源逆變；而無源逆變是指逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)連接，而是直接接到負載，即將直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供給負載。它在交流電機變頻調(diào)速、感應加熱、不停電電源等方面應用十分廣泛，是構成電力電子技術的重要內(nèi)容。另外，逆變電路輸出電壓基波方均根值隨外加控制信號電壓的大小作連續(xù)調(diào)節(jié)。逆變電路的基本功能固然是將直流電能改變成所需頻率的交流電能，但

8、含逆變電路的工業(yè)特殊交流電源，除了必須具備變頻功能之外，還要求其出端電壓在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。例如：交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。它的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。再例如，為了防止交流電動機磁路飽和，用于變頻調(diào)速的電源輸出電壓需要與工作頻率同步調(diào)節(jié),以保持 U/f 值為常數(shù)（其中 U 為電源輸出基波電壓方均根值,f 為工作頻率） 。為了適應不同工件和工藝規(guī)范的需要，用于感應加熱的電源輸出功率需要在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)（相當于電源輸出電壓可調(diào)） 。為了在電網(wǎng)和負載波動條件下維持輸出

9、電壓恒定，各種恒壓電源（如不停電電源等）必須具備輸出電壓快速調(diào)節(jié)的功能等等。本科生課程設計（論文）2第 2 章 課程設計的方案2.1 概述本次設計主要設計單相橋式整流電路和單相全橋無源逆變電路。這兩個電路在電力電子這門課程中算是比較簡單的電路，但同時也是基礎型的電路。這次設計不僅可以更直觀的了解電路的工作情況和各個器件的工作原理，使自己對電力電子知識的掌握更加清晰、牢固。同時可以通過對比來分辨兩個電路的不同作用。整流電路要求輸入單相電網(wǎng) 220V，輸出電壓 0100V，電阻性負載， ，R=20 歐姆，通過設計整流電路并按照要求參數(shù)進行仿真，可以得到相應的波形。逆變電路要求單相全橋無源逆變，輸出

10、功率 200W，輸出電壓 100Hz 方波，應采用無源方波逆變電路，通過對參數(shù)的正確設置，就可以仿真出所求波形。2.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構2.2.1 單相橋式整流電路的結(jié)構單相橋式整流電路在輸入單相電源后經(jīng)過變壓器帶動驅(qū)動電路使晶閘管處于通狀態(tài)來控制整流電路的通斷，整流電路與負載相連得到整流后的波形，保護電路在整個過程中保證電路的正常運行，防止過壓或過流情況的發(fā)生。圖2.1 單相橋式整流電路的結(jié)構單相電源驅(qū)動電路單相橋式整流電路負載保護電路本科生課程設計（論文）32.2.2 單相全橋無源逆變電路的結(jié)構 無源逆變是指逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)連接，而是直接接到負載，即將直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的

11、交流電供給負載。直流側(cè)與電源相接，通過濾波電路得到需要的電壓范圍，整流電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電，輸出給負載，控制電路全程逆變控制電路的通斷。圖2.2 單相橋式無源逆變電路的結(jié)構直流電源逆變輸入濾波負載輸出濾波控制電路本科生課程設計（論文）4第 3 章 主電路設計3.1 單相橋式整流電路主電路3.1.1 單相橋式整流主電路圖圖3.1 單相橋式整流主電路圖3.1.2 工作原理如上圖所示，晶閘管 VT1 和 VT2 組成一對橋臂，晶閘管 VT4 和 VT3 組成另一對橋臂。當 u2 為正半周時，在t= 瞬間給 VT1 和 VT4 以觸發(fā)脈沖，則電流i2 從 aVT1RdVT4b,VT2 和 VT3

12、 均承受反向電壓而關斷；在電源電壓 u2的負半周期時，仍在控制角時刻觸發(fā) VT2 和 VT3，電流 i2 從 VT1VT3VT2VT4Rdu2i2ab本科生課程設計（論文）5bVT3RdVT2a,如此一個個周期周而復始地重復、循環(huán)。由于單相橋式整流電路直流電壓在一個周期內(nèi)有兩個波頭，故整流電壓平均值可按下式計算：2/cos129 . 0)sin22(Ud0UtdtU當 =0時，晶閘管全導通，相當二極管的不可控整流，Ud=0.9U2 為最大值； 當 =90時，Ud=0，為最小值，可見，其移相范圍為 90。對電路來說,晶閘管的選取會影響到電路的功能和輸出,因此,晶閘管的參數(shù)的選取十分重要,決定晶閘

13、管性能的主要參數(shù)有:主要電壓參數(shù)包括斷態(tài)重復峰值電壓,反向重復峰值電壓,反向擊穿電壓,通態(tài)平均電壓和斷態(tài)電壓臨界上升率。主要電流包括通態(tài)平均電流，斷態(tài)平均電流，維持電流，掣住電流和浪涌電流等。因此，出于對電路輸出的考慮，選取 KP1 型晶閘管，其主要參數(shù)為：通態(tài)正向平均電流 It 為 1av,斷態(tài)正反向重復峰值電壓 Udrn,Udrrm 為 50160V，門極觸發(fā)電壓 Vgt 為2.5V，門極觸發(fā)電流 Igt 為 20mA。根據(jù)以上參數(shù)可求得晶閘管承受的最大正、反向電壓都是U2。 2流過每個晶閘管的電流平均值和有效值公式分別為dIdIdvI5 . 0Idvt22IdIdIdv2122Idvt本

14、科生課程設計（論文）63.2 單相橋式無源逆變電路主電路3.2.1 單相橋式無源逆變主電路圖圖3.2 單相橋式無源逆變主電路圖3.2.2 工作原理單相橋式無源逆變電路如上圖所示，從圖中可看出，它由兩對橋臂組合而成，VT1 和 VT4 構成一對導電臂，VT2 和 VT3 構成另一對導電臂，兩對導電臂交替導通 180 度。其工作過程如下： t=0 時刻以前，VT2、VT3 導通，VT1、VT4 關斷，電源電壓反向加在負載上，Uo =-Ud。 在 t=0 時刻，負載電流上升到負的最大值，此時關斷 VT2、VT3，同時驅(qū)動VT1、VT4，由于感性負載電流不能立即改變方向，負載電流經(jīng) VD1、VD4 續(xù)

15、流，此時，由于 VD1、VD4 導通，VT1、VT4 受反壓而不能導通。負載電壓Uo=+Ud。在 t=t1 時刻，負載電流下降到 0，VD1、VD4 自然關斷，VT1、VT4 在正向電壓作用下開始導通。負載電流正向增大，負載電壓 0u=+Ud。 在 t=t2 時刻負載電流上升到正的最大值，此時關斷 VT1、VT4，并驅(qū)動VT2、VT3，同樣，由于負載電流不能立即換向，負載電流經(jīng) VD2、VD3 續(xù)流，負載電壓 0u=-Ud。 VD1VT3VD2VT1VD3 VT2VT4VD4ABUduo,ioLoRo本科生課程設計（論文）7在 t= t3 時刻，負載電流下降到 0，VD2、VD3 自然關斷，V

16、T2、VT3 開通，負載電流反向增大時，0u=-Ud。 在 t= t4 時刻，負載電流上升到負的最大值，完成一個工作周期。 從圖 2-2 知，單相全橋逆變電路的輸出電壓為方波，定量分析時，將 0u 展開成傅立葉級數(shù)，得 /.5sin3sinsin*4UdUo5131）（ttt其中，基波分量的幅值 Uolm 和有效值 Uol 分別為： Uolm=1.27Ud Uol=0.9Ud 本科生課程設計（論文）8第 4 章 控制電路設計4.1 單相橋式整流電路控制電路4.1.1 單相橋式整流電路觸發(fā)電路1.電路圖圖4.1 單相橋整流電路觸發(fā)電路圖2.晶閘管觸發(fā)電路工作原理 （1） 由 V1、V2 構成的脈

17、沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器 TM 和附屬電路構成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。 （2） 當 V1、V2 導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。 R1VD1R3本科生課程設計（論文）9（3） VD1 和 R3 是為了 V1、V2 由導通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器 TM 釋放其儲存的能量而設的。 （4） 為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強脈沖部分，還需適當附加其它電路環(huán)節(jié)。 晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求： A、觸發(fā)脈沖的寬度應該保證晶閘管的可靠導通，對感性和反電動勢負載的變流器采用寬脈沖或脈沖列觸發(fā)，對變流器的啟動，雙星型帶平衡電抗器電路的觸發(fā)脈沖應該寬于 30，三相全控橋式電路應小于 60或采用

18、相隔 60的雙窄脈沖。 B、脈沖觸發(fā)應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應增大為器件最大觸發(fā)電流的 35 倍，脈沖前沿的陡度也要增加。一般需達 1-2A/us 所提供的觸發(fā)脈沖不應超過晶閘管門極的電壓、電流和額定功率，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。并且應有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及主電路的電氣隔離。4.1.2 單相橋式整流電路保護電路1.工作原理 設備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。過電壓保護的電壓保護的方法是采用電子電路進行保護。2.電路圖)11ln(11 CRTfe CBA本科生課

19、程設計（論文）10圖4.2 單相橋式整流保護電路圖4.2 單相橋式逆變電路控制電路的設計4.2.1 驅(qū)動電路1.功能介紹電力電子器件的驅(qū)動電路時電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動電路，可使電流電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全都有重要的意義。另外，對電力電子器件或整個裝置的一些保護措施也往往就近設在驅(qū)動電路中，或者通過驅(qū)動電路來實現(xiàn)，這使得驅(qū)動電路的設計更為重要。IGBT 的驅(qū)動多采用專用的混合集成驅(qū)動器。常用的有三菱公司的 M579 系列（如 M57962L 和

20、 M57959L）和富士公司的 EXB 系列（如 EXB840、EXB841、EXB850 和 EXB851） 。同一系列的不同型號其引腳和接線基本相同，只是適用被驅(qū)動器件的容量和開關頻率以及輸入電流幅值等參數(shù)有所不同。下圖給出了 M57962L 的接線圖和引腳圖。這些混合集成驅(qū)動器內(nèi)部都具有退飽和檢測和保護環(huán)節(jié)，當發(fā)生過電流時能快速響應但慢速關斷 IGBT，并向外部電路給出故障信號。M57962L 輸出的正驅(qū)動電壓均為+15V 左右，負驅(qū)動電壓為-10V。2.電路圖M57962L 的接線圖：本科生課程設計（論文）11圖4.3 單相橋式逆變驅(qū)動電路圖M57962L 的引腳圖： 1 2 3 4

21、5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 圖4.4 M57962L 的引腳圖3.工作原理當控制電路使 M57962L 輸入端 13 和 14 腳有 10mA 的電流時光耦 IC1 導通， A 點電位迅速下降至 VEE，使 IC2A 的 2 腳輸出為高電平 Vcc ，則三極管V2、V4 導通，V3、V5 截止，使 V7 導通，Vcc 加到 R17 上，同時由R18/ (R17+ R18)大于 R16/(R15+ R16)，導致 IC2D 的 13 腳為低電位，V6 截止，R4/(R3 +R4)大于 R16(R15 + R16)使 IC2B 的 13 腳截至，故 IC2 的 14 腳為高電

22、平V1，截止，M57962L 的 8 腳不輸出故障信號。 在 M57962L 輸入端 13 和 14 無電流時，IC1 截止，A 點電位上升使 IC2A 的2 腳變?yōu)榈碗娢?，則使 V3、V5 導通，V2、V4 截止。lGBT 的門極(GATE)通過V5 導通到 VEE，而使 IGBT 關斷。IC2C 的 14 腳輸出為低電平， 使 V1、V7 導通， 使 IC2B、IC2D 保持原先狀態(tài)不變。4.2.2 保護電路1.功能介紹在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅(qū)動電路設計良好外，M57962L本科生課程設計（論文）12采用合適的過電壓保護、過電流保護、du/dt 保護和 di/dt

23、 保護也是必要的。這里主要講述 IGBT 的過電壓保護。2.電路圖圖4.5 單相橋式逆變保護電路圖3.工作原理電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：1）操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起的過電壓。2）雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。可采用圖 4.5 所示的反向阻斷式 RC 電路。有關保護電路的參數(shù)計算可參照相關的工程手冊。采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。本科生課程設計（論文）13第 5 章 MATLAB 仿真Matlab 被譽為三

24、大數(shù)學軟件之一，它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值方面首屈一指。Matlab 可以進行矩陣、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域，受到各個研究領域的推崇和關注。本文也采用 MATLAB 軟件對研究結(jié)果經(jīng)行仿真，以驗證結(jié)果是否正確。5.1 單相橋式整流電路的仿真1. 整流仿真電路圖要求電路單相電網(wǎng) 220V，輸出電壓 0100V，電阻性負載， ，R=20 歐姆，設置參數(shù)如下：交流電網(wǎng)為 220V，脈沖幅值為 20，脈沖周期 0.02s,占空比為 20%，延遲時間的設置根據(jù)公式（觸發(fā)

25、角/360）*0.02 來設置。圖5.1 單相橋式整流仿真電路圖本科生課程設計（論文）142. 仿真波形當觸發(fā)角=30 度時，波形如下圖：圖5.2 單相橋式整流觸發(fā)角為30度電路圖本科生課程設計（論文）15當觸發(fā)角=60 度時，波形如下圖：圖5.3 單相橋式整流觸發(fā)角為60度電路圖當觸發(fā)角=90 度時，波形如下圖圖5.4 單相橋式整流觸發(fā)角為90度電路圖本科生課程設計（論文）165.2 單相橋式無源逆變電路的仿真1.參數(shù)設置 設計主要參數(shù)：單相全橋無源逆變，此采用電阻負載，直流側(cè)輸入電壓=100V, 脈寬為 =90的方波，輸出功率為 200W，電容和電感都設置為理想零狀態(tài)。頻率為 100Hz

26、。由頻率為 100Hz 即可得出周期為 T=0.01s，由于 V3 的基波信號比 V1 的落后了 90 度（即相當 1/4 個周期） 。 通過換算得： t3=0.001/4=0.0025s， 而 t1=0s。 同 理 得： t2=0.001/2=0.005S, 而 t4=0.00075S。 由理論情況有效值： Uo=Ud/2=50V。 又因為 P=200W 所以有電阻： R=Uo*Uo/P=12.5 則輸出電流有效值： Io=P/Uo=4A2.電路圖圖5.5 單相橋式逆變仿真電路圖本科生課程設計（論文）173. 仿真波形圖5.6 單相橋式逆變輸出波形電路圖如上圖所示，波形從上到下依次為負載電流

27、：最大值為 8A 的方波。負載電壓：最大值為 100V，波形與負載電流相同VT4 的觸發(fā)脈沖波形：幅值為 5，周期 0.01s.VT4 電流波形：最大值 8A，最小值 0AVT4 電壓波形：最大值 100V，最小值 0V。本科生課程設計（論文）18本科生課程設計（論文）19第 6 章 課程設計總結(jié)我這次電力電子技術課設主要設計單相整流和逆變電路并進行仿真，讓我有機會將課堂上所學的理論知識運用到實際中，并通過對知識的綜合運用，進行必要的分析、比較，從而進一步驗證了所學的理論知識。同時，這次課程設計，還讓我知道了最重要的是心態(tài)，在剛開始會覺得困難，但是只要充滿信心，就肯定會完成的。通過電力電子技術課程設計，我加深了對課本專業(yè)知識的理解，平常都是理論知識的學習，在此次課程設計過程中，我更進一步地熟悉了單相整流電路和逆變電路的原理和并深入了解了兩者的不同之處，對它們的認識不再僅僅停留在表面，而是真正明白了兩者的用途。當然，在這個過程中我也遇到了困難，查閱資料，相互通過討論。我準確地找出了錯誤并及時改正，不但使我的實踐能力得到進一步提高，也讓我在