電力電子 單相交—直—交變頻裝置設(shè)計

1、 電力電子電力電子課程設(shè)計說明書課程設(shè)計說明書 單相交直交變頻裝置設(shè)計 學(xué) 院： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱/學(xué)位 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 號： 完成時間： 2015 年 6 月 湖南工學(xué)院電力電子課程設(shè)計課題任務(wù)書湖南工學(xué)院電力電子課程設(shè)計課題任務(wù)書學(xué)院： 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動化專業(yè)自動化專業(yè) 指導(dǎo)教師學(xué)生姓名課題名稱單相交直交變頻裝置設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個單相交直交變頻裝置，已知交流電源：單相 220V，中間直流電壓最大為 50V，輸出交流電壓約 45V，輸出最大電流 2A，最大功率 100W。二、設(shè)計內(nèi)容1、關(guān)于本課程學(xué)習(xí)情況簡述；

2、2、主電路的設(shè)計、原理分析和器件的選擇；3、控制電路的設(shè)計；4、保護(hù)電路的設(shè)計；5、利用 MATLAB 軟件對自己的設(shè)計進(jìn)行仿真。主要參考資料1 王兆安,王俊編.電力電子技術(shù)(第 5 版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20122 黃俊,秦祖蔭編.電力電子自關(guān)斷器件及電路.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19913 李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996教研室意見 教研室主任：（簽字）年 月 日摘 要隨著電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，單相交直交變頻系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，其顯著的變頻能力，寬泛的應(yīng)用范圍，完善的保護(hù)功能，以及易于實現(xiàn)的變頻功能，得到了廣大用戶的認(rèn)可

3、，在運(yùn)行的安全可靠、安裝使用、維修維護(hù)等方面，也給使用者帶來了極大的便利。近年來以燃料電池發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速。但是分布式發(fā)電技術(shù)發(fā)出發(fā)出的電都不是與電網(wǎng)供電系統(tǒng)相同的交流電，無法與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)或者直接供給普通負(fù)載使用，都需要變頻裝置將其變換成負(fù)載可以使用的交流電或者與大電網(wǎng)電壓、頻率相匹配的公頻交流電。因此，研究交直交變頻系統(tǒng)的基本工作原理和作用特性意義十分重大。本文研究了變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本組成部分，主回路主要有三部分組成：將工頻電源變換為直流電源的“整流器” ；吸收由整流器和逆變器回路產(chǎn)生的電壓脈動的“濾波回路” ，也是儲能回路；將直流功率變換為交流功率的“逆變器” 。使用 Matlab 搭建交

4、直交變頻系統(tǒng)的仿真模型，通過試驗對該交直交變頻系統(tǒng)的基本工作原理、工作特性及作用有更深的認(rèn)識，也對諧波對于交直交變頻系統(tǒng)的影響有了一定的了解。關(guān)鍵詞：電網(wǎng)；變頻；整流；逆變；諧波；仿真目 錄1 緒論.11.1 電力電子技術(shù)概況 .11.2 課程設(shè)計任務(wù) .11.3 課程設(shè)計內(nèi)容 .12 單相交直交變頻裝置設(shè)計.22.1 單相交直交變頻電路總體設(shè)計方案 .22.2 具體電路設(shè)計 .22.2.1 主電路設(shè)計.22.2.2 驅(qū)動電路設(shè)計.42.2.3 4013 芯片原理 .52.2.4 控制電路設(shè)計.52.3 元器件型號選擇 .63 仿真結(jié)果.83.1 仿真環(huán)境.83.2 仿真模型使用模塊提取的路徑

5、及其單數(shù)設(shè)置.83.3 具體仿真結(jié)果.113.3.1 仿真電路圖.113.3.2 整流濾波輸出電壓計算域仿真.113.3.3 逆變輸出電壓計算與仿真.12總結(jié).15參考文獻(xiàn).16致謝.1711 緒論1.1 電力電子技術(shù)概況電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT 等）對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)所變換的“電力”功率可大到數(shù)百 MW 甚至 GW，也可以小到數(shù) W 甚至 1W 以下，和以信息處理為主的信息電子技術(shù)不同電力電子技術(shù)主要用于電力變換。交直交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感作儲能元件，無功功率將由大電感來緩沖，它的一個突

6、出優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電動機(jī)處于制動 (發(fā)電)狀態(tài)時，只需改變網(wǎng)側(cè)可控整流器的輸出電壓極性即可使回饋到直流側(cè)的再生電能方便地回饋到交流電網(wǎng)，構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行能力，可用于頻繁加減速等對動態(tài)性能有要求的單機(jī)應(yīng)用場合，在大容量風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中也有應(yīng)用。近年來，隨著電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高

7、效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。深入了解交流傳動與控制技術(shù)的走向，具有十分積極的意義。1.2 課程設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個單相交直交變頻裝置，已知交流電源：單相 220V，中間直流電壓最大為 50V，輸出交流電壓約 45V，輸出最大電流 2A，最大功率 100W。1.3 課程設(shè)計內(nèi)容1、關(guān)于本課程學(xué)習(xí)情況簡述；2、主電路的設(shè)計、原理分析和器件的選擇；3、控制電路的設(shè)計；4、保護(hù)電路的設(shè)計；5、利用 MATLAB 軟件對自己的設(shè)計進(jìn)行仿真。22 單相交直交變頻電路設(shè)計2.1 單相交直交變頻電路總體設(shè)計方案如圖 1 交直交變頻器原理是先把交流

8、電經(jīng)整流器先整流成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，再經(jīng)過逆變器把這個直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。 圖 1 單相交直交變頻電路總體方案圖2.2 具體電路設(shè)計2.2.1 主電路設(shè)計圖 2 單相交直交變頻電路原理圖如圖 2 交直交變頻電路由兩部分組成，交直交直流為整流部分，采用不可控的二級管整流電路，直流側(cè)用電容和電感進(jìn)行濾波，可得到平直的中間直流電壓。此部分結(jié)構(gòu)簡單可靠，性能滿足實驗的需要。直流變交流為逆變部分，采用單相橋式逆變電路，PWM 控制，輸出電壓的大小及頻率均通過 PWM 控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于中間直流環(huán)節(jié)為電容濾波，因此圖2.2 的逆變電路為電壓型。PWM 控制

9、技術(shù)即脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，是通過對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得需要的波形。PWM 控制在你變電路中的應(yīng)用最為廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了 PWM 控制技術(shù)。PWM 控制技術(shù)對逆變電路的影響十分深刻。PWM 控制的方法可分為三類，即計算法、調(diào)制法和跟蹤控制法。其中，調(diào)制法是較為常用的也是基本的一類方法，而調(diào)制法中最基本的是利用三角載波3與正弦信號波進(jìn)行比較的調(diào)制方法，也可以采用雙極性調(diào)制。在本實驗裝置中，采用了雙極性 PWM 調(diào)制技術(shù)。以下是雙極性 PWM 調(diào)制的原理。雙極性 PWM 控制原理示意圖如圖 3 所示。采用雙極性炮 PWM 調(diào)制技術(shù)時，以希望得到的交流正弦輸出波形作為信

10、號波，采用三角波作為載波，將信號波與載波進(jìn)行比較，在信號波與載波的交點(diǎn)時刻控制各開關(guān)的通斷。在信號波的一個周期內(nèi)，載波有正有負(fù)，調(diào)制出來的輸出波形也是有正有負(fù)，其輸出波形有兩種電平。用表示信號波，表示載波，當(dāng)時，給、施加開通rucucruu 1V4V驅(qū)動信號，給、施加關(guān)斷驅(qū)動信號，此時如果，則、開通，如2V3V00i1V4V果，則、開通，但輸出電壓均為。反之，則、或、00i1VD4VDdUu 02V3V2VD開通，。圖中，是輸出電壓的基波分量。3VDd0-Uu ofu0u圖 3 雙極性 PWM 控制的原理42.2.2 驅(qū)動電路設(shè)計圖 4 驅(qū)動電路原理圖如圖 4，驅(qū)動電路作為控制電路和主電路的中

11、間環(huán)節(jié)。主要任務(wù)是將控制電路產(chǎn)生的控制器件通斷的信號轉(zhuǎn)化為器件的驅(qū)動信號。本實驗中使用了目前廣泛應(yīng)用的一種集成驅(qū)動芯片三菱公司的M57950L 驅(qū)動芯片。它可以完成一下功能：(1)電氣隔離 全橋電路的 4 個管子的驅(qū)動信號并不都是共地的，為此需要將控制信號進(jìn)行隔離，另外，控制電路的電壓等級低，而主電路電壓等級高，為了避免干擾，也必須進(jìn)行電氣隔離(2)波形整形 將控制電路產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)化為控制 IGBT 通斷所需要的驅(qū)動信號。(3)具有過流保護(hù)功能。通過檢測 IGBT 管的飽和壓降來判斷 IGBT 是否過流，過流時，IGBT 管的 CE 結(jié)之間的飽和壓降升到一定的值，使 8 腳輸出低電平，在光耦

12、TLP521-1 輸出端 OC1 變成高電平，經(jīng)過過流保護(hù)電路,如圖 5，使 4013輸出 Q 端變成低電平送給控制電路，起到了封鎖保護(hù)作用。 圖 5 保護(hù)電路設(shè)計 圖 6 CD4013 原理圖 52.2.3 4013 芯片原理如圖 6，設(shè)電路初始狀態(tài)均在復(fù)位狀態(tài)，Q1、Q2 端均為低電平。當(dāng) fi 信號輸入時，由于輸入端異或門的作用(附表是異或門邏輯功能表)，其輸出還受到觸發(fā)器 IC2 的 Q2 端的反饋控制(非門 F2 是增加的一級延遲門，A 點(diǎn)波形與 Q2相同)。在第 1 個 fi 時鐘脈沖的上升沿作用下，觸發(fā)器 IC1、IC2 均翻轉(zhuǎn)。由于Q2 端的反饋?zhàn)饔檬沟卯惢蜷T輸出一個很窄的正脈

13、沖，寬度由兩級 D 觸發(fā)器和反相門的延時決定。當(dāng)?shù)?1 個 fi 脈沖下跳時，異或門輸出又立即上跳，使 IC1 觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，而 IC2 觸發(fā)器狀態(tài)不變。這樣在第 1 個輸入時鐘的半個周期內(nèi)促使 IC1 觸發(fā)器的時鐘脈沖端 CL1 有一個完整周期的輸入，但在以后的一個輸入時鐘的作用下，由于 IC2 觸發(fā)器的 Q2 端為高電平，IC1 觸發(fā)器的時鐘輸入跟隨 fi 信號(反相或同相)。本來 IC1 觸發(fā)器輸入兩個完整的輸入脈沖便可輸出一個完整周期的脈沖，現(xiàn)在由于異或門及 IC2 觸發(fā)器 Q2 端的反饋控制作用，在第1 個 fi 脈沖的作用下得到一個周期的脈沖輸出，所以實現(xiàn)了每輸入一個半時鐘脈沖，

14、在 IC1 觸發(fā)器的 Q1 端取得一個完整周期的輸出。2.2.4 控制電路設(shè)計 圖 7 控制電路原理圖6控制電路的工作流程是：信號發(fā)生（包括產(chǎn)生信號波和載波） 、信號調(diào)制、產(chǎn)生 IGBT 的驅(qū)動信號。圖 7 給出了控制電路的原理圖在本實驗裝置中，采用兩片 ICL8038 分別產(chǎn)生正弦信號波和三角波載波。根據(jù)雙極性 PWM 信號。在圖 1 所示的電壓型單相橋式逆變電路中需要注意的一點(diǎn)是 V1和 V4不能同時導(dǎo)通，V2和 V3不能同時導(dǎo)通，否則將使直流側(cè)發(fā)生短路。為避免兩對器件同時導(dǎo)通，需要在兩對器件的開關(guān)狀態(tài)切換時設(shè)置死區(qū)，確保先斷后通。圖三的控制電路中使用了單穩(wěn)態(tài)多頻率振蕩器 4528 來實現(xiàn)

15、死區(qū)的控制。 ICL8038 是精密波形發(fā)生器，它產(chǎn)生的波形的頻率可以從 0.001Hz 到300Hz。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 8 所示圖 8 ICL8038 內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖2.3 元器件型號選擇（1)二極管參數(shù)計算： AIIId22(1)流過每個二極管的電流是 (2) (3) (4) 所以選擇 150v/2.5A 的二極管。AIIdVT22AIIVTN8 . 212. 2) 25 . 1 (VUUN168112)32(27（2)變壓器變比計算： (5) (6)所以選擇變比為 4：1 的變壓器最好。（3）IGBT 參數(shù)計算： (7)VUURM7922 (8)VUURMN237158) 32( (9)A

16、IIVTN80. 135. 157. 1/)25 . 1 (所以選 220v/2.5A 的 IGBT 管。VUUd569 . 021:45622021VVUUn83 仿真結(jié)果3.1 仿真環(huán)境本次設(shè)計中用 Altium designer 畫出原理圖，仿真則主要用 Matlab 軟件來仿真，用示波器觀察整流和逆變的輸出波形圖，評估整個系統(tǒng)的功能。3.2 仿真模型使用模塊提取的路徑及其單數(shù)設(shè)置離散 PWN 發(fā)生器模 Discrete PWM Generator 提取路徑是：SimulinkSimPower SystemsPower ElectronicsDiscrete Control Blocks

17、Discrete PWM Generator 信號終結(jié)模塊 Terminator 提取路徑是：SimulinkCommonly Used BlocksTerminator 交流電模塊：“Phase”初相角 0 度， “Frequency”頻率 50Hz,“Sample Time”采樣時間 0（默認(rèn)值 0 表示該交流電源為連續(xù)源） ， “Peak amplitude”當(dāng)變頻輸出頻率為 100Hz 時置為600VC2，當(dāng)變頻輸出頻率為 50Hz 時置為 50V2。濾波電感 L1：選 Series RLC Branch 模塊，將參數(shù)“Inductance(H)”z置為 80e-3。圖 9 電感 L1

18、 參數(shù)設(shè)置濾波電路 L2：選 Series RLC Branch 模塊，將參數(shù)“Inductance(H)”置為 30e-3。9圖 10 電感 L2 參數(shù)設(shè)置濾波電容 C1：選 Series RLC Branch 模塊，將參數(shù)“Capacitance(F)”置為 1800e-6。圖 11 電容 C1 參數(shù)設(shè)置濾波電容 C2：選 Series RLC Branch 278 模塊，將參數(shù)“Capacitance(F)”置為 320e-6。10圖 12 電容 C2 參數(shù)設(shè)置不可控的整流橋 Universal bridge 的參數(shù)設(shè)置如下：圖 13 Universal bridge 的參數(shù)設(shè)置113.

19、3 具體仿真結(jié)果3.3.1 仿真電路圖單相整流逆變電路的仿真模型如下所示，由圖可知，單相 220V、50Hz 交流電源經(jīng)單相不可控整流環(huán)節(jié)，進(jìn)行 LC 濾波后即為中間直流環(huán)節(jié)。在進(jìn)入 PWM逆變，又一次 LC 濾波后，形成所需的交流信號。圖 14 仿真原理圖3.3.2 整流濾波輸出電壓計算域仿真運(yùn)用 matlab 對交流電源與經(jīng)過橋式整流之后的電壓信號進(jìn)行了仿真之前，對兩電壓的波形進(jìn)行理論的分析：在單相橋式全控整流電路中，晶閘管 VT1 和 VT4 組成一對峭壁，VT2 和 VT3組成另一對橋臂，字 U2 正半周，若 4 個晶閘管均不導(dǎo)通，負(fù)載電流為零，輸出電壓 U 也為零，在 U2 的一半。

20、若在觸發(fā)角 處給 VT1 和 VT4 加觸發(fā)脈沖，VT1 和 VT4 即導(dǎo)通，電流從電源 端經(jīng) VT1、R、VT4 流回電源另一端。當(dāng) U2 過零時，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1 和 VT4 關(guān)斷。晶閘管承受的最大正向電壓和最大反向電壓的值分別為 0.5U2 和U2。在 U2 負(fù)半周，仍在22觸發(fā)角延遲 處觸發(fā) VT2 和 VT3，VT2 和 VT3 導(dǎo)通，其電流電壓情況與正半周情況類似。并且按照此種規(guī)律循環(huán)往復(fù)的工作下去，在此種原理下可以計算得出以下公式。橋式整流輸出電壓： (10)21 cos0.92daUU由于經(jīng)過濾波之后，電壓會上升，其實際值接近 350V。兩信號的 matlab仿

21、真波形記錄如下：12圖 15 整流濾波輸出電壓器由上圖可以看出整流輸出的是脈動的直流電壓波形，通過濾波電路，將其變成紋波較小的直流電壓。3.3.3 逆變輸出電壓計算與仿真電壓型全橋逆變電路的原理圖在上面的基礎(chǔ)電路中已經(jīng)給出，它共有四個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。把橋臂 1 和 4 作為一對，橋臂 2 和橋臂 3 作為一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩隊交替導(dǎo)通 180 度，其輸出電壓： (11)011sinsin3sin5.35dUUttt其中，基波的幅值 Uolm 和基波有效值 UO1 分別為： (12)dmoUUUd27. 141 (13)ddoUUU9 . 041由于輸出電壓由開

22、關(guān)管的開通與關(guān)斷頻率決定，所以輸出電壓為無數(shù)技校的矩形組成，在 matlab 中，逆變電路輸出電壓頻率有 PWM 脈沖觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置。其參數(shù)設(shè)置如下圖：13圖 16 PWM 脈沖觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置在采樣理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出相應(yīng)波形基本相同。如果把脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形波脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積相等就能得到相應(yīng)的脈沖序列，這就是 PWM 波形?？梢钥闯?，各脈沖的幅值相等，而寬度 是按正弦規(guī)律

23、變化的。根據(jù)面積等效的原理，PWM 波形和正弦波是等效的。對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到 PWM 波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱 PWM 波形。14圖 17 逆變輸出電壓由圖可知，輸出電壓頻率為 400Hz 的交流電壓，波形與理論分析結(jié)果一致，可得，此交流變換器，即交流變頻仿真得到了正確的結(jié)果。15總 結(jié)課程設(shè)計結(jié)束了，在設(shè)計過程中，與同學(xué)分工設(shè)計，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會了合作，學(xué)會了運(yùn)籌帷幄，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，也學(xué)會了做人與處世。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必

24、不少的過程。通過這次課程設(shè)計，綜合運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)課程的理論和實際知識實際運(yùn)用從而培養(yǎng)和提高學(xué)生獨(dú)立工作能力，鞏固與擴(kuò)充了單相交直交變頻裝置設(shè)計等課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握了方法和步驟，怎樣確定方案，了解了電路的基本結(jié)構(gòu)，提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨(dú)立思考的能力也有了提高。在這次設(shè)計過程中，體現(xiàn)出自己單獨(dú)設(shè)計電路的能力以及綜合運(yùn)用知識的能力，體會了學(xué)以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補(bǔ)。在此感謝我們的老師，老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪；這次課程設(shè)計的每個實驗細(xì)