100W單相交-直-交變頻電路.

1、遼寧工業(yè)大學電力電子技術(shù)課程設計（論文）題目100W單相交-直-交變頻實驗裝置院（系）：電氣工程學院專業(yè)班級：電氣105班學號：100303145學生姓名：王林指導教師：（簽字）起止時間：2012-12-31至2013-1-11本科生課程設計（論文）課程設計（論文）任務及評語院（系）:電氣工程學院教研室:電氣課程設計（論文）題目100303145學生姓名王林專業(yè)班級100W單相交-直-交變頻實驗裝置電氣105班課題完成的設計任務及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實現(xiàn)功能為了電力電子技術(shù)課程的教學實驗，設計此裝置，使學生通過該裝置測試、觀察及驗證單相交-直-交變頻的實現(xiàn)方法。設計任務1、方案的經(jīng)濟技術(shù)論證。

2、2、整流電路設計。3、逆變電路設計。4、通過計算選擇器件的具體型號。5、驅(qū)動電路設計或選擇。6、繪制相關(guān)電路圖。要求文字在4000字左右。文中的理論分析與計算要正確。文中的圖表工整、規(guī)范。元器件的選擇符合要求。1、2、3、4、技術(shù)參數(shù)1、交流電源：單相220V。2、為了IGBT的安全，中間直流電壓最大為50V。3、輸出交流電壓約45V。4、輸出最大電流2A。5最大功率：100W。第1天：集中學習；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：輸入整流濾波電路設計；第5天：逆變電路設計；第6天：控制電路設計；第7天：器件選擇；第8天：系統(tǒng)調(diào)試或仿真；第9天：總結(jié)并撰寫說明書；第10天：答辯平時:總

3、成績:論文質(zhì)量:答辯:指導教師簽字:注:成績:平時20%論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計算IIi纟乂礫乂尊本科生課程設計（論文）摘要單相交-直-交變頻電路在工業(yè)生產(chǎn)，生活娛樂，儀器運行等很多方面都有著廣泛的應用，其中目前應用最廣泛的應屬于電網(wǎng)互聯(lián)。單相交-直-交變頻電路可分為主電路和控制電路，其主電路包括整流電路、濾波電路和逆變電路，而控制電路包括控制電路、驅(qū)動電路和保護電路。本設計對于整流部分采用不可控制整流電路；濾波部分采用LC低通濾波器，得到高頻率的正弦波交流輸出；逆變部分由四只IGBT管組成單相橋式逆變電路?？刂齐娐愤x用以單片集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038為核心組成，生成兩路PWM信號

4、，分別用于控制兩對IGBT；驅(qū)動電路采用了具有電氣隔離集成驅(qū)動芯片M57962L；保護電路采用雙D觸發(fā)器CD4013。關(guān)鍵詞：整流；濾波；逆變；PWM；IGBT4目錄第1章緒論11.1 電力電子技術(shù)概況11.2 本文設計內(nèi)容1第2章100W單相交-直-交變頻電路設計22.1100W單相交-直-交變頻電路總體設計方案22.2 具體電路設計32.2.1主電路設計32.2.2 控制電路設計52.3元器件型號選擇92.4系統(tǒng)調(diào)試或仿真、數(shù)據(jù)分析10第3章課程設計總結(jié)13參考文獻14附錄I控制電路原理圖15附錄II驅(qū)動和輔助電源原理圖16本科生課程設計（論文）第1章緒論1.1 電力電子技術(shù)概況集中發(fā)電、

5、遠距離輸電和大電網(wǎng)互聯(lián)的電力系統(tǒng)是目前電能生產(chǎn)、輸送和分配的主要方式。但是在配電網(wǎng)中，城市居民和商業(yè)用戶、農(nóng)村和半城鎮(zhèn)區(qū)域的負荷具有很大的隨機波動性。家用空調(diào)隨氣溫變化的無規(guī)律啟停，降水降雪和大風的無常發(fā)生，以及其他不確定因素所引起的負荷變化給配電網(wǎng)的規(guī)劃、設計和運行帶來了巨大的難題和挑戰(zhàn)。特別是在我國中西部的偏遠地區(qū)的農(nóng)村和一些游牧民族地區(qū)，如果采用傳統(tǒng)的集中式供電方式，新建配電網(wǎng)絡，不僅在技術(shù)上實現(xiàn)起來難度非常大，而且在經(jīng)濟效益上也是不可取的。因此，歐美的電力專家提出了投資省、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容的分布式發(fā)電與大電網(wǎng)聯(lián)合運行的方式，以提高了電力系統(tǒng)運行的靈活性、可靠性和安全性。目前，大

6、電網(wǎng)與分布電網(wǎng)相結(jié)合被世界許多電力專家公認為是能夠節(jié)省投資降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性的主要方式，是21世紀電力工業(yè)的發(fā)展方向。一般來說，分布式發(fā)電指的是通過規(guī)模不大、分布在負荷附近的發(fā)電設施，為了滿足一些特殊用戶的需求，經(jīng)濟、高效、可靠的發(fā)電系統(tǒng)。近年來，分布式發(fā)電技術(shù)的研究取得了突破性的進展，分布式發(fā)電有望在電能產(chǎn)中占有越來越大的比重，并對傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)供電方式產(chǎn)生重大的影響。通常這些發(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載使用，都需要變頻裝置將其變換成負載可以使用的交流電或者與大電網(wǎng)電壓、頻率相匹配的工頻交流電。因此，針對特定的分布式發(fā)電技術(shù)

7、研究與其相配套的變頻電路就很有必要。1.2 本文設計內(nèi)容本次設計的主要內(nèi)容是100W單相交-直-交變頻電路，為了滿足一些特殊要求或者小型分布式發(fā)電及其與電網(wǎng)互聯(lián)。該變頻電路由整流電路、濾波電路、逆變電路、驅(qū)動電路、保護電路以及控制電路等部分組成。輸入單相交流電220V，為了IGBT的安全，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。本文主要討論了整流電路的設計、濾波電路的設計、逆變電路的設計、驅(qū)動電路的設計、保護電路的設計、控制電路的設計以及各部分器件的選擇。1i纟乂礫乂尊本科生課程設計（論文）第2章100W單相交-直-交變頻電路設計2.1100W單相交

8、-直-交變頻電路總體設計方案單相交-直-交變頻電路主要是通過整流濾波得到直流電，再通過控制逆變電路將直流電變成某個頻率的交流電。根據(jù)實驗任務要求，對控制電路部分可以采用多種方案，具體方案如下：用可控整流調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的交-直-交變頻器。調(diào)壓和調(diào)頻分別在兩個環(huán)節(jié)上，由控制電路進行協(xié)調(diào)。由于輸入環(huán)節(jié)采用可控整流，當電壓和頻率調(diào)得較低的時候，晶閘管整流器的控制角較大，電網(wǎng)端的功率因素較低。輸出環(huán)節(jié)較多采用晶閘管組成的逆變器，輸出電壓的諧波分量較大，一般用于較大功率的變頻器。用斬波器調(diào)壓的交-直-交變頻器。整流環(huán)節(jié)采用二極管不可控整流，增設斬波器進行調(diào)壓，再用逆變器調(diào)頻。雖然多了一個中間調(diào)壓環(huán)節(jié)，但

9、是輸入的功率因數(shù)提高了。輸出仍然采用晶閘管逆變器，所以仍然存在諧波問題。、.方案三：用PWM逆變器同時調(diào)壓調(diào)頻的交-直-交變頻器。由于采用二極管不可控整流產(chǎn)生恒定直流電源，功率因數(shù)問題用這種方法就可以解決。用PWM逆變器，輸出電壓是一系列脈沖，調(diào)節(jié)脈沖寬度就可以調(diào)節(jié)輸出電壓值。假如脈沖寬度按正弦分布，則輸出電壓中諧波可以大大減少。諧波減少的成度還取決于逆變器功率開關(guān)的開關(guān)頻率。因此，PWM逆變器中很少采用像晶閘管之類開關(guān)頻率低的半控型器件作為開關(guān)器件，而是采用開關(guān)頻率高的全控型器件如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。同時調(diào)頻調(diào)壓都集中在逆變器一側(cè)，控制也簡化了。因此，這種結(jié)構(gòu)成為當前中

10、小型交-直-交變頻器中普遍采用的一種結(jié)構(gòu)形式。因此采用PWM正弦波脈寬調(diào)制，通過改變調(diào)制頻率，實現(xiàn)交-直-交變頻的目的。PWM控制的方法可分為3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與正弦信號波進行比較的調(diào)制方法，分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制。本設計采用的單相橋式逆變電路既可以采用單極性調(diào)制，也可以采用雙極性調(diào)制。在本設計裝置中，采用了雙極性PWM調(diào)制技術(shù)。對于整流部分采用不可控制整流電路，濾波部分采用LC低通濾波器，濾除高次諧波，得到高頻率的正弦波交流輸出。逆變部分由四只IGBT管組成單相橋式逆變電路，采用雙極性調(diào)制方式

11、。總體方案框圖如圖2.1所示。整流電路PWM信號濾波電路圖2.1總體方案框圖各部分功能：1 整流電路：把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。其中一部分為電路提供電源。2 濾波電路：濾波電路接在主電路與逆變電路之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。3 逆變電路：逆變電路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。4 控制電路：控制電路為逆變電路產(chǎn)生SPWM信號。5 驅(qū)動電路：驅(qū)動電路作為控制電路和主電路的中間環(huán)節(jié)，其主要任務是將控制電路產(chǎn)生的控制器件的SPWM信號轉(zhuǎn)化為器件的驅(qū)動信號，它可以完成電氣隔離的功能。2.2 具體電路設計2.2.1主電路設計主電

12、路由三部分組成，即整流電路、濾波電路和逆變電路，如圖2.2所示。整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源，大多數(shù)整流電路由變壓器、整流電路和濾波電路等組成。整流電路多用硅整流二極管和晶閘管組成，濾波電路接在主電路與逆變電路之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器的作用是實現(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氣隔離。3本科生課程設計（論文）圖2.2主電路此部分結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，其性能滿足實驗的需要，故采用橋式整流電路。其作用是將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能。在交流電源轉(zhuǎn)換直流電源后，電路會有電壓波動，為抑制電壓的波動，采用簡單的電容濾波。逆變電路同

13、整流電路相對應，將低電壓變?yōu)楦唠妷?，將直流電壓裝換為所要頻率的交流電壓。逆變電路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。本設計中的逆變部分,采用單相橋式PWM逆變電路，輸出電壓的大小及頻率均可通過PWM控制進行調(diào)節(jié)。對于可控器件選擇IGBT,IGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。當柵極施以正電壓時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通。此時從N+區(qū)注入到N-區(qū)的空穴（少子）對N-區(qū)進行電導調(diào)制，減小W區(qū)的電阻R,使阻斷電壓高的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。當柵極上施以負電壓時MOSFET內(nèi)的溝道消失，

14、PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即被關(guān)斷。在IGBT導通之后。若將柵極電壓突然降至零，則溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使集電極電流有所下降，但由于N-區(qū)中注入了大量的電子和空穴對，因而集電極電流不會馬上為零，而出現(xiàn)一個拖尾時間。對于大功率IGBT，選擇驅(qū)動電路基于以下的參數(shù)要求：器件關(guān)斷偏置、門極電荷、耐固性和電源情況等。門極電路的正偏壓VGE負偏壓-VGE和門極電阻RG的大小，對IGBT的通態(tài)壓降、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、承受短路能力以及dv/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系見表1。柵極正電壓的變化對IGBT的開通特性、負載短路能力和dVcE/dt電流有較大

15、影響，而門極負偏壓則對關(guān)斷特性的影響比較大。在門極電路的設計中，還要注意開通特性、負載短路能力和由dVcE/dt電流引起的誤觸發(fā)等問題。4本科生課程設計(論文)2.2.2 控制電路設計控制電路包括三部分，分別是控制電路、驅(qū)動電路以及輔助電源電路?？刂齐娐肥怯蓛善珊瘮?shù)信號發(fā)生器ICL8038為核心組成，其中一片8038產(chǎn)生正弦調(diào)制波Ur,另一片用以產(chǎn)生三角載波Uc,將此兩路信號經(jīng)比較電路LM311異步調(diào)制后，產(chǎn)生一系列等幅，不等寬的矩形波Um,即SPWM波。Um經(jīng)反相器后，生成兩路相位相差180度的土PWM波，再經(jīng)觸發(fā)器CD4528延時后，得到兩路相位相差180度并帶一定死區(qū)范圍的兩路SPW

16、M1和SPWM2波，作為主電路中兩對開關(guān)管IGBT的控制信號?？刂齐娐愤€設置了過流保護接口端STOP，當有過流信號時，STOP呈低電平，經(jīng)與門輸出低電平，封鎖了兩路SPWM信號，使IGBT關(guān)斷，起到保護作用。原理：是由兩片集成函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038為核心組成，其中一片8038產(chǎn)生正弦調(diào)制波Ur，另一片用以產(chǎn)生三角載波Uc,將此兩路信號經(jīng)比較電路LM311異步調(diào)制后，產(chǎn)生一系列等幅，不等寬的矩形波Um,即SPWM波。Um經(jīng)反相器后，生成兩路相位相差180度的土PWM波，再經(jīng)觸發(fā)器MC14528延時后，得到兩路相位相差180度并帶一定死區(qū)范圍的兩路SPWM1和SPWM2波?？刂圃韴D如圖2.

17、4所示芯片ICL8038的引腳結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示。其主要特點如下：(1) 具有在發(fā)生溫度變化時產(chǎn)生低的頻率漂移，最大不超過50ppm/C。(2) 正弦波輸出具有低于1%的失真度。(3) 三角波輸出具有0.1%高線性度。(4) 具有0.001Hz1MHz的頻率輸出范圍；工作變化周期寬。(5) 占空比2%98%之間任意可調(diào)。(6) 高的電平輸出范圍；從TTL電平至28V。(7) 具有正弦波、三角波和方波等多種函數(shù)信號輸出。(8) 易于使用，只需要很少的外部條件。DFADJ13NC10C1I4NCSINADJ1SINOUT2TRIOUT3DFADJ,5FMBLAS712SISADJ29SOOUTg

18、F陽肢圖2.3芯片ICL8038的引腳結(jié)構(gòu)圖5i纟乂礫乂尊本科生課程設計(論文)8T1A116VqdT2A215T1bCOA314T2baainput413CobABINPUT512BAINPUTQaout611BBINPUTQaout710QboutVss89Qbout圖2.5觸發(fā)器CD4528的引腳結(jié)構(gòu)圖Um經(jīng)反相器后，生成兩路相位相差180度的土PWM波，再經(jīng)觸發(fā)器CD4528延時后，得到兩路相位相差180度并帶一定死區(qū)范圍的兩路SPWM1和SPWM2波，作為主電路中兩對開關(guān)管IGBT的控制信號。觸發(fā)器CD4528的引腳結(jié)構(gòu)圖如圖2.5所示。圖2.5雙D觸發(fā)器CD4013的引腳結(jié)構(gòu)圖控制

19、電路還設置了過流保護接口端STOP，當有過流信號時，STOP呈低電平，經(jīng)與門輸出低電平，封鎖了兩路SPWM信號，使IGBT關(guān)斷，起到保護作用。STOP信號是通過雙D觸發(fā)器CD4013來產(chǎn)生的。具體雙D觸發(fā)器CD4013的結(jié)構(gòu)引腳圖如圖2.5所示。圖2.6驅(qū)動電路驅(qū)動電路作為控制電路和主電路的中間環(huán)節(jié)，其主要任務是將控制電路產(chǎn)生的控制器件的SPWM信號轉(zhuǎn)化為器件的驅(qū)動信號，它可以完成電氣隔離的功能。驅(qū)動電路原理圖如圖2.6所示。本設計中使用了目前廣泛應用的集成驅(qū)動芯片M57962L。其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖2.7所示。它可以完成以下功能：(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

20、需要將控制信號進行隔離。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通斷所需要的合適的驅(qū)動信號。(3) 保護：具有過載保護功能，防止過流、短路的損壞器件。M7*J62r圖2.7集成驅(qū)動芯片M57962L引腳圖此外整個電路需要輔助的電源，故需要通過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的正負5V和正負15V電壓。在交流電源轉(zhuǎn)換直流電源后，電路會有電壓波動，為抑制電壓的波動，采用簡單的電容濾波。整流濾波后一般都是有單獨的整流穩(wěn)壓模塊來穩(wěn)壓，本設計采用了目前廣泛應用的LM7805CT、LM7815CT、LM7905

21、CT、LM7915CT穩(wěn)壓模塊。電路如圖2.8所示。圖2.8輔助電源電路本科生課程設計(論文)2.3元器件型號選擇要求輸入單相交流電220V，為了IGBT的安全，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。對于主電路整流電路，根據(jù)傅里葉級數(shù)對經(jīng)電力二極管整流后直流電壓U的波形進行分解后可得Lu=j2uL(2444)一cos2t一cos4t一一cos6t21兀3兀15兀35丿式中恒定分量即為電壓整流后直流電壓U的平均值，因此有LU=22u2=0.9UL兀2為了IGBT的安全，中間直流電壓最大為50V,所以就是U最大值為50V。當LU=50v，根據(jù)U=0.9

22、U可得：LU=1.11U=1.11X50V=55.5V2L對于變壓器的選擇變壓比D、1在橋式整流電路中D導通，D、42D截止。3U220V396n=1=3.96U55.5V2二極管D、D和D、D是兩兩輪流導通的，在u正半周時,12342此時D、D所承受到的最大反向電壓均為u的最大值：2325010U=p2U二邁x55.5V二78.49VDM2通過最大電流I=2ADM因此選用目前市場上已有的整流橋堆QL62AL。其中整流橋堆QL62AL的額定電流為2A,其最大反向電壓為251000V。對于濾波電容器的選擇，首先根據(jù)U1RC=C=2T=2xS=0.04SlI50L可得濾波電容0.04x21600r

23、F廠=0.041UL電容器所承受的最高電壓為：UJ1U邁X55.5V7&49VCM2i纟乂礫乂尊本科生課程設計（論文）所以選用標稱值為2200rF/100V的電容器。對于逆變電路IGBT的選擇：IGBT承受的最大反向電壓為:；2U=J2x(1.11.2)xU=邁x(1.11.2)x50V=77.7884.85VdL流過每個IGBT的電流最大值為I=2AL所以IGBT選擇2A/100V以上的IGBT，例如G40N150D。2.4系統(tǒng)調(diào)試或仿真、數(shù)據(jù)分析單相整流逆變電路的仿真模型如下圖2.9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)，進行LC濾波后即為中間直流環(huán)節(jié)。再進入P

24、WM逆變，又一次LC濾波后，形成所需的交流信號。圖2.9仿真原理圖運用MATLAB對交流電源與經(jīng)過橋式整流之后的電壓信號進行了仿真之前，對兩電壓的波形進行理論的分析：在單相橋式不可控整流電路中，二級管D1和D4組成一對橋臂，D2和D3組成另一對橋臂，在u正半周時，D、D導通，D、D截止。橋式整流輸出電壓21423U=0.9U。由于經(jīng)過濾波之后，電壓會上升，U二（1.11.2）U。兩信號的MATLABL2d2仿真波形記錄如下：11本科生課程設計（論文）由于輸出電壓由開關(guān)管的開通與關(guān)斷頻率決定，所以輸出電壓為無數(shù)的寬度極小的矩形波組成，在MATLAB中，逆變電路輸出電壓頻率有PWM脈沖觸發(fā)器參數(shù)設置。由圖2.11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。13i纟乂礫乂尊本科生課程設計（論文）第3章課程設計總結(jié)單相交直交變頻電路由兩部分組成，交流變直流（UiUd）為整流部分