《电力电子技术》课程设计-单相桥式逆变课程设计.doc

电力电子技术电力电子技术课课程程设计说设计说明明书书 单相桥式逆变电路 院 、 部：电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师：职称 副教授 专 业：电气工程及其自动化 班 级： 完成时间：2015 年 6 月 1 日 i 摘要 随着电力电子技术的高速发展，逆变电路的应用非常广泛，蓄电池、干电 池、太阳能电池等都是直流电源，当我们使用这些电源向交流负载供电时，就 需要逆变电路。另外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热等电力 电子装置，其核心部分都是逆变电路。 本设计要做的就是输入 100v 的直流电压，输出交流电压频率范围在 3060hz，电压 3050v 范围可调。根据电力电子技术的相关知识，把直流电 变成交流电的电路成为逆变电路。单相桥式逆变电路是一种常见的逆变电路。 采用阻感负载，负载两端的电压即为输出电压。设计电路中采用 igbt 作为开关 器件，利用 icl8038 芯片产生频率符合要求的信号来控制 igbt 的通断，从而得 到频率范围在 3060hz的交流电压。采用移相调压来调节输出电压的大小。 关键词：直流电压；交流电压；逆变；桥式 ii abstract with the rapid development of power electronic technology, the inverter circuit has a very wide range of applications, such as battery, battery, solar battery is a dc power supply, when we use the power supply to the ac load power supply, inverter circuit is needed.in addition, the ac motor speed control by frequency converter, uninterruptible power supply, induction heating power electronic devices, such as its core part is the inverter circuit. this design has to do is enter the dc voltage 100 v, output voltage in 30 60 hz frequency range, 30 50 v voltage range is adjustable.according to the power electronic technology knowledge, become the inverter circuit of direct current into alternating current circuit.single-phase bridge inverter circuit is a common inverter circuit.use resistance load, feeling at the ends of the load voltage is the output voltage.in the design of circuit using igbt as the switch device, using icl8038 chip conform to the requirements of the frequency signal to control the on-off of igbt, frequency range is obtained in 30 60 hz ac voltage.phase-shifting surge tank is used to adjust the size of the output voltage. key wordsdc voltage；ac voltage；inverter；bridge iii 目录 摘要i abstractii 课程设计任务书 v 绪论.1 第 1 章 方案设计.5 1.1系统框图.5 1.2主电路框图.5 1.3主电路原理图.6 第 2 章 主电路设计.7 2.1主电路原理图.7 2.2主电路原理分析.7 2.3器件的选择.8 2.3.1绝缘栅双极晶体管8 2.3.2电力二极管8 2.4元件参数.9 第 3 章 驱动电路的设计.10 3.1驱动电路原理图设计.10 3.2驱动电路的种类.10 3.3驱动电路的作用.10 3.4驱动电路的选择.11 第 4 章 控制电路设计.12 4.1控制电路的作用.12 4.2控制电路原理图设计.12 4.3控制电路原理分析.13 4.4移相调压的原理.13 4.5cl8038 芯片介绍14 4.5.1 icl0838 引脚功能 .14 4.5.2 icl0838 内部结构 .15 iv 第 5 章 保护电路的设计.17 5.1保护电路的种类.17 5.2保护电路的作用.17 5.3保护电路的选择.18 第 6 章 仿真分析.19 6.1仿真软件 matlab19 6.2仿真电路图.20 6.3参数设置.21 6.4仿真效果图.21 6.5仿真结果分析.22 第 7 章 设计总结.23 参考文献.24 致谢词.25 附录.26 v 课程设计任务书 一、课程设计的目的 1、加强和巩固所学的知识，加深对理论知识的理解； 2、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用 internet 检索需要的文献资料； 3、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力； 4、培养学生综合运用知识的能力和工程设计能力； 5、培养学生运用仿真软件的能力和方法； 6、培养学生科技写作水平。 二、课程设计的主要内容 1、关于本课程学习情况简述； 2、主电路的设计、原理分析和器件的选择； 3、控制电路的设计； 4、保护电路的设计； 5、利用 matlab 软件对自己的设计进行仿真。 三、课程设计的要求 1、通过查阅资料，确定自己的设计方案； 2、按抓阄的方式选定课题，即此类推。自拟参数不能雷同； 3、要求最后图纸是标准的 cad 图； 4、课程设计在第 13 周之前交上来。 四、课题 课题：单相桥式逆变电路的设计 已知直流输入电压 100v，负载自拟，要求交流输出电压频率范围在 3060hz， 电压 3050v 范围可调，其它性能指标自定。 五、格式要求 1、格式严格按照教务处规定的毕业设计格式； 2、文档内容： 1）绪论：主要介绍对本课程学习情况；本设计内容的掌握情况；拟出设计任务 书。 2）主电路设计： （1）电路原理图：用 cad 绘制电路； vi （2）原理分析：用自己的语言； （3）参数计算：请用公式编辑器； （4）器件选择 3）控制电路设计： （1）电路原理框图 （2）电路原理图 （3）原理分析 （4）主要器件介绍 4）保护电路及其它辅助电路的设计 （1）保护电路的作用； （2）电路原理图； （3）分理分析。 5）仿真分析 （1）仿真模型的建立方法； （2）仿真电路模型； （3）仿真效果图； （4）仿真结果分析。 6）设计总结 用自己的语方介绍如何完成本次设计的，通过设计自己有哪些方面提高，对本 课程教学有什么建议等。 7）附录：系统总图 1 绪论 电力电子技术的介绍 电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件对电 能进行变换和控制的技术。通常所用的电力有交流和直流两种。但是这些电源 往往不能直接的满足要求，需要进行电力变换。电力变换通常可分为四大类， 即交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变 交流。交流变直流称为整流，直流变交流 称为逆变。直流变直流是指一种电压（或 电流）的直流变为另一种电压（或电流） 的直流，可用直流斩波电路来实现。交流 变交流可以是电压或电力的变换，称做交 流电力控制，也可以是频率或相数的变换。进行上述电力变换的技术称为变流 技术。 通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流电力控制两个分支。 交流技术也称为电力电子器件应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力 电子变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装 置和电力电子系统技术。如果没有晶闸管、电力晶体管等电力电子器件，也就 没有电力电子技术，而电力电子技术主要用于电力变换。因此可以认为，电力 电子器件的制造技术是电力电子技术的基础，而变流技术则是电力电子技术的 核心。 电力电子技术的学习情况 通过对电力电子技术一个学期的学习，对电力电子这门学科有了一个大概 的了解。首先是对应用电力电子器件系统组成的认识熟悉。在电力电子器件的 实际应用中一般是由控制电路、驱动电路、 保护电路和以电力电子器件为核心的主电 路组成一个系统。由信息电子电路组成的 控制电路按照系统的工作要求形成控制信 号，通过驱动电路去控制主电路中电力电 子器件的导通或关断，来完成整个系统的 功能。要使器件工作还需要驱动电路，驱动图 0-1 电力电子在应用中的系统组成 电路又分为电流型驱动和电压型驱动。主电路的电压和电流一般都较大，而控 输出输 入 交流直流 直流整流直流斩波 交流变频、变相逆变 表 1 电力变换种类 主电路 控制电路 驱动电路 保护电路 2 制电路只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上， 一般需要电气隔离（通过光、磁来进行信号传递） 。为了防止电路被过电压、过 电流损坏器件还需加上保护电路。一般的保护电路有过电流、过电压保护。 然后是电力电子器件的熟悉。它分不可控器件、半控型器件以及全控器件。 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件被称为半控型 器件。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被 称为全空型器件。不能用信号控制来控制其通断的电力电子器件被称为不可控 器件。本书重点介绍了整流电路，就是将交流变为直流。有单相可控整流、三 相可控整流和大功率可控整流电路，用整流桥整流后还要进行电容滤波等等。 还有直流斩波电路、交流电力控制电路、交交变频电路、逆变电路、pwm 控制 技术、软开关技术和组合交流电路的介绍。 设计内容的主要知识点 1.逆变电路的基本工作原理 图 0-2 逆变电路及其波形举例 以图 0-2a 的单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理。图中 s1s4 是桥式电路的 4 个臂，当开关 s1、s4 闭合，s2、s3 断开时，负载电压 u0为正； 当开关 s1、s4 断开，s2、s3 闭合时，负载电压 u0为负，其波形图如图 0-2b 所 示。这样，就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输 出交流电的频率。这就是逆变电路最基本的工作原理。 2.换流 换流的定义：电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，换流也 常被称为换相。 换流方式： 1) 器件换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流称为器件换流。 2) 电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流。 3) 负载换流 3 由负载提供换流电压称为负载换流。 4) 强迫换流 设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的 换流方式称为强迫换流。 3.单相电压型逆变电路 1) 半桥逆变电路 a b 图 0-3 单相半桥电压型逆变电路及其波形 半桥逆变电路原理图如图 0-3a 所示，它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控 器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个互相串联的电容，两个电容 的联结节点就是直流电源的中点。 设开关器件 v1 和 v2 的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏， 且二者互补。当负载为感性时，其工作波形如图 0-3b 所示。输出电压 u0为矩 形波，其幅值为 um=ud/2。输出电流 i0波形随负载的情况而异。设 t2时刻以前 v1 为通态，v2 为断态。t2时刻给 v1 关断信号，给 v2 开通信号，则 v1 关断， 但感性负载中的电流 i0不能立即改变方向，于是 vd2 导通续流。当 t3时刻 i0降 为零时，vd2 截止，v2 开通，i0开始反向。同样，t4时刻给 v2 关断信号，给 v1 开通信号，则 v2 关断，vd1 先导通续流，t5时刻 v1 才开通。 半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值， 且直流侧需要两个电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。 2)全桥逆变电路 4 a b 图 0-4 单相全桥电压型逆变电路及其波形 电压型全桥逆变电路的原理图如图 0-4a 所示，它共有 4 个桥臂，可以看成 由两个半桥电路组和而成。把桥臂 1 和 4 作为一对，桥臂 2 和 3 作为另一对， 成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通 180。其输出电压 u0的波形和图 0-3b 的半桥电路的波形 u0形状一样，但电压幅值高出一倍，um=ud。在直流电 压和负载都一样的情况下，输出电流 i0的波形和图 0-3b 的半桥电路的 i0波形形 状一样，仅幅值增加一倍。 5 第 1 章方案设计 我这次所选的课题是单相桥式逆变电路的设计。设计的内容是已知直流输 入电压 100v，负载自拟，要求交流输出电压频率范围在 3060hz，电压 3050v 范围可调，其它性能指标自定。 根据课题和内容，以及上述的介绍选择全桥电压型逆变电路，负载采用阻 感负载，利用移相调压来调节输出电压的有效值。由于这里给出的是输入为 100v 的直流电压，但在我们的日常生活中用电都是 220v、50hz 的交流电，所 以还需要接入一个整流稳压的电路。要实现电压 3050v 范围可调，则要利用 移相调压。要得到交流输出电压频率范围在 3060hz，还需要用到 pwm 控制技 术，实现对开关的开关速度控制得到符合输出频率要求的电压信号。 1.1系统框图 主电路 控制电路 驱动电路 保护电路 图 1-1 系统原理框图 整个网络由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主 电路组成一个系统。 1.2主电路框图 逆变电路 整流电路 输入输出 图 1-2 主电路原理框图 由于我们的日常生活中用电都是 220v、50hz的交流电，在此加了一个整流 6 电路，具体参数在此并不作说明。在下面的设计中将省略这一步。 1.3主电路原理图 图 1-3 主电路原理图 图中 1 椭圆虚线里面的为整流电路，稳压为 100v。图中 2 矩形虚线框里面 的则是电压型逆变电路，起到将直流变交流的作用。 7 第 2 章主电路设计 2.1主电路原理图 主电路采用电压型逆变电路其原理图如下图 2-1： 图 2-1 主电路原理图 2.2主电路原理分析 电压型全桥逆变电路如图 2-1 所示，它共有 4 个桥臂，可以看成由两个半桥 电路组和而成。把桥臂 1 和 4 作为一对，桥臂 2 和 3 作为另一对，成对的两个 桥臂同时导通，两对交替各导通 180。其输出电压 u0的波形和图 0-3b 的半桥 电路的波形 u0形状一样，但电压幅值高出一倍，um=ud。在直流电压和负载都 一样的情况下，输出电流 i0的波形和图 0-3b 的半桥电路的 i0波形形状一样，仅 幅值增加一倍。 把幅值为的矩形波展开成傅里叶级数得： (1) 0= 4 (sin + 1 3sin3 + 1 5sin5 + ) 其中基波的幅值和基波的有效值分别为: 001 (2) 0= 4 = 1.27 (3) 01= 2 2 = 0.9 8 2.3器件的选择 2.3.1绝缘栅双极晶体管 绝缘栅双极晶体管（insulated-gate bipolar transistor）,英文简写为 igbt。它 是一种典型的全控器件。它综合了 gtr 和 mosfet 的优点，因而具有良好的特 性。现已成为中、大功率电力电子设备的主导器件。igbt 是三端器件，具有栅 极 g、集电极 c 和发射极 e。它可以看成是一个晶体管的基极通过电阻与 mosfet 相连接所构成的一种器件。其等效电路和电气符号如下： (a) (b) 图 2-2 igbt 等效电路和电气图形符号 它的开通和关断是由栅极和发射极间的电压 uge所决定的。当 uge为正且大 于开启电压 uge时，mosfet 内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而是 igbt 导通。由于前面提到的电导调制效应，使得电阻 rn减小，这样高耐压的 igbt 也具有很小的通态压降。当山脊与发射极间施加反向电压或不加信号时， mosfet 内的沟道消失，晶体管的积极电流被切断，使得 igbt 关断。 2.3.2电力二极管 电力二极管（power diode）自 20 世纪 50 年代初期就获得应用，当时也被 称为半导体整流器（semiconductor rectifiersr）,其结构和原理简单，工 作可靠，仍然大量应用于许多电设备中。电力二极管的基本结构和工作原理与 信息电子电路中的二极管是一样的，都是以半导体 pn 结为基础的。由 n 型半导 体和 p 型半导体结合构成 pn 结。其结构和电气符号如下： 9 图 2-3 a)结构和 b)电气符号 当 pn 结外加正向电压，即外加电压的正端接 p 区、负端接 n 区时，外加电 场与 pn 结自建电场方向相反，在外带电路上形成自 p 区流入从 n 区流出的电流， 这就是 pn 结的正向导通状态。 当 pn 结外加反向电压时，外加电场与 pn 结自建电场方向相同，在外带电 路上形成自 n 区流入从 p 区流出的电流，称之为反向电流。因此反向偏置的 pn 结表现为高阻态，几乎没有电流通过，这就是反向截止状态。 2.4元件参数 电感电抗： （4） = = 2 干路电流有效值： （5） 0= 01 ( + ) 已知：交流输出电压频率范围在 3060hz，电压 ud=100v。 又因晶闸管和 igbt 的导通电流不宜过大，导通电流一般约为 10ma。 代入公式（5）得： ( + )= 01 0 = 0.9 0 = 90 0.01 = 9000 选择最高频率 60hz,代入公式（4）得： = 2 = 120 使整个电路负载呈感性则有：xr。 电阻选择 3000。因此 x=6000。 将 x=6000 代入公式（4）得： = 120 = 120 6000 0.063 所以选择电阻 r=3000,电感 l=0.063h。 10 第 3 章驱动电路的设计 3.1驱动电路原理图设计 图 3-1 驱动电路原理图 3.2驱动电路的种类 驱动电路有电流型驱动电路和电压型驱动电路。 3.3驱动电路的作用 驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重 要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用良好的驱动电路，可使电力电 子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运 行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 驱动电路的基本任务就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要 求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信 号。 11 3.4驱动电路的选择 驱动电路的选择与使用的电力电子器件相关。在这里我们需要控制 igbt 的 开关，因为 igbt 是电压型驱动器件所以选择电压型驱动电路。常见驱动电力的 混合集成电路有三菱公司的 m57918l 芯片。同一系列的不同型号其引脚和接线 基本相同，只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有 所不同。图 3-2 给出了 m57962l 的原理和接线图。这些混合集成驱动器内部都 具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断 igbt，并 向外部电路给出故障信号。m57962l 输出的正驱动电压均为+15v，左右，负驱 动电压为-10v。 图 3-2 m57962l 型 igbt 驱动器的原理和接线图 12 第 4 章控制电路设计 4.1控制电路的作用 控制电路的作用就是通过控制驱动电路运行进而控制 igbt 的通断。又因 igbt 的关断速度决定了输出电压的频率。所以控制电路就是通过产生一定频率 的脉冲信号来控制驱动电路进而控制 igbt 的关断改变电流方向和电压方向从而 得到想要频率的输出交流电压。 4.2控制电路原理图设计 13 图 4-1 控制电路原理图 4.3控制电路原理分析 在这里采用 2 片集成函数发生器 icl8038，分别用于发生频率一样的正弦波 和三角波，它们共同经过运放（lm311） 、非门（74hc04）生成两路 pwm 信号， 这两路信号分别是 pwm+、pwm-，它们的相位差为 180。然后通过芯片 4528 以及与门（74hc08）得到两路频率一样但相位相差）的 spwm （180 波形，它们分别是 spwm1、spwm2。将 spwm1 分成两路接驱动电路用来控制 开关 v1、v4，将 spwm2 分成两路接驱动电路用来控制开关 v2、v3。d 触发 器产生的 stop 停止信号用来分别与 pwm1、spwm2 相与使驱动电路停止工作。 从而实现逆变电路输出波形的开与关。 4.4移相调压的原理 前面分析的都是为正负电压各为的脉冲时的情况。在这种情况下若要 180 改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压 ud的大小来实现。 在阻感负载时，还可以采用移相的方式来调节逆变带南路的输出电压，这 种方式成为移相调压。移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。当 v3、v4 的栅极信号不是分别和 v1、v2 的栅极信号同相位，而是前移了 。这样，输出电压 u0就不再是正负各为一半的脉冲，而是正负各为 的 180 14 脉冲，各 igbt 的栅极信号及输出电压 u0、输出电流 i0的波形如图 0-4b 所示。 工作原理：设在 t1时刻前 v1 和 v4 导通，输出电压 u0为，t1时刻 v3 和 v4 栅极信号反向，v4 截止，而因负载电感中的电流 i0不能突变，v3 不能立刻 导通，vd3 导通续流。因为 v1 和 vd3 同时导通，所以输出电压为零。到 t2时 刻 v1 和 v2 栅极信号反向，v1 截止，而 v2 不能立刻导通，vd2 导通续流，和 vd3 构成电流通道，输出电压为-。到负载电流过零并开始反向时，vd2 和 vd3 截止，v2 和 v3 导通，u0仍为。t3时刻 v3 和 v4 栅极信号再次反向，v3 截止，而 v4 不能立刻导通，vd4 导通续流，u0再次为零。以后重复该过程。 这样，输出电压的正负脉冲宽度就各为 。改变 ，就可以调节输出电压。例如 当 =90时，输出电压有效值。 01= 50 4.5cl8038 芯片介绍 icl0838 精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集 成电路芯片，是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路, 电源电压范围宽、 稳定度高、精度高、易于用等优点，只需调整个别的外部元件就能产生从 0.001hz300khz 的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的 频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端, 所以可以用来对低频信号进行频率调制。 4.5.1 icl0838 引脚功能 图 4-2 icl8038 的引脚功能排列图 脚 1、12（sinewaveadjust）：正弦波失真度调节； 15 脚 2（sinewaveout）：正弦波输出； 脚 3（triangleout）：三角波输出； 脚 4、5（dutycyclefrequency）：方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调 节； 脚 6（v）：正电源10v18v； 脚 7（fmbias）：内部频率调节偏置电压输； 脚 8（fm sweep）：外部扫描频率电压输入； 脚 9（squarewaveout）：方波输出，为开路结构； 脚 10（timingcapacitor）：外接振荡电容； 脚 11（v- orgnd）：负电原或地； 脚 13、14（nc）：空脚。 4.5.2 icl0838 内部结构 图 4-3 icl8038 内部电路方框图 基本电路的工作原理:该芯片由三角波振荡电路、比较器 1、比较器 2、触 发器、三角波正弦波变换电路、恒流源 cs1、cs2 等组成。恒流源 cs1、cs2 主要用于对外接电容 c 进行充电放电，可利用 4、5 脚外接电阻调整恒流源的电 流，以改变电容 c 的充放电时间常数，从而改变 10 脚三角波的频率。两个比较 器分别被内部基准电压设定在 23vs 与 13vs。使两个比较器必须在大于 23vs 或 小于 13vs 的范围内翻转。其输出同时控制触发器，使其一方面控制恒流源 cs2 的通断，另一方面输出方波经集电极开路缓冲器，由 9 脚输出方脉冲，而 10 脚 经缓冲器直接由 3 脚输出三角波，另外还经三角波正弦波变换电路由 2 脚输 16 出低失真正弦波。外接电容 c 由两个恒流源充电和放电。若 s 断开，仅有电流 i1向 c 充电，当 c 上电压上升到比较器 1 的门限电压 23vs 时，触发器输出 q=1。开关 s 导通，cs2 把电流 i2加到 c 上反充电，当 i2 i1时，相当于 c 由一 个净电流 i2- i1放电，此时 c 上电压逐渐下降，当下降到比较器 2 的门限电压 13vs 时，rs 触发器被复位 q =0，于是 s 断开 cs2，仅有 cs1 对 c 充电，如此反 复形成振荡，c 上电压近似为三角波，而触发器输出则为方波。当两个电流源 cs1、cs2 的电流分别设定为 i、2i 时，电容 c 上的充电、放电时间相等，则 10 脚三角波以及变换的正弦波就是对称的,方波的占空比是 50%。若恒流源 cs1、cs2 的电流不满足上述关系，则 3 脚输出非对称的锯齿波，2 脚输出非对 称的正弦波，9 脚输出占空比为 2%98%的脉冲波形。另外改变恒流源 i 的大 小，即可改变振荡信号的频率。 17 第 5 章保护电路的设计 5.1保护电路的种类 换相过电压保护：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换 相结束后不能恢复阻断能力时，因而有较大的反向电流通过，使残存的载流子 恢复，而当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线 路电感而在晶闸管阴阳极这间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过 电压。 图5-1相过电压保护电路 关断过电压保护：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向 电流的迅速降低而线路电感在器件两端感应出的过电压。 图5-2断过电压保护电路 过电流保护：电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电 流现象。过电流分载和短路两种情况。一般电力电子均同时采用几种过电压保 护措施，怪提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协 调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器只作为短路时的部分区断 的保护，直流快速断路器在电子电力动作之后实现保护，过电流继电器在过载 时动作。采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效，应用最方泛 的一种过电流保护措施。 图5-3电流保护电路 5.2保护电路的作用 保护电路的作用就是防止系统在外部电压不稳定的时，导致部分器件在过 18 电压或过电流的情况下被烧坏，造成电路瘫痪，无法正常工作。 5.3保护电路的选择 在本设计中主要是对 igbt 进行保护。根据 igbt 的特性，只要不过电压则不 会导致 igbt 过电流。所以采用过电压保护。又因为 igbt 工作在高频率条件下， 故采用关断过电压保护。只要将图 5-2 所示的电路串接在各 igbt 所在的之路上 即可。 19 第 6 章仿真分析 6.1仿真软件 matlab simulink 简介：simulink 是 matlab 最重要的组件之一，它提供一个动态 系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而 只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。simulink 具有适应 面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于 以上优点 simulink 已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于 simulink。 功能：simulink 是 matlab 中的一种可视化仿真工具，是一种基于 matlab 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包， 被广泛应用于 线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿 真中。simulink 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间 进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样 速率。为了创建动态系统模型， simulink 提供了一个建立模型方块图的图 形用户接口(gui)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提 供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 simulink 紧密集成，可以直接访问 matlab 大量的工具来进行算法研 发、仿真的分析和可视化、批处理 脚本的创建、建模环境的定制以及信号 参数和测试数据的定义。 特点： 丰富的可扩充的预定义模块库。 交互式的图形 编辑器来组合和管理直观的模块图 。 以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。 通过 model explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、 参数、属性，生成模型代码。 20 提供 api 用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。 使用 embedded matlab 模块在 simulink 和嵌入式系统执行中调用 matlab 算法。 使用定步长或变步长运行仿真， (normal,accelerator,rapidacc- elerator)来决定以解释性的方式运行或以编译c 代码的形式来运 行模型。 图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常 行为。 可访问 matlab 从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定 义信号参数和测试数据。模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确 定模型中的错误。 6.2仿真电路图 图 6-1 电路仿真图 21 6.3参数设置表 表 2 参数设置表 模块名参数设置 dc voltage sourceamplitude(v): 100 pulse generator1 pulse generator4 amplitude: 1 period(secs): 0.02 pulse width(% of period): 50 phase delay: 90*0.02/360 pulse generator2 pulse generator3 amplitude: 1 period(secs): 0.02 pulse width(% of period): 50 phase delay: (90+180)*0.02/360 series rlc branchresistance(ohms): 5 variable name: r1 series rlc branchresistance(ohms): 5 variable name: r2 scopenumber of axes: 5 variable name: s 6.4仿真效果图 图 6-2 仿真结果波形图 22 6.5仿真结果分析 输入电压特点：ud为为 100v 的恒流电压源。 输出电流特点：i0近似正弦波，且连续，输出电流周期为 0.02s，频率均为 50hz。 控制脉冲特点：控制脉冲频率为 50hz，幅值为 1v，假设 vt4 的延迟角为 0，则由图可得 t1 的延迟角 90，vt2 的延迟角为 270，vt3 的延迟角为 180。 输出电压特点：u0为电压源经过单项逆变器移相调压后交流电压幅值不变， 占空比变为 1:4，所以电压有效值为为 50v。 从仿真结果波形图观察输入直流电压为 100v，经过逆变电路后输出交流电 压为 50v，频率为 50hz，符合课程设计要求。 23 第 7 章设计总结 电力电子技术既是一门基础技术课程，也是实用性很强的一门课程。本次 电力电子技术课程设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。 并通过对知识的综合利用，进行必要的分析、比较，从而进一步验证了所学的 理论知识。同时，本次课程设计也为我们以后的学习打下了良好的基础，还让 我们知道了最重要的是心态