电力电子装置课程设计.docx

武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 李闯 专业班级： 电气0903班 指导教师： 朱国荣 工作单位： 自动化学院 题 目: 交流变换器装置设计初始条件：输入三相交流电：380V，50Hz。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、输出单相交流电，100V，400Hz。2、采用两级变换：AC/DC,DC/AC。3、设计出完整电路图。时间安排：课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要1交流变换器装置设计21.任务要求22.方案论证33.模块电路设计43.1 开关器件43.2直流滤波电路43.3输出滤波器53.4整流电路63.5 单相恒压恒频正弦波逆变器83.6 控制系统93.7辅助电源103.8 过电压保护113.9过电流保护124. 主电路调试135.总结15参考文献16摘要正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。交一直一交变频是目前变频电源的主要形式。本文所研究的变频电源即采用这种形式。按照电压、频率的控制方式，交一直一交变频器一种主要结构是采用单相桥式全控整流器整流、脉宽调制型(PWM)逆变器同时实现调压调频方式。此时全控整流提高了装置输入功率因数，减小了对电网的谐波污染，又因采用高开关频率的逆变器，输出谐波很小，性能优良。关键词：整流器 逆变器 PWM控制 交流变换器装置设计1.任务要求从结构上看，变频电源可分为直接变频和间接变频两大类。直接变频又称为交一交变频，是一种将工频交流电直接转换为频率可控的交流电，中间没有直流环节的变频形式。间接变频又称为交一直一交变频，是将工频交流电先经过整流器成直流电，再通过逆变器将直流电变换成频率可变的交流电的变频形式，因此这种变频方式又被称为有直流环节的变频方式。其中，把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路。本文所研究的交流变频器可以分为四个功能模块：整流电路、逆变电路、输出滤波器和控制电路。整流电路是一个单相ACDC变换电路，功能是把AC 380V50Hz的电源进行整流滤波后转换成稳定直流电源供给逆变电路。逆变电路是该电源的关键电路，其功能是实现DCAC的功率变换，即在在控制电路的控制下把直流电源转换成单相SPWM波形供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。本次设计要求：输入三相交流电：380V，50Hz，输出单相交流电，100V，400Hz。其中需要采用两级变换：AC/DC,DC/AC，即交直变换，和直流逆变，还需要列出设计的完整电路图。2.方案论证根据要求，输入的是三相交流50HZ，输出的是400HZ，而且采用两级变换，因此属于交直交变频。需要先对输入电压进行整流，电容滤波后再采用电压型单相桥式PWM逆变电路，利用调制电路设置信号波的频率400HZ，调制信号设置成5000HZ的SPWM正弦波，最后利用LC滤波电路将得到的交流方波变成正弦波。最终得要的就是220V，400HZ的交流电，满足设计的要求。整体的设计系统框图如图2.1所示。 LC滤波电路PWM逆变电路滤波电 路 整流 电路 380V/50HZ100V/400HZ SPWM触发信号触发信号图2.1 系统结构框图上图中并没有列出缓冲电路，为了使波形平滑，减少干扰带来的扰动，除了滤波环节还要有缓冲电路；本电路对性能的要求不是很高，所以可以采用简单的能耗串联缓冲或者并联缓冲电路。控制电路也需要附加的电源，并于电网能隔离开来，防止对电网有干扰信号，我们称对控制电路的电源为辅助电源，为12V。本次电路中还应该包括保护电路，比如短路保护、过温保护等。该主电路的原理图如附录一所示，电阻、交流接触器、按钮组成合闸充电和启动的环节，、是直流滤波和抑制干扰的滤波环节，IGBT开关组成逆变桥，每个开关旁的R、C、D是并联缓冲电路，TA是电流互感器。接下来我们将讨论对整流、逆变、控制电路和输出滤波这几个模块的参数选择、电路连接分别进行讨论。3.模块电路设计3.1 开关器件三相交流输入经不可控整流和大电容滤波以后，整流电压平均值为线电压的1.31.35倍，电路输入三相380V，直流电压变化的范围是494V513V的直流电压。采用全桥逆变主电路结构和SPWM硬调制方式，逆变桥在最坏情况下，输出的最大电压基本有效值为：如果考虑死区、开关管等引起的电压降为10%，则可得到314.3V。改变调制比时，可满足输出电压要求。为了能有输入与输出电气隔离，故需要有输出变压器，不考虑变压器副边电感压降，初步计算，输入电压最低时变压器变比的变压比k=100/314.3=0.318。对于开关器件而言，由于逆变桥母线最高直流电压为513V，考虑线路电感引起的附加电压和安全余量的需要，可以选用额定电压1200V的半导体开关器件。如果令额定功率为2000W,功率因素cos=0.8，则输出电流额定值为:额定输出电流幅值，过载时的电流幅值为120%=50.9A。如果不考虑滤波电容的影响，则变压器副边电流等于输出电流。变压器原边电流有效值：，。变压器原边电流幅值：，。考虑冲击负载和缓冲电路引起的附加电流以及安全系数，可以初步选用100A的半导体开关器件，可以选用IGBT。3.2直流滤波电路 直流滤波电路的主要任务是滤出三相整流的6 脉动波。采用大电容滤波方式，三相全桥整流电路的输出电压和电流脉动频率为300 Hz，整流电路向电容补充能量的时间间隔为3.3 ms。控制电容上电压波动幅值在直流电压的0.5%1%，逆变电路的平均输入电流为，根据电容上电荷增量和电压增量的关系 可得取4只6300uF/450V的电解电容串并联组合为900V、6300uF的滤波电容。3.3输出滤波器输出滤波电路的作用是减少输出电压中的谐波，并保证基本分量的传输。因滤波电容和负载并联，它可以补偿感性电流，但是滤波电容过大，反而会增加变压器的负担。因此在设计滤波电路时，首先确定滤波电容的值。设计的原则就是在额定负载时，使容性电流补偿一半的感性电流。取=30，选择50Hz、500V的交流电容；50Hz的交流电容用于400Hz时，耐压降低，应降压使用，一般按50Hz额定电压的60%使用。本设计中采用LC滤波。由于单极倍频SPWM调制方式下的逆变桥输出中除了基波外还含有高次谐波，其中最低谐波阶次为次，为半周期内的单极性波头数，本装置开关频率选取为8 KHz，最低次谐波频率为：考虑死区的影响，一般选取输出滤波器的谐振频率为最低次谐波的1/51/10。本设计中取其1/10，取谐振频率为2kHz计算，可得L=0.21mH，如果变压器的变比为k=0.318，这算到原边的电感为：3.4整流电路在电容滤波的三相不可控整流电路中，可以采用与分析三相桥式全控整流电路类似的方法，只是将电路中的IGBT均换作二极管，也就相当于晶闸管触发角 =0时的情况。电路图如图3.41所示，该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时电容向负载放电，按指数规律下降。图3.41 电容滤波的三相不可控整流电路图此时对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个晶闸管导通，而对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低的一个晶闸管导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组各有一个晶闸管处于导通状态，就是在自然换相点处换相，三相电压型全桥不可控整流电路时工作波形图如图3.42所示。 第 I 阶段，a 相电位最高，T1管触发导通，b 相电位最低，T6触发导通，电流流通路径为a T1 RT6 b ，负载上电压。变压器 a、b两相工作，a 相电流为正，b相电流为负。 第 II 阶段，a 相电位仍然为最高，Tl继续导通，但 c 相电位最低，在自然换相点处触发 c 相的 T2 管，则 T2 导通，电流从 b 相换至 c 相，T6因承受反向电压关断。这时电流流通的路径为a T1 R T2 c，负载上电压 。图3.42 三相不可控整流电路时工作波形图第 III阶段，b 相电位最高，自然换相点处触发 T3管，则换相至 T3，电流从 a相换至 b 相，T1因承受反向电压关断，T2 因 c 相电位仍为最高而继续导通，负载上电压 。 以下 IV、V、VI 阶段以此类推。在第 IV 阶段，T3、T4导通， ；第 V阶段，T4、T5 导通，；第 VI 阶段，T5、T6 导通，。以后重复上述过程。 由以上分析可知，三相电压型全桥整流电路中，对于上面的三个IGBT，所接交流电压值最大的一个导通；对于下面的三个IGBT，所接交流电压值最低(或者说负得最多)的导通；任意时刻上面的三个IGBT和下面的三个IGBT中各有1个IGBT处于导通状态。其余的IGBT均处于关断状态。触发角的起点，仍然是从自然换相点开始计算，注意正负方向均有自然换相点。3.5 单相恒压恒频正弦波逆变器单相桥式PWM逆变电路原理图如图3.51所示。该电路利用四个全控器件IGBT通过调制电路来进行控制。图3.51 单相桥式逆变电路图3.51是采用IGBT作为开关器件的单相桥式PWM逆变电路。设负载为阻感负载工作时有V1和V2的通断状态互补，V3和V4的通断状态互补。在输出电压U0的正半周，让V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断。由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周期电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，负载电压U0等于直流电压Ud；V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，U0=0.在负载电流为负的区间，仍是V1和V4导通时，i0为负，故i0实际上从VD1和VD4流过，仍有U0=Ud；V4关断，V3开通后，i0从V3和VD1续流，U0=0。这样，U0总可以得到Ud和零两种电平。同样，在U0为负的半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压U0可以得到-Ud和零两种电平。单相桥式逆变电路采用双极性控制方式时，在Ur的半个周期内，三角波不是单极性，而是有正有负，所得的PWM波是有正有负。在Ur的一个周期内，输出地PWM波只有Ud两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号Ur和载波信号Uc的交点时刻控制各开关器件的通断。3.6 控制系统该系统设计采用了一种数模结合的SPWM控制电路，其框图如图3.61所示，它由数字分频电路、三角波形成电路、调节器、标准正弦波形成电路及PWM形成电路等组成。系统的电压调节是为了稳定电压，电流调节是为了限制输出电流。电源的正弦输出畸变率小于5%就可以了，系统仅采用电压平均值闭环控制，稳定输出电压，对输出波形采用开环控制。三角波形成电路数字分频电路驱动电路PWM形成电路标准正弦形成电路调节器图3.61 SPWM控制电路框图在本电路的控制系统仿真过程中，直接用三角载波和两路相位相差180度的正弦波相比较，利用设置施密特触发器搬移其过零点的实现带有死区的SPWM生成。子系统的框图如图3.62所示。图示中的out1到 out4四个对对路控制的端口分别控制逆变器的V1到V4这四个IGBT。图3.62 SPWM控制电路的连接图上图仿真产生的波形图如图3.63 所示，第二个和第三个图分别是同一桥臂上的控制波形。由于采用两个相反的正弦调制波、和一个三角载波相比较，控制两个桥臂。当，T1导通，T2关断，当时，T2导通，T1关断；当，T3导通，T4关断，当时，T4导通，T3关断。单极倍频SPWM相对双极型SPWM而言，其输出电压脉动幅度低一倍，脉动频率高一倍，这样的特点有利于后级滤波。图3.63 仿真产生的控制电路波形3.7辅助电源在桥式逆变电路中，一个桥臂上下两管驱动电路的电源应各自独立，两个桥臂的上管无公地点，下关可以公地。因此驱动四管时至少要三个独立电源。采用单端反激式开关电源作为辅助电源提供3组20V电源和12V电源。三组20V电源分别作为4个IGBT的驱动模块电源。12V电源给控制系统的芯片供电。3.8 过电压保护对于IGBT开关速度较高，IGBT关断时及FWD逆向恢复时，产生很高的di/dt，由于模块周围的接线的电感，就产生了L di/dt电压，关断浪涌电压，因IGBT关断时，主电路电流急剧变化，在主电路分布电感上，就会产生较高的电压，抑制方法主要有：1）在IGBT中装有保护电路可吸浪涌电压，保护电路的电容，采用薄膜电容，并靠近 IGBT配置，可使高频浪涌电压旁路；2） 调整IGBT的驱动电路的VCE或RC，使di/dt最小；3） 尽量将电件电容靠近IGBT安装，以减小分布电感，采用低阻抗型的电容效果更佳；4）为降低主电路及缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好，用铜片作接线效果更佳。阻容保护电路是变流装置中用的最多的过压保护措施，它利用电容两端电压不能突变的特性，把电容C和电阻R串联组成RC电压抑制器，过电压保护电路如图3所示。这种电路能降低截流过电压及过电压上升陡度，还能在高频复燃时用电阻R吸收能量使高频振荡过程强烈衰减，因而有限制重复性高频过电压的作用。电容C的数据值一般为0102 F，电阻R为100200。R-C阻容保护电路可以设置在变流器装置的交流侧、直流侧，也可将R-C保护电路直接并在主电路的元件上，有效的抑制元件关断时的关断过电压。图3 过电压保护电路3.9过电流保护一旦发生短路，IGBT的集电极增加到既定的直，则CE间的电压急剧增加。根据这种特性，可以将短路时的集电极电流降到一定数值以下，但是在IGBT上还有外加的高电压，大电流的大负载，必须在尽量短的时间内解除。从发生短路起到电源切断的时间也受限制，其产生的原因主要有：1） 晶体管或二极管的破坏2） 控制电路，驱动电路的故障或由于杂波产生的误动作3）配线工作等人为失误以及负荷绝缘的破坏过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，防止IGBT的破坏和对电路中其他元件的保护。快速熔断器是IGBT变流装置中应用最普遍的过电流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直流侧快速熔断器只对负载短路或过载起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同一电流，因而被广泛应用。4. 主电路调试通过Matlab对本实验的主电路进行仿真实验，来发现电路设计过程中存在的缺陷和不足，并且能够保证及时改正，做到设计的真正合理与实用。图4.1是设计的仿真图，图中的各个元件连接完成以后，需要进行参数的设置，根据以上研究的模块电路设计的参数进行设置。图4.1 主电路仿真连接图仿真图中的Subsystem这模块部分是控制电路，点击这个模块以后可以进行输入和输出之间联系的设置，这就是图3.62显示的部分。仿真完成后输出的电压波形如图3.63所示图3.63 滤波后输出电压波形输出波形的幅值约为145V，与要求输出的有效值为100V的交流电压相比基本上成倍的关系，与理想值非常接近，这个是滤波完成后的波形，滤波之前的输出波形是幅值相等、宽度不同的矩形脉冲，那只是原始的逆变后的波形。以上说明的都是主电路在仿真中的连接图和输出的结果，但是在实际的交流变换器的制作过程远远没有这么简单，首先，整流部分不会有完整的模块，其次，仿真对过流和过压保护也没有做考虑，还有就是，仿真中对启停部分不需要做详细的设计，然而真正的交流变换器主电路包括控制电路要复杂的多，在附录1中，是完整的主电路图。5.总结经过一周半的电力电子装置及控制的课程设计，真的是受益匪浅。当看到这个任务书的时候感觉真正要学的东西来了，以前所学的理论知识终于可以用上了。于是拿起了课题认真的看了看。对控制电路和保