电力电子课程设计---单相桥式晶闸管有源逆变电路设计.doc

中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 谢海椿 学 号： 0905054236 学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 自动化 题 目： 单相桥式晶闸管有源逆变电路设计 （反电势阻感负载） 指导教师： 方炜 职称: 讲师 2011年12月31日中北大学课程设计任务书 11/12 学年第 一 学期学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 谢海椿 学 号： 0905054236 课程设计题目： 单相桥式晶闸管有源逆变电路设计 （反电势阻感负载） 起 迄 日 期： 12月25日 12月31日 课程设计地点： 电气工程系实验中心 指 导 教 师： 方炜 系 主 任： 王忠庆 下达任务书日期: 2011年 12月 25 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1）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。2）培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3）培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4）提高学生课程设计报告撰写水平。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：设计内容：1、设计一个单相桥式晶闸管有源逆变电路（反电势阻感负载）设计要求： 1）电源电压：交流50V/50Hz；2）逆变功率：200W；3）反电势： E=70V；4）逆变角：=35。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计说明书、图纸、实物样品等：设计工作任务及工作量的要求：1）根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路和触发电路； 2）用Multisim等软件制作主电路和控制电路原理图；3）撰写课程设计报告画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理，完成元器件参数计算，元器件选型，说明控制电路的工作原理，用Multisim或EWB等软件绘出主电路典型的输出波形（比较实际波形与理论波形），绘出触发信号（驱动信号）波形，说明设计过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1、樊立萍，王忠庆.电力电子技术.北京:北京大学出版社,20062、徐以荣，冷增祥.电力电子技术基础.南京：东南大学出版社，19993、王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社,20054、童诗白.模拟电子技术.北京:清华大学出版社, 20015、阎石.数字电子技术.北京:清华大学出版社, 19986、邱关源.电路.北京：高等教育出版社，19995设计成果形式及要求：1）撰写课程设计报告；2）用PROTEL或其它软件画出主电路和触发电路原理图；3）用EWB或其它软件绘出主电路典型波形，触发信号（驱动信号）波形。6工作计划及进度：2011年 12月25日 12月27日 收集资料，计算所需参数并选定元器件；12月28日 12月29日 完成主电路、控制电路设计；绘出波形图；12月30日 12月31日 完成课程设计报告，下午答辩。系主任审查意见： 签字： 2011年12月25日一、绪论1.逆变技术介绍：逆变技术的原理早在1931 年就有人研究过，从1948 年美国西屋电气公司研制出第一台3KHZ 感应加热逆变器至今已有近60 年历史了，而晶闸管SCR 的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件，到了20 世纪70 年代，可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（BJT） 的问世使得逆变技术得到发展应用。到了20 世纪80 年代，功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅极晶体管（IGBT）、MOS 控制晶闸管（MCT）以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化，大容量化创造了条件。进入80 年代后，逆变技术从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高速器件，提高开关频率方向发展。逆变器的体积进一步减小，逆变效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。2.软件介绍：NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。二、原理概述在电力电子技术中，把直流电能变换成为交流电能的过程称为逆变。当交流侧为供电电源时称为有源逆变。要使负载侧反过来通过变流器向交流电源供电（即能量反传递）而且电流流向不变，则在负载侧必须存在一个直流电源E（电动势），这个电源可以是电池，也可以是直流发电机或直流电动机运行在发电状态，这个电源的极性与整流电压极性相反。两个电源之间的能量交换必须使这两电源同极性相连接。这样，欲使负载中直流电源的能量反流回交流电源中去，则必须要求变流器能产生一个与原整流电压U极性相反的电压，称之为逆变电压U，且UE，U为逆变电压的平均值。由于希望在能量交换中的能量损失尽可能地小，因此回路中的电阻R均较小，这样U较接近于E。综上所诉，有源逆变本质上是触发角大于90度的整流，有源逆变的拓扑结构与整流一模一样，只是当触发角大于90度时整流电路的功率方向发生了变化。为了实现逆变功能，有源逆变电路必须满足两个条件：（1）负载侧存在一个直流电源E，由它提供能量，其电势极性与变流器的整流电压相反，对晶闸管为正向偏置电压；（2）变流器在其直流侧输出应有一个与原整流电压极性相反的逆变电压U，其平均值UE，并将其能量馈送给交流电源。三、参数计算题目要求：电源电压：交流50V/50Hz逆变功率：P=200W反电势：E=70V逆变角：=35计算：输入电压有效值U=50V U=和=得U=0.9cos() I= P=|E I|IR和P=200W U=-36.86V I=5.43A R=6.10晶闸管的选取：额定电压：=70.71V，取23倍的电压安全储备，并考虑晶闸管电压安全系列取额定电压为200V。额定电流：查表可得K=II=2，I=K/1.57=2.41，取2倍电流安全储备并考虑晶闸管原件额定电流系列取额定电流为5A。控制电路设计： 电源频率f=50HZ,周期T1=20ms 触发电路周期T2=T1=20ms 触发角=180-=180-35=145 D1，D3触发时间为：t=T2=8.06ms D2, D4触发时间为：t=t+T2=18.06ms四、实验原理图及其分析实验理论图实验原理图原理图分析：负载侧存在一个直流电源E=70V（电动势），由它提供能量，其电势极性与单向桥式整流电压相反，对晶闸管为正向偏置电压。 在0145时，D1、D3导通，145325时，D2、D4导通，如此循环。变流器在其直流侧输出了一个与原整流电压极性相反的逆变电压U=36.86V，其平均值UE，以吸收能量，并将其能量馈送给交流电源。控制电路原理图控制电路原理：控制电路采用脉冲信号发生器，作为晶闸管的触发信号，其参数如上图所示。其中D1，D3触发时间为：t=T=8.06ms，D2,D4触发时间为：t=t+T=18.06ms，且控制电路周期和交流电源周期相同，使得两组晶闸管交替触发，实现逆变。晶闸管D1、D3门极触发电源参数晶闸管D2、D4门极触发电源参数D1、D3触发脉冲波形图D2、D4触发脉冲波形图Ud波形图Ud波形与U2波形比较晶闸管1、3电压波形图晶闸管2、4电压波形图逆变电压、平均电流、逆变功率读数晶闸管、电感、电流表不是理想器件，它们都有电阻，而电阻为6.1，数值较小，器件电阻对电路电流影响较大，导致电流达不到理想值，从而使得逆变功率与理想值有出入。五、实验问题及解决方案1.电感的选取问题：测定输出电压波形时，当电感小于10MH时，仿真若干周期后输出电压波形出现严重失真并且电路运行出错，当电感大于10MH时，输出电压一直很稳定。所以我们在实验中选定1GH的电感，使输出电压稳定。测定逆变功率时，当电感太大时（例如1MH），平均电流I很小，而电感较小时（例如1H），仿真一开始即会报错，所以测定逆变功率时，我们选取的电感为40H，使得输出电压波形较稳定，且I、逆变功率P比较接近理想值。2.晶闸管的选取：选定不恰当的晶闸管，仿真时会出现报错或者输出电压波形严重失真的情况。经过多次试验，最后选定型号为EGH16-16的晶闸管，此晶闸管在仿真10S后仍能输出稳定准确的波形。3.逆变功率达不到要求：刚做实验时所选器件不是理想器件，它们都存在电阻，使得逆变功率比要求值小，即使把器件设置为理想器件，由于电感的存在，逆变功率也只是能接近要求，大概能达到170W。六、实验心得 本次电力电子技术课程设计我的研究对象为单项桥式有源逆变电路，对此我结合课本知识与网上搜索的资料，对其原理及实现做出了深刻的研究和分析。在课程设计过程中，暴露出我在平时的学习中，没有注意理论与实际的差别，仅局限于学习课本知识，没有及时扩充自己的视野，譬如晶闸管有很多不同的型号，我只能计算出理论的额定电压额定电流，但是根据额定电压和额定电流选取晶闸管时，我就不知道该如何选取了，导致在做实验的过程中花费了很长时间才选出合适的晶闸管。我平时没有在学习仿真软件方面下功夫，只是在实验时才偶尔使用一两次，导致实验开始时不知如何使用软件，通过问同学和上网查资料才知道如何使用multisim研究我们的课程设计。在网上搜索资料时，查出的信息往往不