单相交-直-交变频装置.doc

电力电子技术电力电子技术 课程设计说明书课程设计说明书 单相交 直 交变频装置设计 学 院 电气与信息工程学院 学生姓名 夏志勇 指导教师 董恒 职称 学位 实验师 专 业 自动化 班 级 1404 班 学 号 1430740428 完成时间 2017 年 5 月 湖南工学院电力电子技术课程设计课题任务书湖南工学院电力电子技术课程设计课题任务书 学院 电气与信息工程学院 专业 自动化 指导教师董 恒学生姓名夏志勇 课题名称单相交 直 交变频装置设计 内 容 及 任 务 一 设计任务 设计一个单相交 直 交变频装置 已知交流电源 单相 220V 中间直流电压 最大为 50V 输出交流电压约 45V 输出最大电流 2A 最大功率 100W 二 设计内容 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 主 要 参 考 资 料 1 王兆安 王俊编 电力电子技术 第 5 版 北京 机械工业出版社 2012 2 黄俊 秦祖荫编 电力电子自关断器件及电路 北京 机械工业出版社 1991 3 李序葆 赵永健编 电力电子器件及其应用 北京 机械工业出版社 1996 4 陈国呈 PWM 变频调速技术 机械工业出版社 1998 5 吴安顺等 最新实用交流调速系统 北京 机械上业出版社 1998 6 吴忠智 昊家林 变频器应用手册 北京 机械工业出版社 1995 7 王凤翔 交流电机的非正弦供电 机械工业出版社 1997 8 吴竟昌 孙树勤 宋文南等 电力系统谐波 北京 水力电力出版社 1998 9 赵景波 MATLAB 控制系统仿真与设计 京 机械工业出版社 2010 教 研 室 意 见 教研室主任 签字 年 月 日 摘 要 随着电力电子技术 计算机技术 自动控制技术的迅速发展 单相交直交 变频系统得到了迅速发展 其显著的变频能力 宽泛的应用范围 完善的保护 功能 以及易于实现的变频功能 得到了广大用户的认可 在运行的安全可靠 安装使用 维修维护等方面 也给使用者带来了极大的便利 近年来以燃料电 池发电技术发展迅速 但是分布式发电技术发出发出的电都不是与电网供电系 统相同的交流电 无法与大电网联网或者直接供给普通负载使用 都需要变频 装置将其变换成负载可以使用的交流电或者与大电网电压 频率相匹配的公频 交流电 因此 研究交 直 交变频系统的基本工作原理和作用特性意义十分 重大 本文研究了变频调速系统的基本组成部分 主回路主要有三部分组成 将 工频电源变换为直流电源的 整流器 吸收由整流器和逆变器回路产生的电压 脉动的 滤波回路 也是储能回路 将直流功率变换为交流功率的 逆变器 使用 Matlab 搭建交 直 交变频系统的仿真模型 通过试验对该交 直 交变 频系统的基本工作原理 工作特性及作用有更深的认识 也对谐波对于交 直 交变频系统的影响有了一定的了解 关键词 电网 变频 整流 逆变 谐波 仿真 目 录 1 绪论 1 1 1 电力电子技术概况 1 1 2 课程设计任务 1 1 3 课程设计内容 1 2 单相交 直 交变频装置设计 2 2 1 单相交 直 交变频电路总体设计方案 2 2 2 具体电路设计 2 2 2 1 主电路设计 2 2 2 2 驱动电路设计 4 2 2 3 4013 芯片原理 5 2 2 4 控制电路设计 5 2 3 元器件型号选择 6 3 仿真结果 8 3 1 仿真环境 8 3 2 仿真模型使用模块提取的路径及其单数设置 8 3 3 具体仿真结果 11 3 3 1 仿真电路图 11 3 3 2 整流滤波输出电压计算域仿真 11 3 3 3 逆变输出电压计算与仿真 12 结束语 15 参考文献 16 致谢 17 0 1 绪论 1 1 电力电子技术概况 电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术 就是使用电力电 子器件 如晶闸管 GTO IGBT 等 对电能进行变换和控制的技术 电力电子 技术所变换的 电力 功率可大到数百 MW 甚至 GW 也可以小到数 W 甚至 1W 以 下 和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换 交 直 交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件 无功功率将由 大电感来缓冲 它的一个突出优点是当电动机处于制动 发电 状态时 只需改 变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈 到交流电网 构成的调速系统具有四象限运行能力 可用于频繁加减速等对动 态性能有要求的单机应用场合 在大容量风机 泵类节能调速中也有应用 近年来 随着电力电子技术 计算机技术 自动控制技术的迅速发展 交 流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一 电气传动技术面临着一 场历史革命 即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技 术已成为发展趋势 交流变频调速技术是当今节电 改善工艺流程以提高产品 质量和改善环境 推动技术进步的一种主要手段 变频调速以其优异的调速和 起制动性能 高效率 高功率因数和节电效果 广泛的适用范围及其它许多优 点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式 深入了解交流传动与控制技术 的走向 具有十分积极的意义 1 2 课程设计任务 设计一个单相交 直 交变频装置 已知交流电源 单相 220V 中间直流 电压最大为 50V 输出交流电压约 45V 输出最大电流 2A 最大功率 100W 1 3 课程设计内容 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 1 2 单相交直交变频电路设计 2 1 单相交直交变频电路总体设计方案 如图 1 交直交变频器原理是先把交流电经整流器先整流成直流电 直流中 间电路对整流电路的输出进行平滑滤波 再经过逆变器把这个直流电流变成频 率和电压都可变的交流电 图 1 单相交直交变频电路总体方案图 2 2 具体电路设计 2 2 1 主电路设计 图 2 单相交直交变频电路原理图 如图 2 交直交变频电路由两部分组成 交直交直流为整流部分 采用不可 控的二级管整流电路 直流侧用电容和电感进行滤波 可得到平直的中间直流 电压 此部分结构简单可靠 性能满足实验的需要 直流变交流为逆变部分 采用单相桥式逆变电路 PWM 控制 输出电压的 大小及频率均通过 PWM 控制进行调节 由于中间直流环节为电容滤波 因此图 2 2 的逆变电路为电压型 PWM 控制技术即脉冲宽度调制技术 是通过对脉冲的 宽度进行调制 来等效的获得需要的波形 PWM 控制在你变电路中的应用最为 广泛 目前中小功率的逆变电路几乎都采用了 PWM 控制技术 PWM 控制技术对 逆变电路的影响十分深刻 PWM 控制的方法可分为三类 即计算法 调制法和跟踪控制法 其中 调 制法是较为常用的也是基本的一类方法 而调制法中最基本的是利用三角载波 2 与正弦信号波进行比较的调制方法 也可以采用双极性调制 在本实验装置中 采用了双极性 PWM 调制技术 以下是双极性 PWM 调制的原理 双极性 PWM 控制原理示意图如图 3 所示 采用双极性炮 PWM 调制技术时 以希望得到的交流正弦输出波形作为信号波 采用三角波作为载波 将信号波 与载波进行比较 在信号波与载波的交点时刻控制各开关的通断 在信号波的 一个周期内 载波有正有负 调制出来的输出波形也是有正有负 其输出波形 有两种电平 用表示信号波 表示载波 当时 给 施加开通 r u c u cr uu 1 V 4 V 驱动信号 给 施加关断驱动信号 此时如果 则 开通 如 2 V 3 V0 0 i 1 V 4 V 果 则 开通 但输出电压均为 反之 则 或 0 0 i 1 VD 4 VD d Uu 0 2 V 3 V 2 VD 开通 图中 是输出电压的基波分量 3 VD d0 Uu of u 0 u 图 3 双极性 PWM 控制的原理 3 2 2 2 驱动电路设计 图 4 驱动电路原理图 如图 4 驱动电路作为控制电路和主电路的中间环节 主要任务是将控制 电路产生的控制器件通断的信号转化为器件的驱动信号 本实验中使用了目前广泛应用的一种集成驱动芯片 三菱公司的 M57950L 驱动芯片 它可以完成一下功能 1 电气隔离 全桥电路的 4 个管子的驱动信号并不都是共地的 为此需要 将控制信号进行隔离 另外 控制电路的电压等级低 而主电路电压等级高 为了避免干扰 也必须进行电气隔离 2 波形整形 将控制电路产生的信号转化为控制 IGBT 通断所需要的驱动 信号 3 具有过流保护功能 通过检测 IGBT 管的饱和压降来判断 IGBT 是否过流 过流时 IGBT 管的 CE 结之间的饱和压降升到一定的值 使 8 脚输出低电平 在光耦 TLP521 1 输出端 OC1 变成高电平 经过过流保护电路 如图 5 使 4013 输出 Q 端变成低电平送给控制电路 起到了封锁保护作用 图 5 保护电路设计 图 6 CD4013 原理图 4 2 2 3 4013 芯片原理 如图 6 设电路初始状态均在复位状态 Q1 Q2 端均为低电平 当 fi 信号 输入时 由于输入端异或门的作用 附表是异或门逻辑功能表 其输出还受到 触发器 IC2 的 Q2 端的反馈控制 非门 F2 是增加的一级延迟门 A 点波形与 Q2 相同 在第 1 个 fi 时钟脉冲的上升沿作用下 触发器 IC1 IC2 均翻转 由于 Q2 端的反馈作用使得异或门输出一个很窄的正脉冲 宽度由两级 D 触发器和反 相门的延时决定 当第 1 个 fi 脉冲下跳时 异或门输出又立即上跳 使 IC1 触 发器再次翻转 而 IC2 触发器状态不变 这样在第 1 个输入时钟的半个周期内 促使 IC1 触发器的时钟脉冲端 CL1 有一个完整周期的输入 但在以后的一个输 入时钟的作用下 由于 IC2 触发器的 Q2 端为高电平 IC1 触发器的时钟输入跟 随 fi 信号 反相或同相 本来 IC1 触发器输入两个完整的输入脉冲便可输出一 个完整周期的脉冲 现在由于异或门及 IC2 触发器 Q2 端的反馈控制作用 在第 1 个 fi 脉冲的作用下得到一个周期的脉冲输出 所以实现了每输入一个半时钟 脉冲 在 IC1 触发器的 Q1 端取得一个完整周期的输出 2 2 4 控制电路设计 图 7 控制电路原理图 控制电路的工作流程是 信号发生 包括产生信号波和载波 信号调制 产生 IGBT 的驱动信号 图 7 给出了控制电路的原理图 在本实验装置中 采用两片 ICL8038 分别产生正弦信号波和三角波载波 根据双极性 PWM 信号 在图 1 所示的电压型单相桥式逆变电路中需要注意的一 5 点是 V1和 V4不能同时导通 V2和 V3不能同时导通 否则将使直流侧发生短路 为避免两对器件同时导通 需要在两对器件的开关状态切换时设置死区 确保 先断后通 图三的控制电路中使用了单稳态多频率振荡器 4528 来实现死区的控制 ICL8038 是精密波形发生器 它产生的波形的频率可以从 0 001Hz 到 300Hz 其内部结构如图 8 所示 图 8 ICL8038 内部功能结构图 2 3 元器件型号选择 1 二极管参数计算 1 AIII d 2 2 流过每个二极管的电流是 2 3 4 所以选择 150v 2 5A 的二极管 2 变压器变比计算 5 A I I d VT 2 2 V U U d 56 9 0 2 AII VTN 8 2 12 2 2 5 1 VUUN168 112 3 2 2 6 6 所以选择变比为 4 1 的变压器最好 3 IGBT 参数计算 VUURM792 2 7 8 VUU RMN 237 158 3 2 9 AII VTN 80 1 35 1 57 1 2 5 1 所以选 220v 2 5A 的 IGBT 管 1 4 56 220 2 1 V V U U n 7 3 仿真结果 3 1 仿真环境 本次设计中用 Altium designer 画出原理图 仿真则主要用 Matlab 软件来 仿真 用示波器观察整流和逆变的输出波形图 评估整个系统的功能 3 2 仿真模型使用模块提取的路径及其单数设置 离散 PWN 发生器模 Discrete PWM Generator 提取路径是 Simulink SimPower Systems Power Electronics Discrete Control Blocks Discrete PWM Generator 信号终结模块 Terminator 提取路径是 Simulink Commonly Used Blocks Terminator 交流电模块 Phase 初相 角 0 度 Frequency 频率 50Hz Sample Time 采样时间 0 默认值 0 表示 该交流电源为连续源 Peak amplitude 当变频输出频率为 100Hz 时置为 600VC 2 当变频输出频率为 50Hz 时置为 50V 2 滤波电感 L1 选 Series RLC Branch 模块 将参数 Inductance H z 置为 80e 3 图 9 电感 L1 参数设置 滤波电路 L2 选 Series RLC Branch 模块 将参数 Inductance H 置 为 30e 3 8 图 10 电感 L2 参数设置 滤波电容 C1 选 Series RLC Branch 模块 将参数 Capacitance F 置 为 1800e 6 图 11 电容 C1 参数设置 滤波电容 C2 选 Series RLC Branch 278 模块 将参数 Capacitance F 置为 320e 6 9 图 12 电容 C2 参数设置 不可控的整流桥 Universal bridge 的参数设置如下 图 13 Universal bridge 的参数设置 10 3 3 具体仿真结果 3 3 1 仿真电路图 单相整流 逆变电路的仿真模型如下所示 由图可知 单相 220V 50Hz 交 流电源经单相不可控整流环节 进行 LC 滤波后即为中间直流环节 在进入 PWM 逆变 又一次 LC 滤波后 形成所需的交流信号 图 14 仿真原理图 3 3 2 整流滤波输出电压计算域仿真 运用 matlab 对交流电源与经过桥式整流之后的电压信号进行了仿真之前 对两电压的波形进行理论的分析 在单相桥式全控整流电路中 晶闸管 VT1 和 VT4 组成一对峭壁 VT2 和 VT3 组成另一对桥臂 字 U2 正半周 若 4 个晶闸管均不导通 负载电流为零 输 出电压 U 也为零 在 U2 的一半 若在触发角 处给 VT1 和 VT4 加触发脉冲 VT1 和 VT4 即导通 电流从电源 端经 VT1 R VT4 流回电源另一端 当 U2 过零时 流经晶闸管的电流也降到零 VT1 和 VT4 关断 晶闸管承受的最大正 向电压和最大反向电压的值分别为 0 5 U2 和U2 在 U2 负半周 仍在 22 触发角延迟 处触发 VT2 和 VT3 VT2 和 VT3 导通 其电流电压情况与正半周 情况类似 并且按照此种规律循环往复的工作下去 在此种原理下可以计算得 出以下公式 桥式整流输出电压 10 2 1 cos 0 9 2 d a UU 由于经过滤波之后 电压会上升 其实际值接近 350V 两信号的 matlab 仿真波形记录如下 11 图 15 整流滤波输出电压器 由上图可以看出整流输出的是脉动的直流电压波形 通过滤波电路 将其 变成纹波较小的直流电压 3 3 3 逆变输出电压计算与仿真 电压型全桥逆变电路的原理图在上面的基础电路中已经给出 它共有四个 桥臂 可以看成由两个半桥电路组合而成 把桥臂 1 和 4 作为一对 桥臂 2 和 桥臂 3 作为一对 成对的两个桥臂同时导通 两队交替导通 180 度 其输出电 压 11 0 11 sinsin3sin5 35 dU Uttt 其中 基波的幅值 Uolm 和基波有效值 UO1 分别为 12 dmoU U U d 27 1 4 1 13 d d oU U U9 0 4 1 由于输出电压由开关管的开通与关断频率决定 所以输出电压为无数技校 的矩形组成 在 matlab 中 逆变电路输出电压频率有 PWM 脉冲触发器参数设置 其参数设置如下图 12 图 16 PWM 脉冲触发器参数设置 在采样理论中有一个重要的结论 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有 惯性的环节上时 其效果基本相同 冲量即指窄脉冲的面积 这里所说的效果 基本相同 是指环节的输出相应波形基本相同 如果把脉冲序列利用相同数量 的等幅而不等宽的矩形脉冲代替 使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点 重合 且使矩形波脉冲和相应的正弦波部分面积相等就能得到相应的脉冲序列 这就是 PWM 波形 可以看出 各脉冲的幅值相等 而宽度 是按正弦规律变化的 根据面积等效的原理 PWM 波形和正弦波是等效的 对于正弦波的负半周 也 可以用同样的方法得到 PWM 波形 像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦 波等效的 PWM 波形 也称 PWM 波形 13 图 17 逆变输出电压 由图可知 输出电压频率为 400Hz 的交流电压 波形与理论分析结果一致 可得 此交流变换器 即交流变频仿真得到了正确的结果 14 结束语 课程设计结束了 过程是艰辛的 但是收获却是巨大的 设计中遇到了很 多大大小小的问题 在解决这些问题的过程中 与同学分工设计 相互合作 相互监督 不仅加强了动手能力 而且加强了将书