单相桥式整流逆变电路的设计及仿真...doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术 课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 单相桥式整流单相桥式整流 逆变电路的设计及仿真逆变电路的设计及仿真 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 自动化自动化111111班班 学学 号 号 110302030110302030 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 2013 12 30 2014 1 10 本科生课程设计 论文 I 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 自动 化 本科生课程设计 论文 II 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 学 号1103020学生姓名专业班级 课程设计 论文 题 目 单相桥式整流 逆变电路的设计及仿真 课程设计 论文 任务 课题完成的功能 设计任务及要求 技术参数课题完成的功能 设计任务及要求 技术参数 实现功能实现功能 整流电路是将交流电能变成直流电供给直流用电设备 在生产实际中 用于电阻 加热炉 电解 电镀中 这类负载属于电阻类负载 逆变电路是把直流电变成交流电 逆变电路应用广泛 在各种直流电源中广泛使用 设计任务及要求设计任务及要求 1 确定系统设计方案 各器件的选型 2 设计主电路 控制电路 保护电路 3 各参数的计算 4 建立仿真模型 验证设计结果 5 撰写 打印设计说明书一份 设计说明书应在 4000 字以上 技术参数技术参数 整流电路 单相电网 220V 输出电压 0 100V 电阻性负载 R 20 欧姆 逆变电路 单相全桥无源逆变 输出功率 200W 输出电压 100Hz 方波 进度计划 1 布置任务 查阅资料 确定系统方案 1 天 2 系统功能分析及系统方案确定 2 天 3 主电路 控制电路等设计 1 天 4 各参数计算 1 天 5 仿真分析与研究 3 天 6 撰写 打印设计说明书 1 天 答辩 1天 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 III 摘 要 整流电路是把交流电转换为直流电的电路 大多数整流电路由变压器 整流主电路 和滤波器等组成 逆变电路是把直流电变成交流电的电路 与整流电路相对应 无源逆 变电路则是将交流侧直接和负载连接的电路 此次设计的单相桥式整流电路是利用二极管来连接成 桥 式结构 达到电能的充分利 用 是使用最多的一种整流电路 无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接 而是直 接接到负载 即将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载 关键词 交直流转换 桥式整流 无源逆变电路 本科生课程设计 论文 IV 目录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 2 2 1 概述 2 2 2 系统组成方案 2 2 2 1 单相桥式整流电路的结构 2 2 2 2 单相桥式无源逆变电路的结构 3 第 3 章 主电路设计 4 3 1 单相桥式整流主电路 4 3 1 1 单相桥式整流主电路图 4 3 1 2 工作原理 4 3 2 单相桥式无源逆变电路主电路 5 3 2 1 单相桥式整流电路主电路图 5 3 2 2 工作原理 6 第 4 章 控制电路设计 7 4 1 单相桥式整流电路控制 7 4 1 1 触发电路 7 4 1 2 保护电路 8 4 2 单相桥式无源逆变电路控制电路 9 4 2 1 驱动电路 9 4 2 2 保护电路 10 第 5 章 MATLAB 仿真 12 5 1 单相桥式整流电路的仿真 12 5 2 单相桥式无源逆变电路的仿真 15 第 6 章 课程设计总结 17 参考文献 18 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 整流电路就把交流电转换为直流电的电路 整流电路通常由主电路 滤波器 和变压器组成 20 世纪 70 年代以后 主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成 滤波器接在主电路与负载之间 用于滤除脉动直流电压中的交流成分 变压器设 置与否视具体情况而定 其作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以 及交流电网与整流电路之间的电隔离 另外 还有采用全控型器件的电路 其主 要控制方式为 PWM 脉宽调制式 后来 又把驱动 控制 保护电路和功率器件集 成在一起 构成功率集成电路 PIC 随着全控型电力电子器件的发展 电力电 子电路的工作频率也不断提高 同时 电力电子器件的开关损耗也随之增大 为 了减小开关损耗 软开关技术便应运而生 零电压开关 ZVS 和零电流开关 ZCS 把电力电子技术和整流电路的发展推向了新的高潮 逆变电路与整流电路相对应 是把直流电变成交流电的电路 当交流侧接在 电网上 即交流侧接有电源时 称为有源逆变 而无源逆变是指逆变器的交流侧 不与电网连接 而是直接接到负载 即将直流电逆变为某一频率或可变频率的交 流电供给负载 它在交流电机变频调速 感应加热 不停电电源等方面应用十分 广泛 是构成电力电子技术的重要内容 另外 逆变电路输出电压基波方均根值 随外加控制信号电压的大小作连续调节 逆变电路的基本功能固然是将直流电能 改变成所需频率的交流电能 但含逆变电路的工业特殊交流电源 除了必须具备 变频功能之外 还要求其出端电压在一定范围内连续可调 例如 交流电机调速 用变频器 不间断电源 感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路 它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率 和电压都任意可调的交流电源 再例如 为了防止交流电动机磁路饱和 用于变 频调速的电源输出电压需要与工作频率同步调节 以保持 U f 值为常数 其中 U 为电源输出基波电压方均根值 f 为工作频率 为了适应不同工件和工艺规范的 需要 用于感应加热的电源输出功率需要在一定范围内连续可调 相当于电源输 出电压可调 为了在电网和负载波动条件下维持输出电压恒定 各种恒压电源 如不停电电源等 必须具备输出电压快速调节的功能等等 本科生课程设计 论文 2 第 2 章 课程设计的方案 2 1 概述 本次设计主要设计单相桥式整流电路和单相全桥无源逆变电路 这两个电路 在电力电子这门课程中算是比较简单的电路 但同时也是基础型的电路 这次设 计不仅可以更直观的了解电路的工作情况和各个器件的工作原理 使自己对电力 电子知识的掌握更加清晰 牢固 同时可以通过对比来分辨两个电路的不同作用 整流电路要求输入单相电网 220V 输出电压 0 100V 电阻性负载 R 20 欧 姆 通过设计整流电路并按照要求参数进行仿真 可以得到相应的波形 逆变电 路要求单相全桥无源逆变 输出功率 200W 输出电压 100Hz 方波 应采用无源方 波逆变电路 通过对参数的正确设置 就可以仿真出所求波形 2 2 系统组成总体结构 2 2 1 单相桥式整流电路的结构 单相桥式整流电路在输入单相电源后经过变压器带动驱动电路使晶闸管处于 通状态来控制整流电路的通断 整流电路与负载相连得到整流后的波形 保护电 路在整个过程中保证电路的正常运行 防止过压或过流情况的发生 图2 1 单相桥式整流电路的结构 单相 电源 驱动 电路 单相 桥式 整流 电路 负载 保护电路 本科生课程设计 论文 3 2 2 2 单相全桥无源逆变电路的结构 无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接 而是直接接到负载 即将直 流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载 直流侧与电源相接 通过滤 波电路得到需要的电压范围 整流电路将直流电压转换成交流电 输出给负载 控制电路全程逆变控制电路的通断 图2 2 单相桥式无源逆变电路的结构 直 流 电 源 逆 变 输 入 滤 波 负 载 输 出 滤 波 控制电路 本科生课程设计 论文 4 第 3 章 主电路设计 3 1 单相桥式整流电路主电路 3 1 1 单相桥式整流主电路图 图3 1 单相桥式整流主电路图 3 1 2 工作原理 如上图所示 晶闸管 VT1 和 VT2 组成一对桥臂 晶闸管 VT4 和 VT3 组成另 一对桥臂 当 u2 为正半周时 在 t 瞬间给 VT1 和 VT4 以触发脉冲 则电流 i2 从 a VT1 Rd VT4 b VT2 和 VT3 均承受反向电压而关断 在电源电压 u2 的负半周期时 仍在控制角 时刻触发 VT2 和 VT3 电流 i2 从 VT1VT3 VT2 VT4 Rd u2 i2 a b 本科生课程设计 论文 5 b VT3 Rd VT2 a 如此一个个周期周而复始地重复 循环 由于单相桥式整流电路直流电压在一个周期内有两个波头 故整流电压平均 值可按下式计算 2 cos129 0 sin22 Ud 0 UtdtU 当 0 时 晶闸管全导通 相当二极管的不可控整流 Ud 0 9U2 为最大 值 当 90 时 Ud 0 为最小值 可见 其移相范围为 90 对电路来说 晶闸管的选取会影响到电路的功能和输出 因此 晶闸管的参数 的选取十分重要 决定晶闸管性能的主要参数有 主要电压参数包括断态重复峰值 电压 反向重复峰值电压 反向击穿电压 通态平均电压和断态电压临界上升率 主要电流包括通态平均电流 断态平均电流 维持电流 掣住电流和浪涌电流等 因此 出于对电路输出的考虑 选取 KP1 型晶闸管 其主要参数为 通态正 向平均电流 It 为 1av 断态正反向重复峰值电压 Udrn Udrrm 为 50 160V 门极 触发电压 Vgt 为 2 5V 门极触发电流 Igt 为 20mA 根据以上参数可求得晶闸管承受的最大正 反向电压都是U2 2 流过每个晶闸管的电流平均值和有效值公式分别为 dIdId v I5 0Idvt 22 IdIdId v 2 1 22 Idvt 本科生课程设计 论文 6 3 2 单相桥式无源逆变电路主电路 3 2 1 单相桥式无源逆变主电路图 图3 2 单相桥式无源逆变主电路图 3 2 2 工作原理 单相桥式无源逆变电路如上图所示 从图中可看出 它由两对桥臂组合而成 VT1 和 VT4 构成一对导电臂 VT2 和 VT3 构成另一对导电臂 两对导电臂交替 导通 180 度 其工作过程如下 t 0 时刻以前 VT2 VT3 导通 VT1 VT4 关断 电源电压反向加在负载 上 Uo Ud 在 t 0 时刻 负载电流上升到负的最大值 此时关断 VT2 VT3 同时驱动 VT1 VT4 由于感性负载电流不能立即改变方向 负载电流经 VD1 VD4 续流 此时 由于 VD1 VD4 导通 VT1 VT4 受反压而不能导通 负载电压 Uo Ud 在 t t1 时刻 负载电流下降到 0 VD1 VD4 自然关断 VT1 VT4 在正向 电压作用下开始导通 负载电流正向增大 负载电压 0u Ud 在 t t2 时刻负载电流上升到正的最大值 此时关断 VT1 VT4 并驱动 VT2 VT3 同样 由于负载电流不能立即换向 负载电流经 VD2 VD3 续流 负载电压 0u Ud VD1VT3 VD2 VT1 VD3 VT2VT4 VD4 A B Ud uo io Lo Ro 本科生课程设计 论文 7 在 t t3 时刻 负载电流下降到 0 VD2 VD3 自然关断 VT2 VT3 开通 负载电流反向增大时 0u Ud 在 t t4 时刻 负载电流上升到负的最大值 完成一个工作周期 从图 2 2 知 单相全桥逆变电路的输出电压为方波 定量分析时 将 0u 展开 成傅立叶级数 得 5sin3sinsin 4UdUo 5 1 3 1 ttt 其中 基波分量的幅值 Uolm 和有效值 Uol 分别为 Uolm 1 27Ud Uol 0 9Ud 本科生课程设计 论文 8 第 4 章 控制电路设计 4 1 单相桥式整流电路控制电路 4 1 1 单相桥式整流电路触发电路 1 电路图 图4 1 单相桥整流电路触发电路图 2 晶闸管触发电路工作原理 1 由 V1 V2 构成的脉冲放大环节和脉冲变压器 TM 和附属电路构成的脉冲输 出环节两部分组成 2 当 V1 V2 导通时 通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发 脉冲 R1 VD1 R3 本科生课程设计 论文 9 3 VD1 和 R3 是为了 V1 V2 由导通变为截止时脉冲变压器 TM 释放其储存的能 量而设的 4 为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分 还需适当附加其它电路环节 晶闸管触发电路应满足下列要求 A 触发脉冲的宽度应该保证晶闸管的可靠导通 对感性和反电动势负载的变流 器采用宽脉冲或脉冲列触发 对变流器的启动 双星型带平衡电抗器电路的触发 脉冲应该宽于 30 三相全控桥式电路应小于 60 或采用相隔 60 的双窄脉冲 B 脉冲触发应有足够的幅度 对户外寒冷场合 脉冲电流的幅度应增大为器件 最大触发电流的 3 5 倍 脉冲前沿的陡度也要增加 一般需达 1 2A us 所提供的触发脉冲不应超过晶闸管门极的电压 电流和额定功率 且在门极伏安 特性的可靠触发区域之内 并且应有良好的抗干扰性能 温度稳定性及主电路的 电气隔离 4 1 2 单相桥式整流电路保护电路 1 工作原理 设备在运行过程中 会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压 的侵袭 同时 设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现 过电压保护 的电压保护的方法是采用电子电路进行保护 2 电路图 1 1 ln 11 CR T f e C B A 本科生课程设计 论文 10 图4 2 单相桥式整流保护电路图 4 2 单相桥式逆变电路控制电路的设计 4 2 1 驱动电路 1 功能介绍 电力电子器件的驱动电路时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 采用性能良好的驱动电 路 可使电流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 可靠性和安全都有重要的意义 另外 对电力电子器件或整 个装置的一些保护措施也往往就近设在驱动电路中 或者通过驱动电路来实现 这使得驱动电路的设计更为重要 IGBT 的驱动多采用专用的混合集成驱动器 常用的有三菱公司的 M579 系列 如 M57962L 和 M57959L 和富士公司的 EXB 系列 如 EXB840 EXB841 EXB850 和 EXB851 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 下图给出了 M57962L 的接线图和引脚图 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 2 电路图 M57962L 的接线图 本科生课程设计 论文 11 图4 3 单相桥式逆变驱动电路图 M57962L 的引脚图 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 图4 4 M57962L 的引脚图 3 工作原理 当控制电路使 M57962L 输入端 13 和 14 脚有 10mA 的电流时光耦 IC1 导通 A 点电位迅速下降至 VEE 使 IC2A 的 2 脚输出为高电平 Vcc 则三极管 V2 V4 导通 V3 V5 截止 使 V7 导通 Vcc 加到 R17 上 同时由 R18 R17 R18 大于 R16 R15 R16 导致 IC2D 的 13 脚为低电位 V6 截止 R4 R3 R4 大于 R16 R15 R16 使 IC2B 的 13 脚截至 故 IC2 的 14 脚为高电平 V1 截止 M57962L 的 8 脚不输出故障信号 在 M57962L 输入端 13 和 14 无电流时 IC1 截止 A 点电位上升使 IC2A 的 2 脚变为低电位 则使 V3 V5 导通 V2 V4 截止 lGBT 的门极 GATE 通过 V5 导通到 VEE 而使 IGBT 关断 IC2C 的 14 脚输出为低电平 使 V1 V7 导 通 使 IC2B IC2D 保持原先状态不变 4 2 2 保护电路 1 功能介绍 在电力电子电路中 除了电力电子器件参数选择合适 驱动电路设计良好外 M57962L 本科生课程设计 论文 12 采用合适的过电压保护 过电流保护 du dt 保护和 di dt 保护也是必要的 这里 主要讲述 IGBT 的过电压保护 2 电路图 图4 5 单相桥式逆变保护电路图 3 工作原理 电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类 外因 过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因 包括 1 操作过电压 由分闸 合闸等开关操作引起的过电压 2 雷击过电压 由雷击引起的过电压 可采用图 4 5 所示的反向阻断式 RC 电路 有关保护电路的参数计算可参照 相关的工程手册 采用雪崩二极管 金属氧化物压敏电阻 硒堆和转折二极管 BOD 等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施 本科生课程设计 论文 13 第 5 章 MATLAB 仿真 Matlab 被誉为三大数学软件之一 它在数学类科技应用软件中在数值方面首 屈一指 Matlab 可以进行矩阵 绘制函数和数据 实现算法 创建用户界面 连 接其他编程语言的程序等 主要应用于工程计算 控制设计 信号处理与通讯 图像处理 信号检测 金融建模设计与分析等领域 受到各个研究领域的推崇和 关注 本文也采用 MATLAB 软件对研究结果经行仿真 以验证结果是否正确 5 1 单相桥式整流电路的仿真 1 整流仿真电路图 要求电路单相电网 220V 输出电压 0 100V 电阻性负载 R 20 欧姆 设置参数如下 交流电网为 220V 脉冲幅值为 20 脉冲周期 0 02s 占空比 为 20 延迟时间的设置根据公式 触发角 360 0 02 来设置 图5 1 单相桥式整流仿真电路图 本科生课程设计 论文 14 2 仿真波形 当触发角 30 度时 波形如下图 图5 2 单相桥式整流触发角为30度电路图 本科生课程设计 论文 15 当触发角 60 度时 波形如下图 图5 3 单相桥式整流触发角为60度电路图 当触发角 90 度时 波形如下图 图5 4 单相桥式整流触发角为90度电路图 本科生课程设计 论文 16 5 2 单相桥式无源逆变电路的仿真 1 参数设置 设计主要参数 单相全桥无源逆变 此采用电阻负载 直流侧输入电压 100V 脉宽为 90 的方波 输出功率为 200W 电容和电感都设置为理想零 状态 频率为 100Hz 由频率为 100Hz 即可得出周期为 T 0 01s 由于 V3 的基波信号比 V1 的落后 了 90 度 即相当 1 4 个周期 通过换算得 t3 0 001 4 0 0025s 而 t1 0s 同 理 得 t2 0 001 2 0 005S 而 t4 0 00075S 由理论情况有效值 Uo Ud 2 50V 又因为 P 200W 所以有电阻 R Uo Uo P 12 5 则输出电流有效值 Io P Uo 4A 2 电路图 图5 5 单相桥式逆变仿真电路图 本科生课程设计 论文 17 3 仿真波形 图5 6 单相桥式逆变输出波形电路图 如上图所示 波形从上到下依次为 负载电流 最大值为 8A 的方波 负载电压 最大值为 100V 波形与负载电流相同 VT4 的触发脉冲波形 幅值为 5 周期 0 01s VT4 电流波形 最大值 8A 最小值 0A VT4 电压波形 最大值 100V 最小值 0V 本科生课程设计 论文 18 本科生课程设计 论文 19 第 6 章 课程设计总结 我这次电力电子技术课设主要设计单相整流和逆变电路并进行仿真 让我有 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运用 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 这次课程设计 还 让我知道了最重要的是心态 在刚开始会觉得困难 但是只要充满信心 就肯定 会完成的 通过电力电子技术课程设计 我加深了对课本专业知识的理解 平常都是理 论知识的学习 在此次课程设计过程中 我更进一步地熟悉了单相整流电路和逆 变电路的原理和并深入了解了两者的不同之处 对它们的认识不再仅仅停留在表 面 而是真正明白了两者的用途 当然 在这个过程中我也遇到了困难 查阅资 料 相互通过讨论 我准确地找出了错误并及时改正 不但使我的实践能力得