AC-DC-AC变频电源主电路设计及仿真开题报告

湖南工学院毕业设计(论文)开题报告题目AC-DC-AC变频电源主电路设计及仿真学生姓名王文亮班级学号专业自动化1.本次选题的目的和意义随着时代的发展，人类的生活越来越离不开各种各类的电源，现在的发电技术越来越多种多样，传统的有水力发电，火力发电等，正在发展中的有太阳能发电，风力发电，核能发电，地热能发电等等。但是这些发电站所发的都是固定电压固定频率的，送到用户的电压及频率也是固定的，比如国内普遍是50HZ,220V的交流电，而绝大多数西方国家是60HZ，110V的交流电。随着用电器种类越来越多，对于电源的电压频率都有不同的要求，如传动系统中最常见的交流电机，由于不同的场合要求不同的电机转速，导致所需要的供电电压及频率均不同，电网所提供的电源远远无法满足要求，而变频电源很好的解决了这个问题，变频电源是通过电力电子器件所组成的各种电路将电网提供的固定电压固定频率的电能，转化为用电器所需要的不同电压不同频率的电能。本次设计的主要任务就是设计一个变频电源的主电路并对其进行仿真，并通过控制电路的配合，实现对电机转速的控制。2本次选题的历史、现状和未来发展2.1变频电源逆变电路的发展过程变频电源主要由整流电路，中间直流滤波电路以及逆变电路组成，而其中最主要的又是逆变电路。逆变电路主要对电能进行变换和控制，它的基本原理就是通过电力电子开关器件(如GTO,IGBT,MOSFET等)的导通和关断把直流电能变换成为所需要的电压和频率的交流电。逆变电路的发展主要经历了以下几个阶段：（1）以快速晶闸管设计的逆变电路最早期的逆变电路，开关元件主要是快速晶闸管组成，在负载改变时，通过改变晶闸管的导通角来实现电源输出的恒压恒频。这种由快速晶闸管组成的逆变电路一个明显的缺点就是要关断晶闸管必须另外加装电容，电感或者由辅助开关器件构成的强迫换流电路，这样就导致电路的控制电路变得很复杂，而且整个电源的体积还有重量都加大了，并且这种电路结构由于是用分离元件控制，导致电源工作的频率受到了一定的限制。（2）以IGBT设计的逆变电路随着IGBT等高性能电力电子器件的出现，与其相适应的逆变电源的结构和控制技术也出现了，这种控制技术就是脉宽调制技术（即PWM），脉宽调制技术可以在一个功率级内同时调节电源输出电压和频率，并且具有调节速度快的优点，所以在逆变电路的控制中应用非常广泛。但是其由于开关频率高，导致开关损耗比较大，但是随着电力电子开关器件性能的不断提高，这个缺点可以得到解决。（3）有源钳位逆变电路随着软开关技术的发展，不但解决了开关器件在导通和关断时出现的能量损耗问题，同时也导致逆变电路的结构产生了巨大的变化，利用谐振控制开关和谐振元器件电容电感的协同工作，在输入逆变电路的直流电路中产生谐振，这样把输入的直流电压转变成一系列的高频脉冲电压供给逆变电路，从而实现逆变桥器件的ZVS开关工作。这种电路最主要的优点就是开关损耗小，能量转换效率高。2.2变频电源的发展历史及发展趋势变频电源又叫做交流电力频率转换器，顾名思义就是对交流电源频率进行转换，缩写为AFC。可以说变频电源的发展是随着电力电子器件的发展而发展的。美国通用电气公司在1957年研制出的第一个晶闸管电力电子技术的诞生。20世纪70年代后期MOSFET进入实用阶段，标志着电力电子器件开始进入高频化。到80年代后期，IGBT等复合型器件产生了，它具有开关速度快，驱动功率小，通态压降小，载流能力大等优点,性能十分优越。从这个阶段变频电源开始走向高频化和高性能化。；随着软开关技术的发展，以及工业用DSP的发展，变频电源的技术核心，正弦波逆变器的控制技术也由模拟控制这种传统的控制方式向数字控制方向发展。随着时代的不断进步，现在的变频电源已经不满足于早期的变频电源那种只需要保证输出不断电，稳压，稳频就可以的要求了。现在的变频电源需要达到的要求更高，主要表现为以下几点，同时，这也是变频电源未来发展的主要方向：(1)高频化研究表明,用电器的电容，电感，还有变压器的体积还有重量与电源频率的平方根成反比，这也就意味着，只要提高用电器的电源频率就可以大幅度减小用电器的体积，减小了体积不但可以使用电器更轻便，而且可以节约大量的材料，并且还能节电。由于电子器件工作频率的逐步提高，导致许多传统高频设备固态化，材料消耗明显减少，电源装置体积更进一步的缩小，系统的动态反应速度加快，其技术含量更高。(2)模块化模块化不仅仅包括功率器件的模块化，还包括电源单元的模块化。我们经常看到的器件模块实质上都属于标准功率模块（SPM）,近年来，有的公司把开关器件的驱动保护电路也也集成到了功率模块中，从而构成了智能化功率模块（IPM）, 这样做不但可以缩小整机的体积，还使得整机的设计更为方便。有的公司还开发了“用户专用”的功率模块（ASPM）,这种做法是把一台整机所要用到的所有硬件都做成芯片安装到模块中，把系统最优化，提高了系统的可靠性。(3)数字化电力电子的发展过程中，在以往控制部分都是按模拟控制方式来设计的，到了现在，数字电路技术变得越来越重要，信号处理技术发展的越来越完善，计算机控制简单，模拟信号不易畸变失真，系统的抗干扰能力更强，软件包调试更简单易行，也便于自诊断。这些优点使电力电子现在所面临的问题迎刃而解。(4)绿色化各种政策法规的出台，以及对无污染的绿色电源的呼声越来越高，绿色电源的发展越来越重要。绿色电源包括两种涵义，第一是必须显著节电，第二是这类电源不能对电网产生污染。显著节电意味着可以大量的节约能源，减少污染。要做到不对电网造成污染电源应该加装高效的滤波器，还应该在电网输入侧采用功率因数校正和软开关技术。所以做到提高电源的功率因数有重要意义，不但可以减少污染和损耗，并且能够减少投资，提高运行可靠行。半导体技术的发展使得电力电子器件具有开关速度高，通态损耗低，输入阻抗高，以及热稳定性好，防辐射能力强等优点。新的半导体材料如金刚石，碳化硅，砷化镓等也成了研究热点，有可能带来电力电子器件革命性的突破。各种新的电路拓扑结构得到了应用，比如有源滤波器，功率因数校正，同步整流技术等等。还有谐振和软开关技术的发展也使得电源的功率密度得到了提高。总之，目前电源正向高稳定度，高效率，高功率密度，无污染，智能化发展。 而控制方面，控制电路，保护电路还有驱动电路采用的集成技术，减小了电源设计的难度和生产难度。还有高速处理器的出现也让数字控制技术得以实现。采用数字化控制简化了硬件电路，同时提高了控制精度。3.本次设计内容及要求负责AC-DC-AC变频电源主电路设计及仿真。设计技术要求：1、AC-DC-AC变频电源控制器的控制对象：三相感应电动机（电机的参数：1KW/380V，额定转速为2880转/分钟）；2. 调速范围：n2880转/分钟；3调速稳态精度：1%4超调量：小于10%；5采用AC-DC-AC变频调速方法，设计变频电源主电路并仿真；4.变频电源方案介绍及选择 常用的变频电源主电路原理框图如图1所示图1 主电路原理框图4.1 变频器控制方式选择交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。交-直-交变频器按照不同的控制方式有以下三种：(1) 用可控整流器调压，逆变器调频的交-直-交变频器， 调压和调频在两个环节上进行，其结构简单，控制方便，但是由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调的较低时，电网端功率因素低，而输出环节采用晶闸管组成的三相六拍逆变器，每周期换向六次，输出谐波较大。(2)用不可控整流器整流，斩波器调压，再用逆变器调频的交-直-交变压变频器，输入环节采用不可控整流器，只整流不调压，再用斩波器进行脉宽调压，这样相比第一种方法虽然功率因数提高了，但是因为逆变环节仍然没有改变，所以还是存在谐波较大的问题。(3)用三相不可控整流器整流，脉宽调制（PWM）逆变器同时调压和调频的交-直-交变压变频器，输入用不可控整流器，输入功率因数高，并且不受逆变器输出电压大小的影响。用PWM逆变，则输出谐波可以减少。克服了以上两种方法存在的缺点，并且其转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能，逆变器同时实现调压和调频，系统的动态响应不受中间环节的影响，动态响应快。当然除了以上所说的三种控制方式之外，还有别的方法，比如整流和逆变部分均采用PWM的双PWM变频器，此处不一一介绍。因为采用三相不可控整流器整流，脉宽调制（PWM）逆变器同时调压和调频的交-直-交变压变频器存在以上优点，所以本次设计采用这种控制方式。4.2变频电源主电路原理图介绍此次设计的变频电源主电路原理图如图2所示：图2 主电路原理图下面介绍主电路各部分实现的功能：（1）整流电路：采用三相桥式不可控整流将电网输入的工频电能转换为脉动的直流电，输入到下一个中间滤波环节。（2）中间滤波电路：采用电容滤波，将整流电路输出的脉动直流中所含的交流成分滤去，保留其中的直流分量。（3）逆变电路：采用MOSFET构成的三相逆变桥将滤波电路输出的直流电转变为所需要的频率和电压的交流电。（4）输出滤波电路：采用LC输出滤波电路，在用于保证变频电源的输出波形失真度小，更接近正弦波。此外还有启动电路，检测电路和缓冲电路，其作用不一一具体介绍。5.毕业设计的工作内容及完成时间1、3月24日至3月30日：查阅与课题有关的书籍和文献资料、理解变频调速的原理，复习交流电机几种常见的调速方法，明确本课题的目的和意义；查找与课题有关的期刊和英文文献资料，完成开题报告和英文翻译；2、4月1日至4月21日：学习电力电子技术、交流调速，理解变频调速的原理，掌握实现变频的方法；画出主电路框图；3、4月22日至4月30日：设计计算主电路参数，选择元器件；主电路原理图小结；4、5月1日至5月15日：对毕业设计中已做的工作进行总结和梳理，完成中期总结；对所设计的主电路进行仿真，调整设计参数；5、5月16日至5月25日：对毕业设计中已做的工作进行总结和梳理，完成中期总结；软件设计；完成毕业论文初稿，为毕业论文学术不端检测做准备；6、5月26日至5月30日：修改毕业论文，交指导教师评阅，制作PPT，迎接毕业论文答辩；依据答辩小组意见整改；7、6月1日至6月10日：进一步修改论文，整理和收集设计材料；收集设计材料交学院存档。6.主要参考资料：1 胡崇岳，现代交流调速技术M，机械工业出版社，2005.2 宋书中，交流调速系统M，机械工业出版社 20063 李华德，交流调速控制系统M，电子工业出版社，2003.4 王兆安，电力电子技术M，第4版，北京:机械工业出版社，2000.5 周渊深，交直流调速系统与MATLAB仿真M，中国电力出版社,2007.6陈伯时，电力拖动自动控制系统M，机械工业出版社，2004. 7 王兆安，张明勋. 同步电动机调速系统M.北京：机械工业出版社，20028 颜世钢. 电力电子技术问答M.北京：机械工业出版社，20079 和超.交流变频调速技术M.北京：北京航天航空大学出版社，200510 高学民.电力电子与交流技术M.山东：山东科学技术出版社，200511 陈国呈. PWM的变频调速及软开关电力变换技术M. 北京：机械工业出版社，2002，12 丁斗章. 变频调速