单相交直交变频电路

1、4纟乂咪/尊电力电子技术课程设计（论文）单相交-直-交变频实验装置院（系）名称电子与信息工程学院专业班级学号学生姓名指导教师起止时间：2014.12.152014.12.26精品课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院教研室：电子信息工程学号课程设计（论文）题冃学生姓名专业班级单相交直交更频实验装置任务要求：设计一单相交-直-交变频实验装置用于电力电子技术课程的教学实 验，根据参数要求完成整流电路设计、逆变电路设计、通过计算选择器 件的具体型号、完成驱动电路设计或选择，使学生可以通过该装置测试、 观察及验证单相交-直-交变频的实现方法。论文任务技术要求：1、交流电源：单相220V

2、o2、为了 1GET的安全，中间直流电压晟大为50V。3、输出交流电压约45Vo4、输出晟大电流2AO5、输出频率50Hz6、晟大功率：100W。平时成绩：总成绩：咎辩成绩： 论文成绩：指导教师签字：年 月 R精品注：平时成绩占20%,各辩成绩占40%,论文成绩占40%。精品随着科学技术的进步，电力电子技术取得了迅速的的发展，改变着我国工业 的整体面貌，在现代化建设中发扌军着越来越重要的作用。其中，单相交-直-交变频 技术也得到了越来越多的重视。其在工业生产、生活娱乐和仪器应用等方面有着 广泛的应用，其中目前应用晟广泛的厲于电网互联，将分布式发电技术发出的电 变成负载可以使用的交流电或与大电网

3、电压、频率相匹配的工频交流电。可见， 研究交一直一交变频系统的基本工作原理和作用特性意义十分重大。本次设计研究的单相交-直-交变频实验装置可分为主电路和控制电路两部 分。其中，主电路包括整流电路、逆变电路和滤波电路三部分。整流电路采用不 可控的二极管单相桥式整流电路；逆芟电路采用1GBT组成的单相全桥逆变电路; 滤波电路采用电容滤波，输出合适频率的正弦交流电。而控制电路由控制电路、 驱动电路和保护电路组成。其中，控制电路以ICL8038为核心，生成两路PWM 控制信号；驱动电路采用三菱公司生产的M57862L集成驱动器；用双D触发器 CD4013构成保护电路。根据以上电路组合设计，经过Mult

4、isim软件进行电路仿取，可以基本满足本 次设计任务的要求，且电路比较可靠。关键词：整流；逆交；1GET； PWM控制精品第1章第1章绪论11.1电力电子技术发展概况11.2本文研究内容1第2章单相交-直-交变频电路设计32.1单相交-直-交变频电路总体设计方案32.1.1方案论证与选择32.1.2整体方案框图32.2具体电路设计42.2.1整流电路设计42.2.2逆变电路设计62.2.3控制电路设计72.2.4驱动电路与保护电路设计102.3元器件型号选择11第3章 课程设计总结13参考文献15附录16精品1.1交直交变频器发展概况交频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统是包含

5、多种学科的技 术领域，总的发，畏趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数宇化、智能 化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频 的交流电源而得到迅猛发展。交一宜一交萸频器的中间宜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宜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

6、展，交流传动与 控制技术成为目前坨展晟为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交 流调速取代宜流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为走展趋势。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晟有坨展前途的调速方式。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本文研究内容本文设计研究的是io（）w单相交-直-交变频实验装置。该装置主要由整流电路、逆 交电路以及驱动电路等组成。任务要求：设计一单相交

7、-直-交变频实验装置用于电力电子技术课程的教学实验，根据参数要 求完成整流电路设计、逆变电路设计、通过计算选择器件的具体型号、完成驱动电路设 计或选择，使学生可以通过该装置测试、观察及验证单相交-直-交变频的实现方法。技术要求：1、交流电源：单相220Vo2、为了 IGBT的安全，中间直流电压最大为50Vo3、输出交流电压约45V。精品4. 输出晟大电流2A。5、输出频率50Hz o6x晟大功率：100VC。第2章单相交-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2.1.1方案论证与选择1逆变电路方案论证与选择方案一：采用电压型逆交电路电压型逆变电路具有宜流侧电压基本无脉动，直

8、流回路呈现低阻抗的优点，且交流 侧输出电压波形与负载阻抗角无关，比较容易得到合适的交流电压。方案二：采用电流型逆变电路电流型逆萸电路需在宜流侧串联大电感，且交流侧输出电压波形和相位随负载阻抗 角的不同而不同，对于本次设计，可行性差。综上比较，本次设计采用电压型逆交电路2.整流电路方案论证与选择方案一：采用二极管单相桥式整流电路二极管单相桥式整流电路输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的晟大反向电压 较低，同时闵电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的 利用，效率较高。方案二：采用晶闸管单相桥式整流电路晶闸管单相桥式整流电路适用于功率较大的场合。与二极管相比，晶闸管采购价

9、格 昂贵，易受干扰而发生误导通，且需要设计相应的触坨电路，可行性不好。本次设计输出功率为100W,从经济、可操作性两方面考虑，选择方案一。2.1.2整体方案框图如图2.1所示，总体设计方案由整流电路、滤波、逆萸电路等组成。市电经整流电 路更为宜流电，直流电经滤波电路进行平滑滤波，再输入逆变电路，变为频率和电压均 可调的交流电。精品图2.1总体设计方案框图2. 2具体电路设计2.2.1整流电路设计宜流电路的原理图如图2.2所示。图2.2整流电路在萸压器二次侧电压的正半周，其极性为上正下负，此时二极管DI、D4正向导通, D2、D3反偏截止，电流从萸压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向R

10、L, 再由二极管04流回变压器。于是在负载电阻RL上得到一个极性为上正下负的半波电 压。在导通时二极管的正向压降很小，可以忽略不计，因此，可认为这半波电压和的变 压器二次侧电压正半波是相同的。精品在变压器二次侧电压的负半周，其极性为上负下正，此时二扱管D2. D3正向导通, Dl、D4反偏截止，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL, 再由二极管D3流回萸压器。同理，在负载上得到一个半波电压，极性依旧是上正下负, 与前面得到的相同，如图2.3所示。阴 I日iasS72.073frfi37.536 V572.073 W3ZS)VO.OWs0020 VT2-TI时3J舷 ig色

11、 ：wzeK）： 而W!丽帀J&flAfttSB列扈x 50心剣15： 5 /空丫敏欲标3: Y施咖：0麵叵O妙0 0Jb图2.3整流电路输出波形一所得到的半波电压经过电容滤波电路的滤波，便可得到较为平缓的直流电压，如图 2.4所示。时冃3.068 ms妙二60.933 V1反向849.068 ms60.933 Vt10.000 sO.CCOVlOmQrvn nT2T1W5舷：叼7；fcto盼|礙如hso伽$ie：5叫r咙移倦）：00V茹0瓯3正S? II自迪芮8-xsci图2.4整流电路输出波形二精品2.2.2逆变电路设计在本次设计中，主要采用单相桥式逆变电路作为设计的主电路。其主电路结构图

12、如图2.5所示:如上图所示，单相全桥逆更电路主要有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而 成。其中桥臂1,4为一对，桥臂2, 3为一对。每个桥臂由一个可控器件1GET以及一个 反并联的二极管组成。在宜流侧接有足够大的电容，负载接在桥臂之间。它的具体工作过程如下：设晟初M时刻时，给IGETQ1、Q4触发信号，使其导通。 则电流通过桥臂1,负载，桥臂4构成一个导通回路。当t2时刻时，给Q2,Q3触发信 号，给Q1,Q4关断信号。但由于负载电感较大，通过它的电流不能突交，所以二极管 02,03导通进行续流。当电流逐渐减小为（），桥臂1,4关断，桥臂2,3导通，构成一个回 路，从而实现换流。当QI、Q

13、4或Q2、Q3为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量； 而当D6、D8或D5、D7为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直 流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能量向直流侧反馈。反馈回的能量暂时储存在直 流侧电容器中，宜流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。单相桥式逆芟电路工作波形如图2.6所示。精品Rrb-T图2.6单相桥式逆变电路工作波形分析其工作过程：设在rl时刻前Q1和Q4导通，输出电压口）为Ud, tl时刻Q3 和Q4栅极信号反向，Q4截止，而因负载电感中电流不能突变，Q3不立刻导通，D7 导通实现续流。因为Q1和D6同时导通，所以输出电压为0。到12时刻Q

14、1和Q2栅极 信号反向，Q1截止，而Q2不能立刻导通，D5续流，和D7构成电流通道，输出电压-Ud。 到负载电流过零并开始反向时，D5和D7截止，Q2和Q3开始同时导通，仍然为-Ud。 在13时刻Q3和Q4栅极信号再次反相，Q3截止，而Q4不能立刻导通，D8导通续流, U。再次为（）。以后的过程与前面类似。2.2.3控制电路设计1. PWM控制原理PWM （Pulse Width Modulation）控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的 宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。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

15、方法，而调制法中晟基本的是利用三角载波与正弦信号波进 行比较的调制方法，分为单极性调制和双极性调制。本次设计采用的单相桥式逆交电路精品 既可以采用单极性调制，也可以采用双极性调制。在本次设计中,采用了双极性PWI调 制技术。以下是双极性PWM调制的原理。精品双极性PWM控制原理示意图如图2.7所示。采用双极性PVCM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，其输出波形有土Ud两种电平。用Ur表示信号波, Uc表示载波。当UrU

16、c时，给QI、Q4施加开通驱动信号，给Q2、Q3施加关断驱动 信号，此时如果负载电流b（）则QI、Q4开通，如果io/2 x 5070.7V负载晟大电流为2A,选择IGBT时电压电流应留有2至3倍的裕量，所以可选IGBT 的额定电压、额定电流分别为i/o=3X70.7=212.1V, Z0=3X2=6A;可选择额定电压、额定电流分别为400V、5A的型 号为 2N6975 的 1GET。精品第3章课程设计总结课程设计是大学必修的一门课，是我们专业知识得到实践的必要环节，这是我们步 入社会，从事职业前必不可少的过程。单相交-宜-交交频电路由主电路和控制电路两部分组成。在整流电路中，采用不可 控的

17、二极管整流电路，直流输出侧用电容进行滤波，可得到较为平直的直流电压。此部 分电路结构简单，选材广泛，且能满足设计要求，比较适合实验室中使用。控制电路以 两片ICL8038为核心搭建，其中一片8038产生正弦调制波Ur,另一片用以产生三角载 波Uc,再经过相应电路处理，晟终产生两路相位相差18()度并带一定死区范围的两路 SPRM1和SPWM2波。驱动电路以IGBT专用驱动器M57962L为核心搭建，并利用其 肖带的过流检测功能设计保护电路。经Multisim软件进行仿宜，此次设计能基本满足设 计要求。在设计进行的过程中，由于知识限制，自己也遇到了许多问题，但得到了指导老师 们的细心辅导与耐心帮助。老师们的辅导与答疑，使自己得以顺利地完成此次设计。当 然，由于水平有限，此次设计难免会有不足之处，恳请各位老师批评指正。精品精品本人签字:参考文献1 王兆安，刘进军主编电力电子技术北京:机械工业出版社,2009,52 李宏.MOSFET、IGBT驱动集成电路及应用北京:科学出版社,20123 康华光主编电子技术基础模拟部分.北京:高等教育出版社,2006,14 冷增祥，徐以荣编著电力电子技术基础南京:东南大学出版社,2012曾方主编电力电子技术.西安:西安电子科技大学出版社,2014