单项桥式逆变电路课程设计说明书

1、 电力电子技术课程设计说明书 单相桥式逆变电路的设计 学 院： 电气与信息工程学院 学生姓名： 蒋智鹏 指导教师： 肖文英 职称/学位 副教授 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本1205班 学 号： 1230140514 完成时间： 2015年06月 1摘 要本次课程设计的目的是设计一直流输入电压100V，要求输出电压频率范围在3060HZ，电压3050V范围可调的交流电压的电路。本次设计的单项桥式逆变电路是由四只晶闸管构成，将直流电压逆变成为交流电压并将它加载到负载电路，负载电路是由感应线圈和补偿电容组成的串联振荡电路，我们通过负载电路来调整电压的频率和幅度，来达到逆变及频率、幅

2、度可调的目的。由于晶闸管逆变装置在逆变过程中会产生过电压、过电流，故又对单相交流调压电路设计了一套保护电路。在进行主电路的设计时，根据主电路的输入、输出参数来确定各个电力电子器件的参数，并进行器件的选择，已便设计的主电路能够达到要求的设计指标，并完成相应的功能。在本次课程设计中，我担任的是主电路及保护电路等电路的设计。关键词：PWM;晶闸管;桥式逆变目 录1 绪论12 总体方案设计22.1方案比较22.2 方案选择23 主电路的设计33.1 主电路原理33.2 主要元器件选择44 控制与驱动电路的设计64.1 控制电路的设计64.2驱动电路的设计75 保护电路的设计95.1过电流保护95.2

3、过电压保护106 仿真及结果分析126.1 仿真软件介绍126.2 仿真及结果分析12总 结16参考文献17附 录181 绪论 电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。它包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。 随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质

4、量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问

5、题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外绝缘材料的缺陷也是一个问题。在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本次课程设计研究单相桥式PWM逆变电路，通过该电路实现逆变电源变压、变频输出。112 总体方案设计 2.1方案比较单相桥式整流电路可分为单相桥式相控整流电路和单相桥式半控整流电路，它们所连接

6、的负载性质不同就会有不同的特点。下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。 单相半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。而单相全控式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。2.2 方案选择 单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。 单相半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的

7、是单相全控桥式整流电路。 根据以上的比较分析因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。113 主电路的设计3.1 主电路原理 3.1.1主电路图主电路图如图1：图1 主电路图3.1.2 主电路原理及说明在单相桥式全控整流电路中,晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂,VT2和VT3组成一对桥臂。在U2的正半周期，触发角处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通， =u2。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用。u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。至=+时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两

8、管导通。VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3施加反向电压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速的转移到VT2和VT3上，此过程称为换向，亦成为换流。单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管承受的最大反向电压u2.3.1.3 参数计算负载电流连续时，整流电压平均值可按下式计算： (1) 输出电流波形因电感很大，平波效果很好而呈一条水平线。两组晶闸管轮流，一个周期中各导电180， 且与无关， 变压器二次绕组中电流i2的波形是对称的正、负方波。负载电流的平均值Id和有效值I相等，其波形系数为1。在这种情况下： 当=0时，=0.9U2； 当=90时，=0，其移相范围为090。 晶闸

9、管承受的最大正、反向电压都是U2。 流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为:= (2)= (3)3.2 主要元器件选择 单相桥式全控主电路中最重要的元器件是晶闸管，晶管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。其外型有螺栓型和平板型两种封装，引出阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G三个联接端。选择时主要考虑其参数和选取原则： 1). 1晶闸管的主要参数如下： 额定电压通常取和中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍

10、，以保证电路的工作安全。晶闸管的额定电压 （23）UTM （4.4.1）：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压 额定电流IT(AV) IT(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40和规定的冷却条件下元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。在实际使用时不论流过管子的电流波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值 ,散热冷却符合规定，则晶闸管的发热、温升就能限制在允许的范围。 ：额定电流有效值，根据管子的IT(AV) 换算出，、 三者之间的关系： (4) (5)

11、 波形系数：有直流分量的电流波形，其有效值与平均值之比称为该波的波形系数，用表示: (6) 额定状态下， 晶闸管的电流波形系数: (7) 晶闸管承受最大电压为考虑到2倍裕量，取400V. 晶闸管的选择原则： 、所选晶闸管电流有效值 大于元件 在电路中可能流过的最大电流有效值。 、选择时考虑（1.52）倍的安全余量。即 1.57 IT(AV) （1.5ITM） (8) 因为,则晶闸管的额定电流为=10A(输出电流的有效值为最小值，所以该额定电流也为最小值)考虑到2倍裕量,取20A.即晶闸管的额定电流至少应大于20A. (9) 在本次设计中我选用4个KP20-4的晶闸管.2）变压器的选取 根据参数

12、计算可知:变压器应选变比为2,容量至少为24.2VA4 控制与驱动电路的设计 4.1 控制电路的设计为了得到控制电路驱动信号，我们需要做一个频率可调的正弦波信号发生器，通过两路过零比较器可分别得到两路互补的控制信号，而和的控制信号可在前一正弦交流信号后加一个移相网络得到，再用过零比较器就可以得到他们的控制信号了。每路信号都必须通过光耦隔离四个驱动桥壁。根据以上的分析，所设计出的控制电路驱动信号发生电路如图2所示图2 正弦信号产生电路这个电路的原理其实就是一个RC桥式正弦振荡电路，只是在一般的RC桥式正弦振荡电路的基础上增加了图中的R6和R8所在支路，通过同时调节R6和R8可以达到调节该电路所产

13、生的正弦波频率的作用同样的，所设计出的控制信号产生电路如图3所示。将图2中电路所得到的正弦信号分别输入到这个电路中，第一轮输入直接通过过零比较器输出，得到V1和V3；在第二路输出中，先加一个移相网络得到，再用过零比较器就得到和的控制信号。图3 控制信号产生电路 4.2驱动电路的设计 其驱动电路如图4所示： 图4 驱动电路4.2.1 工作原理利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。从图（4）可知，经D1-D2整流后的直流电源UZ一路径R2、R1加在单结晶体管两个基极b1、b2之间，另一路通过Re对电容C充电，发射极电压=按指数规律上升。刚冲点到大于峰点转

14、折电压Up的瞬间，管子e-b1间的电阻突然变小，开始导通。电容C开始通过管子e-b1迅速向R1放电，由于放电回路电阻很小，故放电时间很短。随着电容C放电，电压小于一定值，管子BT又由导通转入截止，然后电源又重新对电容C充电，上述过程不断重复。在电容上形成锯齿波震荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲us， 如图（b）所示，其震荡频率为f=1/T=1/(1/1-) (10)式中=0.30.9是单结晶体管的分压比。即调节Re，可调节振4.2.3 主要器件介绍（1） 单结晶体管 单结晶体管原理单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为

15、条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。（2） 同步电源步电压又变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压于主电压同相位、同频率。同步电压经桥式整流、稳压管削波为梯形波，而削波后的最大值UZ既是同步信号，又是触发电路电源.当过零时，电容C经e-b1、R1迅速放电到零电压。这就是说，每半周开始，电容C都从零开始充电，进而保证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零的时刻(即控制角)一致，实现同步。（3） 移相控制Re当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压Up的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控

16、制角增大，实现了移相。（4） 脉冲输出R1 触发脉冲由1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。对于晶闸管串联接法的全控桥电路无法工作。所以一般采用脉冲变压器输出。5 保护电路的设计5.1过电流保护当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。采用快速熔断器作过电流保护，熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能

17、在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流电路图如图5所示。图5 快速熔短器的接入方法 A型熔断器的特点：是熔断器与每一个元件串连，能可靠的保护每一个元件。 B型熔断器的特点：能在交流、直流和元件短路时起保护作用，其可靠性稍有降低。 C型熔断器的特点：直流负载侧有故障时动作，元件内部短路时不能起保护作用 对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理图

18、如6所示图6 过流保护原理图晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后以0.1mm/的扩展速度将电流扩展到整个阴极面，若晶闸管开通时电流上升率/过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内。其有效办法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。如下图7所示:图7 串联电感抑制回路5.2 过电压保护设备在运行过程中，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。过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。如图8和图9所示。图8 阻容三角抑制过电

19、压 图9 压敏电阻过压 加在晶闸管上的正向电压上升率/也应有所限制,如果/过大，由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流，该电流可以实际上起到触发电流的作用，使晶闸管正向阻断能力下降，严重时引起晶闸管误导通。为抑制/的作用，可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。如图10所示。图10 并联R-C阻容吸收回 6 仿真及结果分析6.1 仿真软件介绍 MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。主要包括MATLAB和Simulink两大部分。6.2 仿真及结果分析6.2.1 仿真结果 IGBT1/IGBT

20、4触发脉冲波形图11 IGBT2/IGBT3触发脉冲图12 DC/AC逆变波形图13 当f=30Hz时，波形如图14、图15所示。图14图15 当f=40Hz时，波形如图16.图17所示。图16图17 当f=50Hz时，波形如图18.图19所示。图18图19 当f=60Hz时，波形如图20.图21所示。图20图216.2.2 结果分析 从上图中可以很清晰地看出产生的波形频率为10HZ，可以通过改变信号波的频率来改变IGBT的触发脉冲，从而改变逆变交流电源的频率，实现变频逆变。IGBT单相电压型全桥无源逆变电路共有4个桥臂，可以看成两个半桥电路组合而成，采用移相调压方式后，输出交流电压有效值即可通过改变直流电压来实现，也可通过改变来调节输出电压的脉冲宽度来改变其有效值。由于MATLAB软件中电源等器件均为理想器件，故可将电容直接去掉。又由于在纯电阻负载中，VD1VD4不再导通，不起续流作用，古可将起续流作用的4个二极管也去掉，对结果没有影响。相比于半桥逆变电路而言，全桥逆变电路克服了半桥逆变电路输出交流电压幅值仅为1/2Ud的缺点，且不需要有两个电容串联，就不需要控制电容电压