电气1004彭飞交直交变频器

1、武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书学 号： 0121011350424课 程 设 计题 目交流/交流变频器设计学 院自动化学院专 业电气工程及其自动化班 级1004班姓 名彭飞指导教师朱国荣2013年6月14日课程设计任务书学生姓名： 彭飞 专业班级： 电气1004 指导教师： 朱国荣 工作单位： 自动化学院 题 目: 交流/交流变频器设计初始条件：输入三相交流电：380V，50Hz。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、输出单相交流电，100V，1200Hz。2、采用两级变换：AC/DC,DC/AC。3、设计出完整电路图。时间安排：课

2、程设计时间为两周，将其分为三个阶段。第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。约占总时间的40%。第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要11 任务要求22 整体方案设计33 模块电路设计43.1 整流电路设计43.2 逆变电路设计63.3控制电路设计63.3.1 分频电路设计73.3.2 标准正弦波形成电路83.3.3三角波形成电路93.3.4 SPWM形成电路93.4 驱动电路103.5 辅助电源11

3、3.6 保护电路113.6.1 过电压保护113.6.2 过电流保护124 系统元件有关参数计算134.1 开关管和二极管的选择134.2 并联电容的选取144.3 L、C 滤波器的设计144.4 电路调试145 小结与体会15参考文献16附录117摘要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。交一直一交变频是目前变频电源的主要形式。本文所研究的变频电源即采

4、用这种形式。按照电压、频率的控制方式，交一直一交变频器一种主要结构是采用单相桥式全控整流器整流、脉宽调制型(PWM)逆变器同时实现调压调频方式。此时全控整流提高了装置输入功率因数，减小了对电网的谐波污染，又因采用高开关频率的逆变器，输出谐波很小，性能优良。关键词： 交/交变频器、 整流器、 逆变器、 PWM控制交流/交流变频器设计1 任务要求从结构上看，变频电源可分为直接变频和间接变频两大类。直接变频又称为交一交变频，是一种将工频交流电直接转换为频率可控的交流电，中间没有直流环节的变频形式。间接变频又称为交一直一交变频，是将工频交流电先经过整流器成直流电，再通过逆变器将直流电变换成频率可变的交

5、流电的变频形式，因此这种变频方式又被称为有直流环节的变频方式。其中，把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路。本文所研究的交流变频器可以分为四个功能模块：整流电路、逆变电路、输出滤波器和控制电路。整流电路是一个单相ACDC变换电路，功能是把AC 380V50Hz的电源进行整流滤波后转换成稳定直流电源供给逆变电路。逆变电路是该电源的关键电路，其功能是实现DCAC的功率变换，即在在控制电路的控制下把直流电源转换成单相SPWM波形供给后级滤波电路，形成所需的正弦波。本次设计要求：输入三相交流电：380V，50Hz，输出单相交流电，100V，1200Hz。其中需要采用两级变换：

6、AC/DC,DC/AC，即交直变换和直流逆变，还需要列出设计的完整电路图。2 整体方案设计 根据要求，输入的是三相交流50HZ，输出的是1200HZ，而且采用两级变换，因此属于交直交变频。需要先对输入电压进行整流，电容滤波后再采用电压型单相桥式PWM逆变电路，利用调制电路设置信号波的频率1200HZ，调制信号设置成1200HZ的SPWM正弦波，最后利用LC滤波电路将得到的交流方波变成正弦波。最终得要的就是100V，1200HZ的交流电，满足设计的要求。整体的设计系统框图如图2-1所示。 整流 电路 380V 50HZ LC滤波电路PWM逆变电路100V/1200Hz滤波电 路 SPWM触发信号

7、图2-1 系统结构框图本电路对性能的要求不是很高，所以可以采用简单的能耗串联缓冲或者并联缓冲电路。控制电路也需要附加的电源，并于电网能隔离开来，防止对电网有干扰信号，我们称对控制电路的电源为辅助电源，为±12V。本次电路中还应该包括保护电路，比如短路保护、过压保护等。该主电路的原理图如附录一所示，电阻、交流接触器、按钮组成合闸充电和启动的环节，、是直流滤波和抑制干扰的滤波环节，IGBT开关组成逆变桥，每个开关旁的R、C、D是并联缓冲电路，TA是电流互感器。接下来我们将讨论对整流、逆变、控制电路和输出滤波这几个模块的参数选择、电路连接分别进行讨论。3模块电路设计3.1 整流电路设计在电

8、容滤波的三相不可控整流电路中，可以采用与分析三相桥式全控整流电路类似的方法，只是将电路中的IGBT均换作二极管，也就相当于晶闸管触发角 =0°时的情况。电路图如图3-1所示，该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时电容向负载放电，按指数规律下降。图3-1电容滤波的三相不可控整流电路图此时对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个晶闸管导通，而对于共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低的一个晶闸管导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组各有一个晶闸管处于导通状态，就是在自然换相点

9、处换相，三相电压型全桥不可控整流电路时工作波形图如图3-2所示。 第 I 阶段，a 相电位最高，T1管触发导通，b 相电位最低，T6触发导通，电流流通路径为a T1 RT6 b ，负载上电压。变压器 a、b两相工作，a 相电流为正，b相电流为负。 第 II 阶段，a 相电位仍然为最高，Tl继续导通，但 c 相电位最低，在自然换相点处触发 c 相的 T2 管，则 T2 导通，电流从 b 相换至 c 相，T6因承受反向电压关断。这时电流流通的路径为a T1 R T2 c，负载上电压 。图3-2三相不可控整流电路时工作波形图第 III阶段，b 相电位最高，自然换相点处触发 T3管，则换相至 T3，电

10、流从 a相换至 b 相，T1因承受反向电压关断，T2 因 c 相电位仍为最高而继续导通，负载上电压 。 以下 IV、V、VI 阶段以此类推。在第 IV 阶段，T3、T4导通， ；第 V阶段，T4、T5 导通，；第 VI 阶段，T5、T6 导通，。以后重复上述过程1。 由以上分析可知，三相电压型全桥整流电路中，对于上面的三个IGBT，所接交流电压值最大的一个导通；对于下面的三个IGBT，所接交流电压值最低(或者说负得最多)的导通；任意时刻上面的三个IGBT和下面的三个IGBT中各有1个IGBT处于导通状态。其余的IGBT均处于关断状态。触发角的起点，仍然是从自然换相点开始计算，注意正负方向均有自

11、然换相点。3.2 逆变电路设计逆变电路如图3-3所示。开关管T1T4是IGBT，其规格为50A/600v。电感L1是4个IGBT的开通缓冲电路，它还能够抑制二极管反向恢复时间引起的短路电流；关断缓冲由电阻R、电容C和二极管D并联网络组成；C2折算到变压器TM1的原边后与L2一起构成交流输出滤波电路；变压器用作电路隔离和升压。系统的开机、关机控制是利用开关3S来实现的。其中开关的两个触头用于切除或置入充电电阻R0，一个触头用于启动或关闭控制系统。J是开关3S的欠电压脱扣线圈，当J的电压低于其规定值时，开关脱开；如果输入电源断电，欠电压脱扣会使得开关脱开，保证了启动时充电电阻R0的置入。图3-3单

12、相逆变器主电路原理图3.3控制电路设计该装置采用了一种数模结合的SPWM控制电路，其框图如图3-4所示，它由数字分频电路、三角波形成电路、调节器、标准正弦波控制电路及PWM形成电路等组成。系统的电压调节是为了稳定电压，电流调节是为了限制输出电流。电源的正弦输出畸变率小于5%，要求不是太高，逆变器的输出功率1kW也不大。因此，系统仅采用电压平均值闭环控制，稳定输出电压，对输出波形采用开环控制，即直接将幅值受控的标准正弦波和三角波比较。下面分析各环节的实现电路，逐步了解装置的组成。图3-4 SPWM控制电路框图3.3.1 分频电路设计图3-5是数字分频电路，Y是石英晶体振荡器，它有稳定的震荡频率，

13、频率稳定度可以达到万分之一。该电路选用震荡频率1.8432MHz的晶振，它和R1、C1、C2组成频率信号产生的电路，得到1.8432MHz频率信号，再经过数字电路CD4017、CD4040处理，输出两路频率信号。CD4017是十进制计数器，第7脚的Q3计数端引至第15脚的复位端可以实现3分频。CD4040是串行二进制计数器，9脚Q1可以得到2分频，2脚的Q6可以得到2的6次方既64分频。1.8432MHz的频率，不经4017三分频的三角波频率为28.8kHz，不经过三分频标准正弦的扫描频率为306.9kHz。图3-5 数字分频电路示意图3.3.2 标准正弦波形成电路标准正弦波的长生是利用数字电

14、路实现的，电路原理如图3-6所示。在EPROM中存放的数据（十六进制）是这样得到的；将一个周期的单位正弦波分成N等份，每一点的数据在计算机上事先离散计算好在存放进去。由于写入的数据只能是正值，单位正弦波是和图3-6中的波形一致，幅值为1的正弦波。本例中将一个周期的正弦波分成N=256份。图3-6 标准正弦波形成电路正弦扫描频率引入数字电路CD4040，CD4040的输出是一组地址扫描信号送到EPROM的地址线上，EPROM2732中存放的数据便依次送到D/A转换器DAC0832，DAC0832将这些数据转换成断续的模拟信号，经过一个小电容C1（0.1uf以内）滤波，得到连续模拟信号，峰峰值由I

15、O1端引入的给定电压决定，电路中来自调节器的输出。经运放LF365处理，可以获得正负对称、幅值为的标准正弦波SINE。要产生的标准正弦波的频率f1=1200Hz，那么扫描频率应该为：，和前面分频电路得到的频率一致。正弦波的频率由稳定度相当高的晶振分频得到，故正弦波的波形畸变率很低；正弦波的幅值受控于给定电压。因此，该电路是一个高精度的正弦发生器。3.3.3三角波形成电路分频电路提供了三角波频率信号，即为28.8kHz的脉冲信号，应用隔直、比例和积分电路即可得到幅值适当，正负对称的三角波，其频率为28.8kHz。3.3.4 SPWM形成电路本装置SPWM形成电路如图3-7所示，正弦波信号SINE

16、和三角载波信号TR来自前级电路；TL084是运算放大器，一TR由它接成的反向器得到。电路中大量使用了芯片LM311，它是DIP8封装的快速电压比较器，不仅可以作为比较器，还可以利用他的特点做脉冲封锁。下面介绍它的应用：8脚、4脚分别接芯片电源的正、负端；2脚、3脚分别是同向、反向输入；1脚是低电平设定（可接电源负或地），它的电压值决定了LM311输出的低电平值；7脚为输出端，逻辑判断为“高电平”时，集电极开路（OC门特性），因此，7脚必须有上拉电阻同正电源连接，否则，没有高电平输出，图中的R1、R2、R3、R4等都是上拉电阻；5、6脚用来调节输入平衡（可不用），6脚还可以用作选通，如果LM31

17、1的6脚接低电平。其输出恒为高电平，这个特点往往用来设置脉冲封锁。该系统设置PWM信号低电平有效，即PWM信号为低电平时，驱动电路产生驱动脉冲，IGBT导通。Lock为保护电路输出的脉冲封锁信号；在电路出现故障时，lock的低电平送到后级各个LM311的6脚，使所有PWM为高电平封锁驱动脉冲。如果不利用LM311封锁驱动，也可以设置PWM高电平有效，取消后级的LM311。1图3-7 SPWM波形成电路及其波形3.4 驱动电路驱动50A/600V的IGBT可选用东芝公司生产的光电耦合器TL250，它是具有驱动能力的快速光耦。TLP250最大输入电流为20mA，最大输出电流为1.5A，可以用它驱动

18、50A的IGBT或者功率MOSFET。芯片工作电压10V35V，一般取20V。TLP250组成的驱动原理电路如图3-8所示，TLP250的8、5脚接隔离控制电源，1、4脚为空脚，6、7脚并用输出。2、3脚为控制信号输出端，内部发光二极管导通时，经光电耦合，推挽输出+15V输出信号。当发光二极管阻断时，芯片通过5V稳压管Dz的稳压作用，为开关器件门提供-5v反向偏执电压。根据图6所示的PWM形成电路的逻辑关系，低电平时驱动有效。LM311的输出接到TLP250的3脚，TLP250的2脚通过电阻R1接地。图3-8 TPL250组成的驱动原理3.5 辅助电源在桥式逆变电路中，一个桥臂上下两管驱动电路

19、的电源应各自独立，两个桥臂上的管无共地点下管可以共地。因此，驱动4管时，至少要有3路独立电源。采用单端反激式开关电源作为辅助电源提供3组20V电源和±12V电源。3组20V电源分别作为4个IGBT的驱动模块电源，±12V电源给控制系统的芯片供电。2在本例中，只要有直流输入，辅助电源就供电，控制系统就具备控制和保护能力，脉冲封锁，合上开关以后，由开关的辅助触头开放脉冲，逆变器开始软启动。3.6 保护电路3.6.1 过电压保护对于IGBT开关速度较高，IGBT关断时及FWD逆向恢复时，产生很高的di/dt，由于模块周围的接线的电感，就产生了L di/dt电压，关断浪涌电压，因I

20、GBT关断时，主电路电流急剧变化，在主电路分布电感上，就会产生较高的电压。阻容保护电路是变流装置中用的最多的过压保护措施，它利用电容两端电压不能突变的特性，把电容C和电阻R串联组成RC电压抑制器，过电压保护电路如图3-9所示。这种电路能降低截流过电压及过电压上升陡度，还能在高频复燃时用电阻R吸收能量使高频振荡过程强烈衰减，因而有限制重复性高频过电压的作用。电容C的数据值一般为0102 F，电阻R为100200。R-C阻容保护电路可以设置在变流器装置的交流侧、直流侧，也可将R-C保护电路直接并在主电路的元件上，有效的抑制元件关断时的关断过电压。图3-9 过电压保护电路3.6.2 过电流保护一旦发

21、生短路，IGBT的集电极增加到既定的直，则CE间的电压急剧增加。根据这种特性，可以将短路时的集电极电流降到一定数值以下，但是在IGBT上还有外加的高电压，大电流的大负载，必须在尽量短的时间内解除。从发生短路起到电源切断的时间也受限制，其产生的原因主要有：1） 晶体管或二极管的破坏2） 控制电路，驱动电路的故障或由于杂波产生的误动作3）配线工作等人为失误以及负荷绝缘的破坏过流保护的方法比较多，比较简单的方法是一般采用添加FU熔断器来限制电流的过大，防止IGBT的破坏和对电路中其他元件的保护。快速熔断器是IGBT变流装置中应用最普遍的过电流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装置主电路中。其中交流侧接

22、快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直流侧快速熔断器只对负载短路或过载起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同一电流，因而被广泛应用。4 系统元件有关参数计算在电路中输入为三相交流电 AC 50Hz，整流后，直流电压变化的范围是494V513V的直流电压。输出为单相100V AC 1200 Hz，输出功率取为，功率因数设为。则电路各元件选取如下：4.1 开关管和二极管的选择(1) 开关管的选择最大输出情况下，电流有效值为 开

23、关管额定电流 开关管额定电压(2) 二极管的选择 额定电压 最大允许的均方根正向电流 二极管的额定电流为4.2 并联电容的选取在功率因数为1 的情况下，等效的滤波电路的负载电阻为 周期 则并联电容值为4.3 L、C 滤波器的设计最低次谐波为次。因此，最低次谐波的频率 以选1/10为例，选滤波电感为1mH，则L、C滤波电容为4.4 电路调试按照附录一所示的总电路图在应用软件matlab上搭建仿真电路，并进行调试。通过观察示波器显示的波形，我们发现在输出部分加入滤波电路，滤波电路由串联一个1mH电感和并联一个的电容组成，可以显著减小波形所受到的干扰。5 小结与体会本次课程设计让我对交流/交流变频器

24、的原理有了进一步的理解,并且使用了Matlab软件仿真集成环境Simulink进行简单的仿真操作方法，使我对Matlab的使用更加的熟练。此外，这次课设让我把书本上的理论知识和实际电路仿真联系起来，增强了实践能力。在课程设计过程中，都是按照课本上的设计步骤来做。首先进行对象的分析，考虑需要用到的知识点，搜集相应的资料，设计出总体方案。当然，在之后的设计过程中，仍然对电路的细节部分进行了改进。然后设计硬件部分，通过查资料选取适当的硬件，画出对应的电路图。接着设计控制器，而这部分在整个课程设计中是最关键的，也是最难的，此外还有各部分的功能模块的实现。通过此次课程设计我发现，只有真正理解了课本知识，才能够在设计中灵活运用，比如此次要求的输出是1200Hz，而书上的是50Hz，通过比较我发现，只要将一个周期的正弦波分成256份，同时，正弦扫描频率不经过原来的三分频变为306.9KHz，那么就可以满足设计要求。课程设计过程中，我知道了理论和实际的距离