单相桥式晶闸管有源逆变电路设计

1、课程设计说明书学生姓名：学号：学 院：信息与通信工程学院专 业：自动化题 目： 单相桥式晶闸管有源逆变电路设计（反电势阻感负载）扌旨导教师：职称： 讲师2011年12月31日课程设计任务书1. 设计目的：1） 培养学生文献检索的能力，特别是如何利用In ternet检索需要的文献资料。2）培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3）培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4）提高学生课程设计报告撰写水平。2. 设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：设计内容：1、设计一个单相桥式晶闸管有源逆变电路（反电势阻感负载）设计要求：1）电源电压：交流50V/50HZ；2）逆

2、变功率：200VY3）反电势：E=70V ;4） 逆变角：B =35°。3. 设计工作任务及工作量的要求包括课程设计说明书、图纸、实物样品等：设计工作任务及工作量的要求：1）根据课程设计题目，收集相关资料、设计主电路和触发电路；2）用Multisim 等软件制作主电路和控制电路原理图；3）撰写课程设计报告一一画出主电路、控制电路原理图，说明主电路的工作原理， 完成元器件参数计算，元器件选型，说明控制电路的工作原理，用Multisim或EW蒔软 件绘出主电路典型的输出波形（比较实际波形与理论波形），绘出触发信号（驱动信号） 波形，说明设计过程中遇到的问题和解决问题的方法，附参考资料。课

3、程设计任务书4. 主要参考文献：1樊立萍，王忠庆电力电子技术北京：北京大学出版社，20062、徐以荣，冷增祥.电力电子技术基础.南京：东南大学出版社，19993、王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社,20054、童诗白.模拟电子技术.北京：清华大学出版社,20015、阎石.数字电子技术.北京:清华大学出版社,19986、邱关源.电路.北京：高等教育出版社，19995. 设计成果形式及要求：1）撰写课程设计报告；2）用PROTE或其它软件画出主电路和触发电路原理图；3）用EWB£其它软件绘出主电路典型波形，触发信号（驱动信号）波形6. 工作计划及进度:2011年12月25日

4、 12月27日12月28日 12月29日12月30日 12月31日收集资料，计算所需参数并选定元器件； 完成主电路、控制电路设计；绘出波形图;完成课程设计报告，下午答辩。系主任审查意见:签字：2011年12月25日一、绪论1. 逆变技术介绍：逆变技术的原理早在 1931 年就有人研究过， 从 1948 年美国西屋电气 公司研制出第一台 3KHZ 感应加热逆变器至今已有近 60 年历史了， 而晶闸 管 SCR 的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件，到了20 世纪 70 年代，可关断晶闸管（GTO、电力晶体管（BJT）的问世使得逆变技术得到发展 应用。到了 20世纪80年代，功率场效应管（MOSF

5、ET绝缘栅极晶体管 （IGBT）、MOS控制晶闸管（MCT以及静电感应功率器件的诞生为逆变器 向大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频 化，大容量化创造了条件。进入 80 年代后，逆变技术从应用低速器件、低 开关频率逐渐向采用高速器件，提高开关频率方向发展。逆变器的体积进 一步减小，逆变效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提 高。2. 软件介绍：NI Multisim 软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻 松、高效地对电路进行设计和验证。凭借 NI Multisim ，可以立即创建具有 完整组件库的电路图，并利用工业标准 SPICE模拟器模仿电

6、路行为。借助 专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行 的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实 现建模测量。二、原理概述在电力电子技术中，把直流电能变换成为交流电能的过程称为逆变。 当交流侧为供电电源时称为有源逆变。要使负载侧反过来通过变流器向交 流电源供电（即能量反传递、而且电流流向不变，则在负载侧必须存在一 个直流电源E （电动势），这个电源可以是电池，也可以是直流发电机或直 流电动机运行在发电状态，这个电源的极性与整流电压极性相反。两个电源之间的能量

7、交换必须使这两电源同极性相连接。这样，欲使负载中直流 电源的能量反流回交流电源中去，则必须要求变流器能产生一个与原整流 电压Ud一极性相反的电压，称之为逆变电压Ud，且Ud <E, Ud 为逆变电压 的平均值。由于希望在能量交换中的能量损失尽可能地小，因此回路中的 电阻R均较小，这样Ud 较接近于E。综上所诉，有源逆变本质上是触发角大于 90度的整流，有源逆变的拓 扑结构与整流一模一样，只是当触发角大于90度时整流电路的功率方向发 生了变化。为了实现逆变功能，有源逆变电路必须满足两个条件：（1）负载侧存在一个直流电源E,由它提供能量，其电势极性与变流器的整流电压 相反，对晶闸管为正向偏置

8、电压；（2）变流器在其直流侧输出应有一个与 原整流电压极性相反的逆变电压 Ud ：，其 平均值UvE,并将其能量馈送 给交流电源。三、参数计算题目要求：电源电压：交流50V/50HZ逆变功率：P=200W反电势：E=70V逆变角：B =35°计算：输入电压有效值U2 =50V. Ud-E ld = -sin wtdwt 和二''= n 得Ud =0.9 U 2 cos( n :)33.14R2 十P=|E I d |- Id R和P=200WUd=-36.86V I d =5.43AR=6.10 Q晶闸管的选取:额定电压：.2U2=70.71V,取23倍的电压安全储备

9、，并考虑晶闸管电压安 全系列取额定电压为200V。额定电流：查表可得Kf=lvT十I d=2- 2 , I vT=Kf人/1.57=2.41，取2倍电 流安全储备并考虑晶闸管原件额定电流系列取额定电流为5A。控制电路设计：1v 电源频率f=50HZ,周期T仁一=20msf触发电路周期T2=T仁20ms触发角：=180 - - =180 -35 =145 D1 , D3触发时间为：t1=14T2=8.06ms360 'D2, D4触发时间为：t 2 =t1+-T2=18.06ms2四、实验原理图及其分析实验理论图实验原理图原理图分析：负载侧存在一个直流电源E=70V（电动势），由它提供能

10、量，其电势极性与 单向桥式整流电压相反，对晶闸管为正向偏置电压。在0° 145°时，D1、D3导通，145° 325°时，D2、D4导通，如此循环。变流器在其直流侧输出了一个与原整流电压极性相反的逆变电压 Ud=36.86V，其平均值Ud ：E，以吸收能量，并将其能量馈送给交流电源。控制电路采用脉冲信号发生器，作为晶闸管的触发信号，其参数如上图所145示。其中D1, D3触发时间为：t,=.T=8.06ms, D2,D4触发时间为：360t2=J+丄T=18.06ms,且控制电路周期和交流电源周期相同，使得两组晶闸管交2替触发，实现逆变。PULSE VO

11、LTAGELabel | Display VflkJt| Fault| Pins Variant| U5«r Fields |rrRepisOB ;Infb晶闸管D1、D3、1极触发电源参数PULSE_VOLTAGELabel | DismayValoe | Fault | Pins | Variant | Lteer Fields |Initial Value:Pulsed Value:Delay Time:Rise TimezFall Time:Pulse Width:Period:msecmsecnsecAC Analysis Magnitude:oVOrRfcplaic.e

12、i|OKCancelInfoHelp晶闸管D2、D4、1极触发电源参数酸 0 sei 11 oscope -XSC1S3 nTFD1、D3触发脉冲波形图Oscilloscope-XSC1D2、D4触发脉冲波形图Oscilloscope-XSClJOscilloscope-XSCl:Z i1 * TH * - Y rUc波形与U2波形比较Oscilloscope-XSCl晶闸管1、3电压波形图妙 O $611 osco pe-XSC 1晶闸管2、4电压波形图o：vi5y WrinrSEc 20Op/15 V;- llbrnraec SOmEBCXSC1t 二4. 5C Vrms<rEGH1

13、6 16 10M3CWM1V5V15Vimsec 20mseclOmsee 2Qm&ec:ni EGHK 16U2±：V3?OV1：26.1 Q,数逆变电压、平均电流、逆变功率读数晶闸管、电感、电流表不是理想器件，它们都有电阻，而电阻为值较小，器件电阻对电路电流影响较大,导致电流达不到理想值，从而使得逆变功率与理想值有出入。五、实验问题及解决方案1. 电感的选取问题：测定输出电压波形时，当电感小于10M时，仿真若干周期后输出电压波形出 现严重失真并且电路运行出错，当电感大于10M时，输出电压一直很稳定。所以 我们在实验中选定1GH勺电感，使输出电压稳定。测定逆变功率时，当电感

14、太大时（例如1MH，平均电流I d很小，而电感较小时（例如1H），仿真一开始即会报错，所以测定逆变功率时，我们选取的电感 为40H,使得输出电压波形较稳定，且I d、逆变功率P比较接近理想值。2. 晶闸管的选取：选定不恰当的晶闸管，仿真时会出现报错或者输出电压波形严重失真的情况。经过多次试验，最后选定型号为 EGH16-16勺晶闸管，此晶闸管在仿真10S后 仍能输出稳定准确的波形3. 逆变功率达不到要求：刚做实验时所选器件不是理想器件， 它们都存在电阻， 使得逆变功率比要求 值小，即使把器件设置为理想器件， 由于电感的存在， 逆变功率也只是能接近要 求，大概能达到 170W。六、实验心得本次电

15、力电子技术课程设计我的研究对象为单项桥式有源逆变电路， 对此我 结合课本知识与网上搜索的资料，对其原理及实现做出了深刻的研究和分析。在课程设计过程中，暴露出我在平时的学习中， 没有注意理论与实际的差别， 仅局限于学习课本知识， 没有及时扩充自己的视野， 譬如晶闸管有很多不同的型 号，我只能计算出理论的额定电压额定电流， 但是根据额定电压和额定电流选取 晶闸管时， 我就不知道该如何选取了， 导致在做实验的过程中花费了很长时间才 选出合适的晶闸管。我平时没有在学习仿真软件方面下功夫，只是在实验时才偶尔使用一两次， 导致实验开始时不知如何使用软件，通过问同学和上网查资料才知道如何使用 multisim 研究我们的课程