串联谐振单相全桥逆变电路的设计

1、摘要本次课程设计的主要目的是设计一个输出电压可调的串联谐振单向全桥逆 变电路，然后可以用于对工件的感应加热、感应加热电源等方面。本次设计的单相全桥逆变电路由四只晶闸管构成， 将直流电压 Ud 逆变为中 频方波电压， 并将它加到负载电路。 负载电路是由感应线圈和补偿电容组成的串 联振荡电路， 对工件进行感应加热， 通过电感的电流接近正弦波形。 而晶闸管的 导通，则由TCA785组成的触发电路产生的触发脉冲来触发其导通。通过移相方 式来调节主电路输出电压脉冲的宽度。 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

2、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，以使设计的主电路能够达到要求的技术指标， 并完成相应的功能。 关键词：单相全桥逆变电路、晶闸管、触发电路、保护电路、电压累加目录1 弓丨言 11.1 问题的提出 11.2技术指标和设计要求 1技术指标 :.1122设计要求 .2 串联谐振单相全桥逆变电路的 设计. 12. 1 主电路及其工作原理. .12. 2串联谐振逆变电路的电压累加.33 主电路电力电子器件参数的计算63. 1 主 电 路 电 阻 、 电 容 、 电 感 的 取 值 63. 2 晶闸管额定值的 计算. 74 触发电 路 的 设 计 .85保护电路的设计 10

3、5.1 过电压保护 :.0 5.1过电流保护 :.0 6 总结. . .1 17 心得体会.1 1参考文献.121 引言1.1 问题的提出随着工厂对工件加热设备的温度控制精度不断提高， 普通的加热设备已经不 能满足要求。 因此，就需要对设备的加热原理进行改进。 本次设计的串联谐振单 相全桥逆变电路的负载电路是由感应线圈和补偿电容组成的串联振荡电路， 对工 件进行感应加热， 其功能与一般的单相全桥逆变电路有所不同， 而且它的触发电 路与其他电路的触发电路相比起来， 有更优良的性能， 达到对晶闸管通断的更好 控制。1.2 技术指标和设计要求1.2.1 技术指标（1） 输入参数：三相交流电压 uA、

4、 uB、 uC（ 2） 输出参数：交流电压 uo1.2.2 设计要求串联谐振单相全桥逆变电路的设计 晶闸管额定电压、电流表达式的推导 触发电路的设计 保护电路的设计绘制主电路、触发电路和保护电路的电路图2 串联谐振单相全桥逆变电路的设计2.1 主电路及其工作原理串联补偿逆变电路的结构如图 1 所示。它由三相晶闸管全控整流桥、平波电感 Ld 、滤波电容 Cd 、单相全控桥式逆 变电路、续流二极管、串联谐振逆变器负载构成。三相晶闸管全控整流桥将正弦的工频交流电整流成脉动的直流电Ud ,可通过调节直流电压Ud来调节负载电流。平波电感Ld在此起切断直流通路的作用由于要求恒压源供电，所以需要一个很大的滤

5、波电容 Cd ,当Cd足够大时，可 以认为输入电压是恒压Ud。在电路还没开始工作前，电容Cd就通过电网储能，以 便于启动逆变电路。由四只晶闸管构成的单相全控桥式逆变电路将直流电压 Ud逆变为中频方波 电压，并将它加到负载电路。负载电路是由感应线圈和补偿电容组成的串联振荡 电路,对工件进行感应加热。通过电感的电流接近正弦波形。与并联补偿逆变电路的强迫换流工作方式不同，串联补偿逆变电路是通过自 然换流来实现工作晶闸管之间转换的，其工作原理如下：第一阶段：首先触发晶闸管 SCR1 SCR4电流通过正端流入，经过SCR1串 联振荡负载、SCR4再由负端流出，此时补偿电容C充上了左正右负的电压。第二阶段

6、：由于电流波形为正弦波，当电流变为负的时候，电流就通过与SCR1 SCR4同桥臂的续流二极管D1、D4续流，同时给SCR1 SCR4加上了反压， 使SCR1 SCR4关断。第三阶段：经过一段时间,当SCR 1 SCR4完全关断后,我们同时触发晶闸管 SCR2和SCR3此时由于晶闸管SCR2 SCR3两端均加有正压,因此马上就能导通。 电容C通过续流二极管D1、晶闸管SCR2回路和续流二极管D4晶闸管SCR3回 路放电。当电容C放电完成后,续流二极管D1、D4中不再通过电流，整个回路电 流走向为：正端流入,经过SCR2串联振荡负载、SCR3负端流出。电容C开始反 充电,充上左负右正的电压。第四阶

7、段：当电流再一次变为负时,电流将通过续流二极管 D2 D3续流,同 时给SCR2 SCR3加上反压,使晶闸管SCR2 SCR3关断。第五阶段：当SCR2 SCR3关断后,我们触发SCR 1 SCR4电容C通过D2SCR1回路和D3 SCR43路放电。当电容C放电完成后，续流二极管D2 D3中不 再通过电流,整个回路电流走向为：正端流入,经过SCR1串联振荡负载、SCR4, 负端流出。电容C开始充电，充上左正右负的电压。以后开始重复以上过程。由上述分析可知，不管有没有触发脉冲，工作的两只晶闸管都会自动关断，而 另外两只晶闸管在前两只晶闸管关断后才被触发导通，因此串联补偿逆变电路为自然换流过程。2

8、.2串联谐振逆变电路的电压累加要讨论串联补偿逆变电路的电压累加，先得从它的等效电路分析着手：图2 串联补偿逆变电路等效电路图2串联补偿逆变电路的等效电路图为分析其工作过程，我们首先对简单串联逆变电路进行计算分析，如图2所示，其中R为炉体的等效电阻，C为补偿电容，L为炉体电感。i(t)为输入电 流。输入电压Ud。由电路方程有：(1)Ud Ur UC Ul带入各电压表达式，有:1Ud i(t)R C i(t)dtLdi(t) dt(2)对（2）式做拉普拉斯变换，可得:UdL s I (s) R I(s)1csI(s)(3)化简可得:I(s)Ud1RsL(4)其特征方程为:LCR24当严0时方程式（

9、5）能满足工作需要。因此，必须满足:R24L2L得:2LLC(5)的解为衰减解，RLC回路不能形成振荡,不4R22LC L2代入（4）式有:I(s)严(6)对（6）式进行拉普拉斯逆变换,代入初始条件：Uc（0） O,io（O） 0 ,可i(t)sin(t)UC CUde t sin( t)dt(8)t1时刻，C上的电压:Ucl Ud 1 e t1 cos（ ti） sin（ ti）（9）在这里，我们假设在电流过零的时刻就进行工作晶闸管的转换，即假设此时负载电路不经过反并联二极管续流，工作的晶闸管就能立刻关断，并且在关断同 时触发另外两只晶闸管。则充电时间ti ，代入（9）式可得，第一轮充电结束

10、后，电容C的电压为:(10)Uci Ud第二轮充电，其初值条件变化为：i1（0）0，Ug（0） Ud 1 e（ 11）同理，列出方程：L 響 i2（t）R 1 i2（t）dt Ud Ud（dtC由此可得,当第二轮充电结束后，电容 C的电压为：1 一 一Uc - i2（t）dt Uc Uq e 5 1 e（ 13）c同理，我们可得到第n轮充电后（即第n个半波后）谐振电容C上的电压为:U Cn U Cn 1 e U d 1 e（ 14）当电路达到稳态时，将有：(15)Uc Uc 1 UcUc此时稳态电容c上的电压为：(16)电感上L上的电压为:(17)Ul Uc Ud由以上分析可以看出，串联补偿逆

11、变电路有电压累加，谐振电容上的电压每 半波都有一个叠加过程，直到逆变回路工作于稳态。电容 C和电感L上的电压会 逐渐升高，最后的稳态电压会是电源电压的35倍。（上边计算中，我们把负载等 效电路等效为等效电阻 R与感应线圈L串联，只是为了证明谐振电容上的电压积 累过程，如果将电阻等效为与电感并联，计算过程比较麻烦，不容易得出方程的 解。为此,我们假设等效电阻与电感串联，来简化计算过程。）这是串联补偿逆变 电路的第一个特性：电压累加。由串联补偿逆变电路的工作原理可知 ，串联补偿逆变电路的第二个特点为: 自然换流。每一次电流反向以后，通过续流二极管的续流过程给工作的晶闸管加 上反压,使其关断。任何时

12、候最多只有两只晶闸管处于导通工作状态。因为是自然换流过程，所以串联补偿逆变电路不存在临界阻尼影响起振的现 象，这是串联补偿逆变电路的一个优势3主电路电力电子器件参数的计算3.1主电路电阻、电容、电感的取值根据主电路中发生串联谐振的条件，可得:Z(j )ReZ(j)ImZ(j)当感抗等于容抗，即:主电路发生串联谐振。3.2晶闸管额定值的计算把幅值为Ud矩形波Uo展开成傅里叶级数得:4Ud11Uosin t sin 3 t sin 535其中基波的幅值Uoim和基波有效值U01分别为:U01m 如 1.27Ud匾 0.9Ud0,后半个晶闸管两端电压UVT在一个周期的波形图为：前半个周期电压为周期电

13、压为Ud，因此，晶闸管两端承受的电压有效值为:UVT2Udd( t)Ud晶闸管承受的最大电压为：Ud因此，计算可得晶闸管的额定电压为:Utn 23Ud由（7）式可得，晶闸管电流有效值:式中，Z晶闸管的额定电流为:IT AV1.5 21VT max1.574 触发电路的设计晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲， 保证晶闸管在需要 的时刻由阻断转为导通。 晶闸管触发电路往往包括： 对其触发时刻进行控制的相 位控制电路、触发脉冲的放大和输出电路。在本文晶闸管变流装置中， 要使主电路正常工作， 必须要有触发电路与之正 确可靠的配合才能实现。因此就要设计一个合理的触发电路。本次设计的主电路采

14、用的控制方式为移相调压， 即通过移相的方式来调节输 出电压脉冲的宽度， 实现主电路的调压功能。 该主电路对触发电路的要求有以下 几点：1）触发脉冲必须有足够的功率， 保证在允许的工作温度围， 对所有合格的 元件都可靠触发。2）触发脉冲应有足够的宽度。3）触发脉冲的相位应能够根据控制信号的要求在规定的围移动。4）触发脉冲与主电路电源电压必须同步。5）触发电路与主电路之间有必要的电气隔离。由主电路的设计可知， 触发电路输出的触发信号是用来控制各个晶闸管的导 通，根据以上主电路对触发电路的要求，设计出如图（ 3）所示的触发电路。这 里采用了 TCA785触发电路，该电路部由脉冲形成与放大环节、锯齿波

15、的形成和 脉冲移相环节、同步环节、脉冲相位控制。它可以有效的控制晶闸管的通断，即 可有效的控制逆变输出电压、电流的大小。5保护电路的设计由于晶闸管变流装置在运行过程中会不可避免的产生过电流、过电压。故就需要对其加相应的保护电路。5.1过电压保护主电路的过电压保护措施有：阻容保护、压敏电阻保护、浪涌过电压保护。阻容保护又分为交流侧阻容保护和器件侧阻容保护。 对于晶闸管关断过程中产生 的尖峰状的瞬时过电压保护采用的就是器件侧阻容保护。 加上阻容后，当晶闸管 关断时，变压器电流可通过 RC续流，减小di/dt，从而抑制了过电压。各种过电 压保护电路如图（5）所示。压敏电阻过电压保护|浪涌过电压保护斗

16、RC过电压保护 |晶闸管换相过电压保护图5过电压保护电路5.2过电流保护可用作过电流保护的电器有：快速熔断器、交流断路器、直流快速熔断器。图（4）给出了这些过电流保护措施以及它们在电路中的位置。如图4,交流断路器、快速熔断器、直流快速熔断器都是串联在主电路中的6 总结本次设计的串联谐振单向全桥逆变电路的输出电压可调， 它可以用于对工件 的感应加热、感应加热电源等方面。该串联谐振单向全桥逆变电路最大的特点是： 在原有的单相全桥逆变电路的 基础上，将直流电压 Ud 逆变为中频方波电压，并将它加到负载电路。而负载电 路则由原来的电阻、 电感组成的电路改为感应线圈和补偿电容组成的串联振荡电 路，对工件进行感应加热，通过电感的电流接近正弦波形。本次设计的另一特点是： 触发电路。 与普通单结晶体管组成的触发电路、 晶 体管组成的触发电路相比， 本次设计采用了 TCA785 构成的脉冲触发电路， 具有 同步更可靠， 脉冲输出的整齐度更好， 移相围更宽， 且它的输出脉冲宽度可自由 调节。7 心得体会通过本次课程设计，加深了我对课程电力电子技术理论知识的理解，特 别是有关逆变电路方面的知识。同时也培养了以下几点能力：第一：提高了自己撰写课程设计报告水平， 提高了自己的书面表达能力。 具 备了文献检索的能力，特别是如何利用 Intel 网检索需要的文献资料。第二：提高了运用所学的各门知识解决问