电力电子课程设计单相全桥逆变电路

1、 课程设计指导教师评定成绩表优秀良好中等及格分值评分项目(90 x80)参考标准(80 x70)参考标准(70 x60)参考标准参考标准学 习 态 度 认 学习态度比较 学 习 态 度 学 习 态 度 尚 学习马虎，真，科学作风 认真，科学作 尚好，遵守 可，能遵守组 纪律涣散，严谨，严格保 风良好，能按 组织纪律， 织纪律，能按 工 作 作 风学习态度按任务书中规 务书规定的任 设计时间，设计合理、理 设计合理、理 设计合理， 设 计 基 本 合 设 计 不 合论分析与计算 论分析与计算 理 论 分 析 理，理论分析 理，理论分正确，实验数 正确，实验数 与 计 算 基 与 计 算 无 大

2、析 与 计 算据准确，有很 据比较准确， 本正确，实 错，实验数据 有 原 则 错技术水平与实际能力25调查调研非常 合理、可信合理、可信有重大改进或 有较大改进或 有 一 定 改 有一定见解独特见解，有 新颖的见解， 进 或 新 的创新10一定实用价值 实用性尚可见解结构严谨，逻 结构合理，符 结构合理， 结 构 基 本 合 内容空泛，辑性强，层次 合逻辑，文章 层 次 较 为 理，逻辑基本 结构混乱，清晰，语言准 层次分明，语 分明，文理 清楚，文字尚 文 字 表 达确，文字流畅， 言准确，文字 通顺，基本 通顺，勉强达 不清，错别完全符合规范 流畅，符合规 达 到 规 范 到 规 范 化

3、 要 字较多，达化要求，书写 范化要求，书 化要求，书 求；图纸比较 不 到 规 范50工整或用计算 写工整或用计 写 比 较 工 工整机打印成文； 算 机 打 印 成 整；图纸比图 纸 非 常 工 文；图纸工整、 较工整、清整、清晰清晰晰指导教师评定成绩：指导教师签名：年 月 日重庆大学本科学生课程设计任务书 （1） 输入参数A、 B、 C（2） 输出参数设计主电路、设计触发电路和保护电路、推导主电路晶闸管参数的表达式、绘制主电路、触发电路和保护电路电路图。1、 明确自己课程设计的设计目的、设计内容和设计要求，明确所要设计装置（或电路）的主要技术数据（如输入要求，输出要达到的目标，装置容量的

4、大小以及装置要具有哪些功能）；目前资料收集情况（含指定参考资料）：1 王兆安，黄俊.电力电子技术.机械工业出版社.2008.2 周守昌.电路原理.高等教育出版社.238-239.1、 十七周周一教师讲述课程设计的目的、任务、要求和注意事项；2、 十七周周二完成文献检索，在阅读分析所检索文献的基础上确定课程设计总体方案（包括主要技术数据）；完成日期 2008 年 1 月 3日学 生（签指导教师（签名）名）说明：学院、专业、年级均填全称，如：光电工程学院、测控技术、2003。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

5、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、

6、晶闸管、触发电路、保护电路、电压累加目录 引 言 . . . . 11 . 1 问 题 的 提 出 . . . . 11. 2 技 术 指 标 和 设 计 要 求 . . 11.2.1 技术指标 .111.2.2 设计要求 .12 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

7、 . 74 触 发 电 路 的 设 计 . . 85 保 护 电 路 的 设 计 . . 1 05.1 过电压保护 .105.1 过电流保护 .106 总 结 . . . 1 17 心 得 体 会 . . . 1 1参 考 文 献 . . . . . . 1 2 1 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

8、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u 、u 、uBAC（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 L 、滤波电容C 、单相全控桥式逆dd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 U ,可通

9、d过调节直流电压U 来调节负载电流。平波电感 L 在此起切断直流通路的作用。dd 由于要求恒压源供电 ,所以需要一个很大的滤波电容 C ,当C 足够大时,可ddd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 U 逆变为中频方波d 以后开始重复以上过程。UUULCR图 2 串联补偿逆变电路的等效电路图RC由电路方程有：dRCL带入各电压表达式，有： 1di(t)U i(t)R i(t)dt L（2）dCdt对（2）式做拉普拉斯变换，可得：U1 Ls I(s) R I(s) I(s)Cs（3）（4）ds化简可得：U1I(s) dR1Ls s 2LLC其特征方程为：s2 s R

10、1 0（5）LLCR24RLC ,0 时，方程式（5）的解为衰减解， 回路不能形成振荡 不当L L2能满足工作需要。因此，必须满足：R，即 L2R24 0L L2LC令R1 4 R2 ，2L2 LC L2代入（4）式有：UI(s) （6）d s L22,对（6）式进行拉普拉斯逆变换 代入初始条件：U (0) 0,i (0) 0，可C0得：Ui(t) e sin( t) t（7）（8）dL1 U e sin( t)dtU i(t)dt tdLCC t C1 时刻， 上的电压：U U 1e cos( t ) sin( t )（9）t1Cd111,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

11、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t, , C，代入（9）式可得 第一轮充电结束后 电容 的电压为：1 U U 1 e （10）（11）C1d,第二轮充电 其初值条件变化为： U 1 e 0 U (0)i (0)1，Cd1同理，列出方程：di (t)1L i (t)R i (t)dt U U（12）（13）2dtC22dC1,C由此可得 当第二轮充电结束后，电容 的电压为：1 U i (t)dtU U e U 1e dCC22C1C1,n(n同理 我们可得到第 轮充电后 即第 个半波后 谐振电容 上的电压为：)

12、CU U e U 1 e d（14）（15）CCnn1当电路达到稳态时，将有：U U UCnCn1CC此时稳态电容 上的电压为： 1 eU U（16） Cd1 e 电感上 上的电压为：L2U U U U（17）LCdd 1 e由以上分析可以看出 ,串联补偿逆变电路有电压累加 ,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

13、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：1C 1 R j L Z( j ) R j L j CReZ( j ) R1 ImZ(

14、j ) L C当感抗等于容抗，即：1L C主电路发生串联谐振。 3.2 晶闸管额定值的计算把幅值为u 矩形波u 展开成傅里叶级数得：d04U 11 sin t sin 3 t sin 5 t u 0d35其中基波的幅值u和基波有效值u 分别为：0101m4Uu 01m1.27Udd2 2Uu 01 0.9Udd晶闸管两端电压在一个周期内的波形图为：前半个周期电压为 0，后半uVT个周期电压为u ，因此，晶闸管两端承受的电压有效值为：d1uu VT2 u d( t)d22d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： U 2 3 UTNd由（7）式可得，晶闸管电流有效值： s

15、in cos 1UI VT I (t)d( t) 2dZ2cos 1 C 2式中， Z R L 22晶闸管的额定电流为： I 1.5 2IVT max1.57 T AV 4 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

16、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范围内，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范围内移动。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，该电路内部由脉冲形成与放大环节、锯齿波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。 5.1 过电压保护压保护电路如图（5）所示。 图 4 过电流保护电路图6 总结7 心得体会 第二：提高了运用所学的各门知识解决问题的能力，在本次课