电力电子技术课设 交直交变频装置.docx

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电力电子技术课设交直交变频装置

电气工程及其自控化专业

电力电子技术课程设计报告

姓名：

学号：

专业班级：

题目：

交直交变频实验装置设计

电气与电子工程学院

二〇一四年XX月XX日

一、设计的技术数据……………………2

二、方案论证及选择……………………2

三、主电路设计……………………4

四、控制电路设计……………………6

五、驱动电路设计……………………9

六、保护电路设计……………………10

七、总结及心得体会……………………12

八、参考文献……………………13

九、电路原理图……………………14

十、仿真图……………………16

一、设计的技术数据

1、交流电源：

单相220V。

2、为了IGBT的安全，中间直流电压最大为50V。

3、输出交流电压约45V。

4、输出最大电流2A。

5最大功率：

100W。

二、方案论证及选择

单相交-直-交变频电路主要是通过整流滤波得到直流电，再通过控制逆变电路将直流电变成某个频率的交流电。

根据实验任务要求，对控制电路部分可以采用多种方案，具体方案如下：

方案一：

用可控整流调压、逆变器调频的交-直-交变频器。

调压和调频分别在两个环节上，由控制电路进行协调。

由于输入环节采用可控整流，当电压和频率调得较低的时候，晶闸管整流器的控制角较大，电网端的功率因素较低。

输出环节较多采用晶闸管组成的逆变器，输出电压的谐波分量较大，一般用于较大功率的变频器。

方案二：

用斩波器调压的交-直-交变频器。

整流环节采用二极管不可控整流，增设斩波器进行调压，再用逆变器调频。

虽然多了一个中间调压环节，但是输入的功率因数提高了。

输出仍然采用晶闸管逆变器，所以仍然存在谐波问题。

方案三：

用PWM逆变器同时调压调频的交-直-交变频器。

由于采用二极管不可控整流产生恒定直流电源，功率因数问题用这种方法就可以解决。

用PWM逆变器，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出电压值。

假如脉冲宽度按正弦分布，则输出电压中谐波可以大大减少。

谐波减少的成度还取决于逆变器功率开关的开关频率。

因此，PWM逆变器中很少采用像晶闸管之类开关频率低的半控型器件作为开关器件，而是采用开关频率高的全控型器件如GTR、GTO、MOSFET、IGBT等。

同时调频调压都集中在逆变器一侧，控制也简化了。

因此，这种结构成为当前中小型交-直-交变频器中普遍采用的一种结构形式。

因此采用PWM正弦波脉宽调制，通过改变调制频率，实现交-直-交变频的目的。

PWM控制的方法可分为3类，即计算法、调制法和跟踪控制法。

其中，调制法是较为常用的，也是基本的一类方法。

而调制法中最基本的是利用三角载波与正弦信号波进行比较的调制方法，分为单极性调制和双极性调制。

本设计采用的单相桥式逆变电路既可以采用单极性调制，也可以采用双极性调制。

在本设计装置中，采用了双极性PWM调制技术。

对于整流部分采用不可控制整流电路，滤波部分采用LC低通滤波器，滤除高次谐波，得到高频率的正弦波交流输出。

逆变部分由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路，采用双极性调制方式。

总体方案框图如图2.1所示。

图2.1总体方案框图

各部分功能：

（1）整流电路：

把交流电源转换成直流电源。

其中一部分为电路提供电源。

（2）滤波电路：

滤波电路接在主电路与逆变电路之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。

（3）逆变电路：

逆变电路的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。

（4）控制电路：

控制电路为逆变电路产生SPWM信号。

（5）驱动电路：

驱动电路作为控制电路和主电路的中间环节，其主要任务是将控制电路产生的控制器件的SPWM信号转化为器件的驱动信号，它可以完成电气隔离的功能。

三、主电路设计

主电路由三部分组成，即整流电路、滤波电路和逆变电路，如图2.2所示。

整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源，大多数整流电路由变压器、整流电路和滤波电路等组成。

整流电路多用硅整流二极管和晶闸管组成，滤波电路接在主电路与逆变电路之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。

变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电气隔离。

此部分结构简单、工作可靠，其性能满足实验的需要，故采用桥式整流电路。

其作用是将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能。

在交流电源转换直流电源后，电路会有电压波动，为抑制电压的波动，采用简单的电容滤波。

逆变电路同整流电路相对应，将低电压变为高电压，将直流电压装换为所要频率的交流电压。

逆变电路的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。

本设计中的逆变部分,采用单相桥式PWM逆变电路,输出电压的大小及频率均可通过PWM控制进行调节。

对于可控器件选择IGBT，IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。

当栅极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。

此时从N+区注入到N-区的空穴（少子）对N-区进行电导调制，减小Ⅳ区的电阻R，使阻断电压高的IGBT也具有低的通态压降。

当栅极上施以负电压时MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即被关断。

在IGBT导通之后。

若将栅极电压突然降至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使集电极电流有所下降，但由于N-区中注入了大量的电子和空穴对，因而集电极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。

对于大功率IGBT，选择驱动电路基于以下的参数要求：

器件关断偏置、门极电荷、耐固性和电源情况等。

门极电路的正偏压VGE负偏压-VGE和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dv/dt电流等参数有不同程度的影响。

门极驱动条件与器件特性的关系见表1。

栅极正电压的变化对IGBT的开通特性、负载短路能力和dVcE/dt电流有较大影响，而门极负偏压则对关断特性的影响比较大。

在门极电路的设计中，还要注意开通特性、负载短路能力和由dVcE/dt电流引起的误触发等问题。

要求输入单相交流电220V，为了IGBT的安全，中间直流电压最大为50V，输出交流电压约45V，输出最大电流2A，最大功率100W。

对于主电路整流电路，根据傅里叶级数对经电力二极管整流后直流电压

的波形进行分解后可得

式中恒定分量即为电压整流后直流电压

的平均值，因此有

为了IGBT的安全，中间直流电压最大为50V,所以就是

最大值为50V。

当

=50v，根据

可得：

对于变压器的选择变压比

在桥式整流电路中，二极管D1、D2和D3、D4是两两轮流导通的，在

正半周时，D1、D4导通，D2、D3截止。

此时D2、D3所承受到的最大反向电压均为

的最大值：

通过最大电流

因此选用目前市场上已有的整流桥堆QL62A～L。

其中整流桥堆QL62A～L的额定电流为2A,其最大反向电压为25～1000V。

对于滤波电容器的选择，首先根据

可得滤波电容

电容器所承受的最高电压为：

所以选用标称值为

的电容器。

对于逆变电路IGBT的选择：

IGBT承受的最大反向电压为：

流过每个IGBT的电流最大值为

所以IGBT选择2A/100V以上的IGBT，例如G40N150D。

主电路

四、控制电路设计

控制电路包括三部分，分别是控制电路、驱动电路以及辅助电源电路。

控制电路是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM波。

Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波，作为主电路中两对开关管IGBT的控制信号。

控制电路还设置了过流保护接口端STOP，当有过流信号时，STOP呈低电平，经与门输出低电平，封锁了两路SPWM信号，使IGBT关断，起到保护作用。

原理：

是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM波。

Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器MC14528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波。

控制原理图如图3.1所示

芯片ICL8038的引脚结构图如图3.2所示。

其主要特点如下：

（1）具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm/℃。

（2）正弦波输出具有低于1%的失真度。

（3）三角波输出具有0．1%高线性度。

（4）具有0.001Hz～1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽。

（5）占空比2%～98%之间任意可调。

（6）高的电平输出范围；从TTL电平至28V。

（7）具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出。

（8）易于使用，只需要很少的外部条件。

图3.1控制电路

图3.2芯片ICL8038的引脚结构图

Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波，作为主电路中两对开关管IGBT的控制信号。

触发器CD4528的引脚结构图如图3.3所示。

控制电路还设置了过流保护接口端STOP，当有过流信号时，STOP呈低电平，经与门输出低电平，封锁了两路SPWM信号，使IGBT关断，起到保护作用。

STOP信号是通过双D触发器CD4013来产生的。

具体双D触发器CD4013的结构引脚图如图3.4所示。

图3.3触发器CD4528的引脚结构图

图3.4双D触发器CD4013的引脚结构图

五、驱动电路设计

驱动电路作为控制电路和主电路的中间环节，其主要任务是将控制电路产生的控制器件的SPWM信号转化为器件的驱动信号，它可以完成电气隔离的功能。

驱动电路原理图如图2.6所示。

图2.6驱动电路

六、保护电路设计

1、本设计中使用了目前广泛应用的集成驱动芯片M57962L。

其引脚结构图如图5.1所示。

它可以完成以下功能：

（1）电气隔离：

全桥电路的4个管子的驱动信号并不都是共地的，为此需要将控制信号进行隔离。

另外，控制电路的电压等级低，而主电路电压等级高，为了避免干扰，也必须进行电气隔离。

（2）波形整形：

将控制电路产生的信号转化为控制IGBT通断所需要的合适的驱动信号。

（3）保护：

具有过载保护功能，防止过流、短路的损坏器件。

2、此外整个电路需要辅助的电源，故需要通过降压、整流、滤波、稳压得到稳定的正负5V和正负15V电压。

在交流电源转换直流电源后，电路会有电压波动，为抑制电压的波动，采用简单的电容滤波。

整流滤波后一般都是有单独的整流稳压模块来稳压，本设计采用了目前广泛应用的LM7805CT、LM7815CT、LM7905CT、LM7915CT稳压模块。

电路如图5.2所示。

图5.2辅助电源电路

七、总结及心得体会

1、总结：

单相交直交变频电路由两部分组成，交流变直流（Ui—Ud）为整流部分，采用不可控的二极管整流电路，直流侧用电容和电感进行滤波，可得到平直的中间直流电压。

此部分结构简单、工作可靠，其性能满足实验的需要。

直流变交流（Ud—Uo）为逆变部分，采用单相桥式逆变电路，PWM控制，输出电压的大小及频率均可通过PWM控制进行调节。

由于中间直流环节为电容滤波，因此选用电压型逆变电路。

PWM控制技术，即脉冲宽度调制技术，是通过对脉冲的宽度进行调制，来等效的获得需要的波形。

PWM控制在逆变电路中的应用最为广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM控制技术。

PWM控制技术对逆变电路的影响十分深刻。

PWM控制的方法可分为三类，即计算法、调制法和跟踪控制法。

其中，调制法是较为常用的也是基本的一类方法，而调制法中最基本的是利用三角载波与正弦信号波进行比较的调制方法，分为单极性调制和双极性调制。

本实验采用的单相桥式逆变电路既可以采用单极性调制，也可以采用双极性调制。

在本实验装置中，采用了双极性PWM调制技术。

采用双极性PWM调制技术时，以希望得到的交流正弦输出波形作为信号波，采用三角波作为载波，将信号波与载波进行比较，在信号波与载波的交点时刻控制各开关的通断。

2、心得体会：

一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。

学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础.

八、参考文献

（1）王兆安主编.电力电子技术.第五版.机械工业出版社,2009.5

（2）康华光主编.模拟电子技术基础.高等教育出版社,2006.1

（3）陈国呈主编.PWM逆变技术及应用.中国电力出版社.2007.7

（4）王水平等编.PWM控制与驱动器使用指南及应用电路：

SPWMPFC和IGBT控制与驱动器部分.西安电子科技大学出版社.2005.5

（5）周志敏.IGBT驱动与保护电路设计及应用电路实例.机械工业出版社.2011.10

（6）王渊峰主编.AltiumDesigner10电路设计标准教程.科学出版社,2012.1

（7）陈怀琛等编著.MATLAB及在电子信息课程中的应用.第三版.电子工业出版社,2012.7

九、电路路原理图

图1、主电路图

图2、控制电路图

图3、驱动电路

图4、保护电路

十、仿真图

单相整流—逆变电路的仿真模型如下图2.9所示，由图可知，单相220V/50Hz交流电源经单相不可控整流环节，进行LC滤波后即为中间直流环节。

再进入PWM逆变，又一次LC滤波后，形成所需的交流信号。

图10.1仿真原理图

运用MATLAB对交流电源与经过桥式整流之后的电压信号进行了仿真

图10.2整流滤波输出电压图

由图2.10可以看出整流输出的是脉动的直流电压波形，通过滤波电路，将其变成纹波较小的直流电压。

由于输出电压由开关管的开通与关断频率决定，所以输出电压为无数的宽度极小的矩形波组成，在MATLAB中，逆变电路输出电压频率有PWM脉冲触发器参数设置。

由图10.2可知，输出电压频率为400Hz的交流电压，波形与理论分析结果一致，可得，此交流变换器，即交流变频仿真得到了正确的结果。

图10.3逆变输出电压