单相交直交变频电路设计-电力电子技术课程设计.doc

课程设计名称： 电力电子技术课程设计

题 目： 单相交直交变频电路设计

  学 期：2015-2016学年第1学期
专 业： 自中职
班 级： 13-2班
姓 名： 赵鸿伟
学 号： 1326560223
指导教师 ： 王巍

辽宁工程技术大学
课程设计成绩评定表  

评

定

标

准
评定指标
标准
评定
合格
不合格
单元电路及
整体设计方案
合理性

正确性

创新性

仿真或实践
是否进行仿真
或实践

技术指标或性能符合设计要求

有完成结果

设计报告
格式正确

内容充实

语言流畅

标准说明：以上三大项指标中，每大项中有两小 项或三小项合格，视为总成绩合格。
总成绩

日期
年 月 日
课程设计任务书

一、设计题目
单相交直交变频电路设计
二、设计任务
1、掌握单相交直交变频电路的原理；

2、采用protel设计出单相交直交变频电路主电路、驱动电路、控制电路；

三、设计计划
电力电子技术课程设计共1周。
第1天：选题，查资料；
第2天：方案分析比较，确定设计方案；
第3～4天：电路原理设计与电路仿真；
第5天：编写整理设计报告书。
四、设计要求
1. 画出整体电路图。
2. 对所设计的电路全部或部分进行仿真，使之达到设计任务要求。
3. 写出符合设计格式要求的设计报告书。

指导教师：王巍
时 间：2015年12月30日

赵鸿伟：交直交变频电路设计

摘要
随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的快速发展，单相交-直-交变频系统也得到了迅速发展，它显著的变频能力，广泛的应用范围，完善的保护效力，和易于实现的变频功能，获到了广大使用者的认可，在运行的安全可靠、安装使用以及维修维护等方面，也给使用者带来了极大的益处。
课题研究的单相交-直-交变频电路设计主要分为主电路和控制电路两部分，其中主电路还分为整流电路、滤波电路和单相桥式PWM逆变电路，而逆变部分则需要用到控制电路，控制电路分为控制电路、驱动电路和保护电路。课题的整流部分选用不可控的桥式整流电路；滤波部分则选用LC低通滤波，活的高频率的交流正弦波输出；逆变部分选用四个IGBT管组成的单相桥式逆变电路。控制电路主要以单片集成函数发生器ICL8038为核心设计的，生成两路PWM信号用来分别控制两队IGBT管。用MATLAB软件仿真出设计的电路，其中对纯电阻负载以及电阻电感负载分别进行数据和波形的分析，并采取相关措施使最后输出的波形接近正弦波。
关键词：整波；滤波；逆变；IGBT；PWM；MATLAB

目录
1总体原理图 1
1.1 方框图 1
1.2 电路原理图 1
1.2.1 主回路电路原理图 1
1.2.2 整流电路 1
1.2.3 滤波电路 2
1.2.4 逆变电路 3
2 电路组成 5
2.1 控制电路 5
2.2 驱动电路 6
2.3 主电路 7
小结心得 9
参考文献 10

1 总体原理图
1.1 方框图
整流器
滤波器
逆变器
DC
DC
交流输入
交流输出
辅助电源
PWM波形

图1 总体方框图
1.2 电路原理图
1.2.1 主回路电路原理图

图2 主回路原理图

如图所示，交直流变换电路为不可控整流电路，输入的交流电通过变压器和桥式整流电路转化为直流电，滤波电路用电感和电容滤波，逆变部分采用四只IGBT管组成单项桥式逆变电路，采用双极性调制方式，输出经LC低通滤波器滤波，滤除高次谐波，得到频率可调的交流电输出。
1.2.2 整流电路
整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成，滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分，变压器设置与否视具体情况而定。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。
此外整个电路需要辅助的正负5V的电源，故通过降压，整流，滤波，稳压得到稳定的正负5V电压。
电路如下：
图3 整流滤波电路和辅助电源
1.2.3 滤波电路
滤波电路的原理及作用：滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。
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。当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大，在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在RL>>ωL时才能获得较好的滤波效果。L愈大，滤波效果愈好。另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近π，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。
1.2.4 逆变电路
逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压装换为所要频率的交流电压，逆变电路是与整流电路相对应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路。逆变电路是通用变频器核心部件之一，起着非常重要的作用。它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，将直流电能变换为交流电能的变换电路。
本方案中的逆变部分,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。电路如下：

图4 主电路
A 变频器的工作原理
以单相桥式逆变电路为例，S1-S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。用可控开通，可控关断的电力电子开关，切换电流方向，将直流电能转换成交流电能。

图5 开关示意图
S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正
S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负
B 脉宽调制原理
脉宽调制技术：通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。
PWM 控制的方法可分为3三类，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。以下是双极性PWM 调制的原理。
双极性PWM 控制原理示意图如下图所示。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。在信号波的一个周期内，载波有正有负，调制出来的输出波形也是有正有负，其输出波形有±Ud 两种电平。用ur 表示信号波， uc 表示载波。当ur > uc 时，给V1 、V4 施加开通驱动信号，给V2 、V3 施加关断驱动信号，此时如果io > 0 则V1 、V4 开通，如果io < 0则VD1 、VD4 开通,但输出电压均为uo = Ud 。反之,则V2 、V3 或VD2 、VD3 开通，uo = -Ud 。图中,uof 是输出电压uo 的基波分量。

图6 PWM调制示意图
2 电路组成
采用SPWM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。设计电路由三部分组成：即主电路, 驱动电路和控制电路。交直流变换部分（AC/DC）为不可控整流电路；逆变部分（DC/AC）由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路，采用双极性调制方式。输出经LC低通滤波器，滤除高次谐波，得到高频率的正弦波（基波）交流输出 。
2.1 控制电路
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。

图7 控制电路
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。
2.2 驱动电路
驱动电路作为控制电路和主电路的中间环节。主要任务是将控制电路产生的控制器件通断的信号转化为器件的驱动信号。它可以完成电气隔离的功能，由于全桥电路的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。
本实验中使用了目前广泛应用的一种集成驱动芯片IR2110。IR2110驱动功率器件，采用自举驱动方式，悬浮沟道设计使其能驱动母线电压小于600V的功率管。它可以仅用一个供电电源来实现对全桥电路4个管子的驱动，避免了以往桥式驱动中多独立电源的麻烦，还可以和主电路共地。 由于MOS管通常导通时间要小于截止时间，这样在交替导通的瞬间往往容易发生桥路短路现象，改进的办法是在驱动臂上并联二极管1N4148来加速电流回吸，以起到加速截止的作用，使MOS管的截止加快。电路如下：

图8 驱动电路
2.3 主电路
采用单相桥式逆变电路,共用到4 个开关器件,采用了目前应用最多的全控型电力电子器件之一的IGBT。
在电路中，为了防止MOS管在开关的瞬间，尖锋电压导致MOS管被击穿，在桥路中加入了起缓冲嵌位作用的二极管，电阻和电容。电路如下：

图9 主回路电路

图10 整流滤波输出电压图

小结心得
通过一个星期的查阅资料，仿真实验使我认识到必需加强对知识的理解，不能停留在肤浅的了解阶段，这次基础强化训练使我获得了十分宝贵的经验，对于将来的我来说一定是非常巨大的财富。这次基础强化训练让我有机会学习书本上没有的知识，增长了我的见识。同时，这次基础强化训练，也使我体会到了实践精神的重要性，理论上的成立还要实践来检验是否符合实际，只有把理论和实际结合起来才能 有真正的收获。
此外，这次的基础强化训练，使我对团结合作有了更深的理解，在做仿真实验时，大家在一起讨论，加深了我们对理论知识的理解，能够迅速解决问题，我们因此认识到团队合作的精神尤为重要。

参考文献

【1】高吉祥. 模拟电子线路设计 北京：电子工业出版社，2007．
【2】曾素琼. EDA技术在数字电路设计中的探讨 成都：实验科学与技术，2005.
【3】赵景波. MATLAB控制系统仿真与设计 北京:机械工业出版社，2010.
【4】杨荫福. 电力电子装置与系统 北京：清华大学出版社，2006.
【5】金海明. 电力电子技术 北京：北京邮电大学出版社，2005.
【6】黄智伟．全国大学生电子设计竞赛系统设计 北京：北京航空航天大学出版社，2005.
【7】王兆安 刘进军. 电力电子技术 第5版 北京：机械工业出版社，2009.

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