三相交流变换器装置设计Word文档下载推荐.doc

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3、完成总电路设计

时间安排：

课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。

第一阶段：

复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。

第二阶段：

根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。

约占总时间的40%。

第三阶段：

完成设计和文档整理，约占总时间的40%。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

、

目录

摘要 1

1方案的论证 2

1.1总体原理图 2

1.2三相整流电路方案 3

1.3单相逆变电路方案 4

1.4滤波电路方案 4

1.5控制电路方案 5

2电路设计 6

2.1主电路设计 6

2.1.1主电路组成 6

2.1.2主电路参数计算 6

2.1.3器件选择 7

2.2驱动电路设计 8

2.2.1芯片M57962L介绍 8

2.2.2驱动电路 9

2.3控制电路设计 10

2.3.1芯片ICL8038介绍 10

2.3.2芯片ICL8038输出频率的计算 12

2.3.3控制电路设计 13

3电路仿真验证 16

3.1仿真电路 16

3.2仿真波形 17

4设计小结 18

参考文献 19

附录：

考虑死区时间的控制电路 20

三相交流变换器装置设计

摘要

近年来，随着各行各业的技术水平和操作性能的提高，它们对电源品质的要求也在不断提高。

为了高质量和有效地使用电能，许多行业的用电设备都不是直接使用交流电网提供的交流电作为电能源，而是根据用电设备的要求采用电力电子技术对电能进行变换，从而得到各自所需的电能形式。

而实现这一功能的装置就是交流变换器。

交-直-交变频是目前交流变换器的主要形式，它与交-交变频器相比，最主要的优点是输出功率不再受输入电源频率制约。

本文所研究的交流变换器装置即采用交-直-交变频形式。

按照电压、频率的控制方式，交-直-交变频器一种主要结构是采用二极管全桥不控整流器整流、脉宽调制型（PWM）逆变器同时实现调压调频方式。

此时不可控整流提高了装置输入功率因数，减小了对电网的谐波污染，又因采用高开关频率的逆变器，输出谐波很小，性能优良。

采用二极管不可控整流，以提高网侧电压功率因数，整流所得直流电压用大电容稳压，为逆变器提供直流电压，再经过逆变器，输出可变幅值可变频率的信号。

本次设计所研究的交流变频器可以分为五个功能模块：

整流电路、逆变电路、输出滤波器、控制电路和驱动电路；

其中整流电路、逆变电路、输出滤波器构成主电路。

整流电路是一个三相AC/DC变换电路，是三相桥式不控整流电路，功能是把380V/50Hz的交流电源进行整流滤波后转换成稳定直流电源供给逆变电路。

逆变电路是该电源的关键电路，采用单相电压型全桥逆变电路，其功能是实现DC/AC的功率变换，即在在控制电路的控制下把直流电源转换成单相SPWM波形供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。

功率级采用全桥逆变结构，电源利用率高，整机工作效率高。

滤波电路是用来滤除干扰和无用信号，使输出为标准正弦波。

控制电路用于产生SPWM控制信号，采用双极性SPWM控制方式，还具有相关的过流，过压保护等功能，并考虑到死区时间。

驱动电路的作用是增强驱动能力，驱动IGBT组成的H桥，同时浮置电源偏移电压，起到隔离作用。

关键词：

交-直-交变频器三相桥式不控整流电路单相电压型全桥逆变电路

双极性SPWM控制电路LC低通滤波器

1方案的论证

1.1总体原理图

根据设计要求，本次设计要采用两级变换：

AC/DC,DC/AC，即需先采用AC/DC的三相整流电路,将380V/50Hz的三相输入交流电变成单相直流电，再采用DC/AC的单相逆变电路，把直流电变成单相交流电输出。

总体的结构框图如图1-1所示：

图1-1总体结构框图

根据以上框图可以确定总体的交直交变频器电路。

间接交流变流电路由整流电路、中间直流电流和逆变电路构成。

图2所示的是不能再生反馈的电压型间接交流变流电路。

整流电路将380V/50Hz的交流变换成直流。

中间直流电流对直流进行滤波处理，必要时进行升压斩波，以提高逆变后能输出交流的最大幅值。

逆变电路的功能是将直流逆变为所需频率和幅值的交流，主要是应用SPWM技术控制逆变桥，产生交流电。

该方案电路具有功率因数高、对电网污染小等优点。

本文中采用这种间接变换电路实现题目要求。

图1-2不能再生反馈的电压型间接交流变流电路

1.2三相整流电路方案

对于不能再生反馈的电压型间接交流变流电路，整流电路部分采用不可控整流，她和电容器之间的直流电压和直流电流极性不变，只能由电源向直流电路输送功率。

所以整流电路部分的设计有以下两种方案：

方案1：

三相半波不控整流电路：

相当于三相半波可控整流电路在控制角时的情形。

当且带阻性负载时，输出电压和输出电流的波形是连续的，每个晶闸管按相序依次被触发导通，同时关断前面已经导通的晶闸管，每个晶闸管导通，晶闸管承受的最大反向电压为线电压的峰值，而承受的最大正向电压为相电压的峰值；

当带阻感性负载时，输出电压和输出电流都是连续的，晶闸管能承受的最大正反向电压均为变压器二次线电压的峰值。

此电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，其应用较少。

方案2：

三相桥式不控整流电路：

即三相桥式全控整流电路在控制角时的情形。

该整流电路由一组共阴极和一组共阳极电路串联而成。

三相桥式的整流电压为三相半波的两倍。

三相桥式整流电路在任何时候都有两个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组，一个是共阳极组，它们同时导通，形成导电回路。

晶闸管承受的最大正反向电压与方案1相同。

以上两种方案中方案2整流输出电压更高，纹波电压更小且不存在断续现象，同时电源变压器能一直供电给负载，得到了充分的利用，效率高，而且对晶闸管的要求低，可减少功率损耗，提高利用率，因此选用方案2。

三相桥式全控整流电路示意图如图1-3：

图1-3三相桥式全控整流电路示意图

实际上将图1-3中的晶闸管全部换成电力二极管即可得到三相桥式不控电路。

1.3单相逆变电路方案

在交-直-交变流器中,逆变电路是核心部件之一，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。

逆变电路部分的设计有以下两种方案：

单相电压型全桥逆变电路。

此电路直流侧为电压源或并联有大电容，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗，而且由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波。

此逆变电路工作时，输出电流幅值等于输入电流的方波电流。

单相电流型全桥逆变电路。

此电路直流侧为电流源或串有大电感，直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗，而且电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通途径，因而交流侧输出电流波形为矩形波。

此逆变电路工作时，输出电压幅值等于输入电压的方波电压。

以上两种方案中，方案1采用的是全控器件IGBT，便于控制；

而方案2采用的半控型器件晶闸管，可能会出现换相失败等情况而导致逆变失败。

因为选择方案1，即采用单相电压型全桥逆变电路。

单相电压型全桥逆变电路示意图如图1-4所示：

图1-4单相电压型全桥逆变电路示意图

1.4滤波电路方案

滤波电路常用于滤去整流输出电压和逆变输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，可以采用负载两端并联电容器C的方式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。

简单的电容滤波可以抑制电路中电压的波动。

而在负载上串联一个比较大的电感器即采用电感滤波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。

1.5控制电路方案

在本次设计的交-直-交三相交流变换器中，由于整流电路采用不可控的电路，所以控制电路是用于控制单相全桥逆变电路中全控型器件IGBT的触发信号，为了能产生预期的单相输出电压，可采用SPWM控制技术来对脉冲的宽度进行调制，从而获得等效的正弦波形。

SPWM控制的原理是在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。

当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小。

本次设计采用双极性PWM控制方式，其主要特点如下：

（1）概念：

如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波不再是单极性的，也在正负极性间变化，叫做双极性控制方式。

（2）调制波与载波：

如图7，调制波仍为正弦波，其周期决定于需要的调频比Kf，振幅决定于需要的调压比Ku；

载波为双极性的等腰三角波，其周期决定于载波的频率，振幅不变，等于Ku=1时正弦调制波的振幅值。

调制波与载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲序列，此脉冲序列也是双极性的。

图1-5双极性SPWM控制方式波形

2电路设计

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主电路设计

2.1.1主电路组成

三相交流变换器主电路如图6所示，主电路的主要组成分是三相桥式不控整流电路、单相电压型全桥逆变电路、滤波电路。

图2-1三相交流变换器主电路

2.1.2主电路参数计算

根据要求输入电压为三相380V/50Hz，输出为单相220V/400Hz，对功率、电流等没有明确要求，假设功率为2KW、电流等级为中等，用AC-DC-AC方案，在整流输出过程中电压的频率基本不会发生变化

三相桥式整流输出电压：

（2-1）

根据公式计算，输出电压的幅值为：

（2-2）

三相交流输入经不可控整流和大电容滤波后，整流电压平均值为相电压的2.34～2.45倍，直流电压变化范围为514.8V～537.5V。

采用全桥逆变主电路结构和SPWM硬调制方式，逆变桥在最坏情况下，输出的最大电压基本有效值为：

（2-3）

如果考虑死区、开关管等引起的电压降为10%，则可得到。

改变调制比时，可满足输出电压要求，由于没有特殊要求，所以不使用隔离变压器。

2.1.3器件选择

（1）开关器件

开关管额定电压为：

（2-4）

所以应该选用额定电压1200VMOSFET。

最大输出情况下，电流有效值为:

（2-5）

开关管额定电流:

（2-6）

考虑过电流情况，因此选用额