单相交直交变频电路设计.doc

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武汉理工大学基础强化训练

附件1：

学号：

0121011350327

基础强化训练

题目

单相交直交变频电路性能研究

学院

自动化学院

专业

班级

姓名

指导教师

2012

年

7

月

10

日

1总体原理图 3

1.1方框图 4

1.2电路原理图 4

1.2.1主回路电路原理图 4

1.2.2整流电路 4

1.2.3滤波电路 5

1.2.4逆变电路 6

2电路组成 8

2.1控制电路 8

2.2驱动电路 9

2.3主电路 10

3仿真结果 11

3.1仿真环境 11

3.2仿真模型使用模块提取的路径及其单数设置 11

3.3具体仿真结果 14

3.3.1仿真电路图 14

3.3.2整流滤波输出电压计算与仿真 15

3.3.3逆变输出电压计算与仿真 16

4小结心得 18

5参考文献 19

基础强化训练任务书

学生姓名：

专业班级：

指导教师：

工作单位：

题目:

单相交直交变频电路性能研究

初始条件：

输入为单相交流电源，有效值220V。

要求完成的主要任务:

（1）掌握单相交直交变频电路的原理；

（2）设计出系统结构图，并采用matlab对单相交流调压电路进行仿真；

（3）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

时间安排：

2012年7月9日至2012年7月13日，历时一周，具体进度安排见下表

具体时间

设计内容

7.9

指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求

7.10

开始查阅资料，完成方案的初步设计

7.11

由指导老师审核系统结构图，学生修改、完善

7.12

撰写课程设计说明书

7.13

上交课程设计说明书，并进行答辩

参考文献：

[1]王兆安，刘进军.《电力电子技术》第5版.北京：

机械工业出版社，2011

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

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6PWM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

3仿真结果

3.1仿真环境

本次设计中用Altiumdesigner画出原理图，仿真则主要用Matlab软件来仿真，用示波器观察整流和逆变的输出波形图，评估整个系统的功能。

3.2仿真模型使用模块提取的路径及其单数设置

离散PWM发生器模块DiscretePWMGenerator提取路径是：

Simulink\SimPowerSystems\PowerElectronics\DiscreteControlBlocks\DiscretePWMGenerator信号终结模块Terminator提取路径是:

Simulink\CommonlyUsedBlocks\Terminator交流电源模块:

“Phase”初相角0°,“Frequency”频率50Hz,“Sampletime”采样时间0（默认值0表示该交流电源为连续源）,“Peakamplitude”当变频输出频率为100Hz时置为600V×2,当变频输出频率为50Hz时置为50V×2。

滤波电感L1：

选SeriesRLCBranch模块，将参数“Inductance（H）”置为80e-3。