电力电子逆变器课程设计.docx
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电力电子逆变器课程设计
电力电子技术课程设计报告
400Hz10kw中频电源设计
电力电子技术课程设计任务书
一、课程设计的教学目的和任务
电力电子技术是研究利用电力电子器件、电路理论和控制技术，实现对电能的控制、变换和传输的科学，其在电力、工业、交通、通信、航空航天等很多领域具有广泛的应用。
电力电子技术不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术发展的基础。
因此，提高学生的电力电子领域综合设计和综合应用能力是教学计划中必不可少的重要一环。
通过电力电子技术的课程设计达到以下几个目的：
1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Intel网检索需要的文献资料。
2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。
3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。
4、提高学生的电力电子装置分析和设计能力。
5、提高学生课程设计报告撰写水平。
二、课程设计的基本要求
1.教师确定方向，在教师的指导下，学生自立题目
注意事项：
①所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计，题目难度和工作量要适应在一周内完成，题目要结合工程实际。
学生也可以选择规定题目方向外的其他电力电子装置设计，如开关电源、镇流器、UPS电源等，但不允许选择其他班题目方向的内容设计（复合变换除外）。
②通过图书馆和Intel网广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计题目。
自立题目后，首先要明确自己课程设计的设计内容。
要给出所要设计装置（或电路）的主要技术数据（如输入技术数据，输出技术数据，装置容量的大小以及装置要具有哪些功能）。
如：
直流电动机调压调速可控整流电源设计
首先阐述清楚调压调速可控整流电源要完成的功能
然后给出主要技术数据
输入交流电源：
三相380V
10%f=50Hz
直流输出电压：
0~220V
50~220V范围内，直流输出电流额定值100A
直流输出电流连续的最小值为10A
设计内容：
整流电路的选择（方案的论证）
整流变压器额定参数的计算
晶闸管电流、电压额定的选择
平波电抗器电感值的计算（主要参数计算）
保护电路的设计
触发电路的设计
画出完整的主电路原理图和控制电路原理图
列出主电路和控制电路所用元器件的明细表
2.在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力。
要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。
具体电路元器件的选择应有计算和说明。
课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过刨析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。
课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。
（注意：
所确定的主电路方案如果没有论证说明，成绩不能得优；设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引注，否则也不能得优）。
3.在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力。
要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路和控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型），严禁抄袭。
4.课题设计的主要内容是主电路的设计，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。
5.课题设计报告要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。
6.课题设计报告字数要求为6000字左右。
（A4纸打印8页左右）
三、课程设计的工作计划
课程设计时间6天。
第1天上午，指导教师向学生讲授课程设计的目的、任务、设计方法和注意事项。
第1天下午和第2天学生到图书馆和Intel网上按照指导教师的要求查找所需要的文献，并在阅读分析中确定自己的研究题目、技术数据和设计内容，交指导教师审阅。
第3天学生的主要任务是确定方案。
第4天至第6天，学生的任务是综合所学知识，进行主电路和控制电路的设计，在老师指导下撰写课程设计报告。
四、各班的题目方向
1班题目方向：
相控整流技术的工程应用
2班题目方向：
交流调压或调功技术的工程应用
3班题目方向：
斩波技术的工程应用
4班题目方向：
无源逆变技术的工程应用
注：
星期五检查所有学生课程设计报告的题目和规范性，指出修改内容。
17周星期一提交所有毕业设计打印报告和电子档（要求同时提交参考文献中小论文和硕士论文的电子档）
目录
1引言
2中频电源设计的基本要求
2.1主要技术数据
2.2设计内容
2.3主要用途及功能介绍
3设计思想及内容
3.1设计思想及工作原理
3.2整流电路设计及参数计算
3.3逆变电路设计及参数计算
3.4保护电路设计及参数计算
4驱动电路设计
4.1整流驱动电路
4.2你变驱动电路
5主电路原理图
6课程设计总结
7参考文献
1引言
随着现代科学技术的发展，对机械零件的性能和可靠性要求越来越高，金属零件的性能和质量除材料成分特新外，更与其加热技术密不可分。
例如，加热速度的快慢不仅影响生产效率而且影响产品的氧化程度，局部温度过冷或过热可能导致产品变形甚至损坏等。
由于感应加热具有热效率高，便于控制等优点，目前在金属材料加工，处理等方面得到广泛应用。
金属感应热处理中的加热目标是将金属加热到特定温度分布，比如热轧，不仅要求表面达到一定的温度，而且要求工件加热温度均匀，即工件径向与轴向温差小。
在此特定温度下进行轧制既能保证能源的合理利用，又能使轧制力在正常范围内以方便轧制。
又如在淬火加热中，除了表面温度要求外，对加热层厚度也有不同要求。
所有这些都要求加热功率、加热时间等工艺参数选择合理。
而在实际生产中，生产过程的复杂性以及人工控制的不精确性和随机性，可能就会产生两种不希望出现的情况：
一是加热功率过大，加热时间过短。
虽然钢坯的表面温度已达到要求，但钢坯内部却没达到工艺温度分布要求，将会影响后续工艺。
二是加热功率过小，加热时间过长。
这种情况不仅会增加氧化皮含量，而且浪费能源。
在能源价格日益上涨和能源危机日趋严重情况下，应尽可能避免这种现象发生，以节约能源。
同时加热时间过长也会降低工厂的生产率，增加产品的成本。
由于工业用电的频率和稳定性上达不到要求，因此需要通过电力电子技术得到合适稳定的电源。
中频电源在这个方面使用也较多，因此获得稳定的中频电源对于提高工厂效率，节约能源显得贴别重要。
同时获得稳定的频率的电源还有助于提高产品的品质，提高工艺，能够生产出更高要求的材料。
2中频电源设计的基本要求
2.1主要技术数据
（1）额定中频电源输出功率PH=10kW，极限中频电源输出功率PHM=1.1PH=11kW；
（2）电源额定频率f=400Hz；
（3）逆变电路效率=95%；
（4）逆变电路功率因数：
cos=0.81，=36º；
（5）整流电路最小控制角min=15º；
（6）无整流变压器，电网线电压UL=380V；
（7）电网波动系数A=0.95~1.10。
2.2设计内容
晶体管、电容参数的选择
主电路设计
整流电路设计
逆变电路设计
保护电路设计
2.3主要用途及功能介绍
中频电源是对各种负载适应力强、适用范围广，主要应用于各种金属的熔炼、保温、烧结、焊接、淬火、回火、透热、金属液净化、热处理、弯管、以及晶体生长等。
具有明显的节能效果，而且对于电网的污染小。
也不需要分辨A,B,C相序，调试方便等特点
中频电源并不是严格意义上的电源，而是一种变频装置。
通过这个装置把工频电源变成我们寻妖的中频电源，基本工作方式是，就是通过二个三相桥式整流电路，把50Hz的工频交流电流整流成直流再经过二个滤波器（直流电抗器）进行滤波，最后由逆变器将直流变为单相中频交流电供给负载。
在本次课程在本次课程设计中不仅要求对主电路的设计，还需要认真设计驱动电路和保护电路，同时要求我们在一个实际背景下完成这个设计，因此需要合理确定各个性能指标参数，并且还需要我们参阅大量资料。
3设计思想及内容
3.1设计思想及工作原理
中频电源的工作原理为：
采用三相桥式全控整流电路将交流电整流为直流电，经电抗器平波后，成为一个恒定的直流电流源，再经单相逆变桥，把直流电流逆变成一定频率的单相中频电流。
负载由感应线圈和补偿电容器组成，连接成并联谐振电路。
所以中频电源装置就是交流电-直流电-交流电-负载。
中频电源主要由整流电路，逆变电路和保护电路组成，以下就对这几个主要部分机型设计，以及电路参数的计算。
3.2整流电路设计及参数计算
1.整流电路的选择：
本设计不用整流变压器而直接由380V三相交流接入再整流为直流电源。
常用的三相可控整流的电路有：
三相半波，三相半控桥，三相全控桥，双反星形等。
三相全控桥整流电压脉动小，脉动频率高，基波频率为300Hz，所以串入的平波电抗器电感量小，动态响应快，系统调整及时，并且三相全控桥电路可以实现有源逆变，把能量回送电网或者采用触发脉冲快速后移至逆变区，使电路瞬间进入有源逆变状态进行过电流保护。
三相全控桥式可控整流电路与三相半波电路相比，若要求输出电压相同，则三相桥式整流电路对晶闸管最大正反向电电压的要求降低一半；若输入电压相同，则输出电压比三相半波可控整流是高一倍。
而且三相全控桥式可控整流电路在一个周期中变压器绕组不但提高了导电时间，而且也无直流流过，克服了三相半波可控整流电路存在直流磁化和变压器利用率低的缺点。
从以上比较中可看到：
三相桥是可控整流电路从技术性能和经济性能两方面综合指标考虑比其他可控整流电路有优势，故本次设计确定选择三相桥式可控的整流电路。
因为电源额定频率f为1KHZ,所以三相桥式可控整流电路中的晶闸管选择快速晶闸管。
2.整流侧参数计算
（1）直流侧最大输出功率：
Pdm=
=1.1
=1.1×
=11.58Kw
（2）整流侧输出电压：
Ud=1.35ULcos=1.35×380×cos15°=495.52V
（3）整流侧输出电流：
Id=
=11.58×
=23.37A
（4）晶闸管额定电压：
UTN=（1+10%）×380×
×2=1182.28V
（5）晶闸管额定电流：
ITN=2×
×
=17.19A
3.整流侧电路图：
三相桥式全控整流电路是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联，在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导通回路，其中一个晶闸管是共阴极组，另一个晶闸管是共阳极组。
六个晶闸管导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，每隔60°一个晶闸管换相。
为了保证在任意时刻都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为60°。
电路图如下：
3.3逆变电路设计及参数计算
1逆变电路的选择
逆变电路也称逆变器，它与整流相对应，把直流电变成交流电，本次设计采用电流型逆变电路，主要由滤波电容、晶闸管、换相电容、换
相电感组成。
整流电路的输出电压作为逆变电路的直流侧输入电压，且本次设计不考虑换相过程。
整流之后的直流电压相当于逆变电路的电源，经过大电感的滤波，使得流经电路的电流的方向不变，大小恒定。
因为电感反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不需要并联反馈二极管。
2逆变侧参数计算：
（1）直流电压：
因为整流电路的输出电压为逆变电路的直流电压，所以
Ud=495.52V
（2）负载两端基波电压有效值：
Uo=1.11
=679.05V
（3）负载电流基波有效值：
Io=0.9Id=21.03A
（4）晶闸管额定电压：
UTN=2×
Uo=2×
×679.05=1920.35V
（5）晶闸管额定电流：
ITN=2×
=2×
=21.05A
2.逆变侧电路图
3.4保护电路设计及参数计算
由于晶闸管中频电源装置的工作受供电电网及负载的影响较大，而且晶闸管元件的超载能力又较小，故要使电路可靠工作，必须要有完善的保护措施。
当整流桥输出失控或逆变桥输出发生短路以及外界的其他因素，会使电路中的电压和电流在极短时间内上升到极大值，，故需要设计过电压过电流保护电路。
消除过电压现象通常可以采用阻容吸收电路，其实
质是将引起过电压的磁场能量变成电场能量储存在电容器中，然后电容器通过电阻放电，把能量逐渐消耗在电阻中。
1.整流侧晶闸管过电压保护：
（1）RC吸收电路电容：
Cs=（2.5~5）×10-3×IT（AV）=2.5×10-3×ITN=0.053µF
Cs的交流耐压：
Ucsm=1.5UTN=1773.15V
（2）RC吸收电路电阻：
Rs=10~30（）
电阻的功率:
PR=fC（Um）2×10-6=1000×0.19×（2.45×Ud）2×10-6=279.3W
2.逆变侧晶闸管过电压保护：
（1）RC吸收电路电容：
Cs=（2.5~5）×10-3×ITN=2.5×10-3×210.52=0.053F
（2）RC吸收电路电阻：
Rs=10~30（）
电阻的功率:
PR=fC（Um）2×10-6=1000×0.29×（
×Ud）2×10-6=142.1W
4驱动电路设计
4.1整流驱动电路
触发电压的形成用KJ004芯片完成。
KJ004电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。
触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大，R7和C2形成微分电路,改变R7和C2的值可以获得不同的脉冲输出。
双脉冲信号的形成与控制用KJ041六路双脉冲形成器完成，KJ041是三相全控桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。
实用块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。
（1）假设在t1时刻15脚管开始给VT1晶闸管输送脉冲信号，则经过60度后14脚管开始给VT2晶闸管双脉冲信号，即只有15脚管和14脚管有信号输出，其他脚管没信号输出，则此时VT1和VT2同时导通；
（2）再过60度后，15脚管停止输出信号，而13脚管开始给VT3输出信号，即只有14脚管和13脚管有信号输出，其他脚管没信号输出，此时VT2和VT3同时导通；
（3）再过60度后，14脚管停止输出信号，而12脚管开始给VT4输出信号，即只有13脚管和12脚管有信号输出，其他脚管没有输出信号，此时VT3和VT4同时导通；
（4）再过60度后，13脚管停止输出信号，而11脚管开始给VT5输出信号，即只有12脚管和11脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT4和VT5同时导通；
（5）再过60度后，12脚管停止输出信号，而10脚管开始给VT6输出信号，即只有11脚管和10脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT5和VT6同时导通；
（6）再过60度后，11脚管停止输出信号，而15脚管开始给VT1输出信号，即只有10脚管和15脚管有信号输出，其他脚管没有信号输出，此时VT6和VT1同时导通；
驱动电路电路图
4.2你变驱动电路
集成脉宽调制器SG3525A是美国硅通用公司（SiliconGeneral）生产的双端输出式脉宽调制器，工作频率高于100kHz,工作温度为0℃～70℃,适宜构成100W～500W中功率推挽输出式开关电源。
SG3525A是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。
在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。
由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。
驱动电路电路图
5主电路原理图
6课程设计总结
通过本次课程设计对自己所学的知识有了一定的巩固。
通过查找资料，对逆变技术的应用有了一定的了解，如车载电源，ups等。
而这些应用都有一个共同点就是将直流电源变换成自己所需要的频率和大小，并输出出来。
通过设计这个小功率移动逆变电源电路，并对其工作原理设计及输入输出值的设定与计算，将理论和实践联系在一起。
而通过对参数进行设定和计算，提高了自身的计算能力和理解能力。
总之，通过课程设计，我有了很多收获。
不但让自己的知识结构更加合理，也让自己的知识面更加广泛。
通过此次课程设计，我认识到了自己的不足并作出了弥补，让自身得到了提高。
不仅如此还让学会我如何更好的快速的搜索自己所需要的文献，让我在其他方面也有了一定的提高。
最后，感谢苏老师一学期的谆谆教导。
7参考文献
[1]王兆安、刘进军主编，电力电子技术（第五版），北京：
机械工业出版社
[2]张华《电类专业毕业设计指导》机械工业出版社
[3]何素素《中频电源主电路设计》（论文）天津大学2008
[4]李勤《三相桥式整流电路》（论文）西安交通大学2010
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