电力电子课程设计报告 第5题 100V500Hz.docx

1、电力电子课程设计报告 第5题 100V500Hz电力电子课程设计报告AC-DC-AC电路的设计专业： 电气工程及其自动化 班级： 姓名： 指导老师： 华南理工大学电力学院2014年1月10日电力电子课程设计任务书题目51题目AC-DC-AC电路的设计2目标将220V市电转换成100V/500Hz、100V/400Hz、100V/300Hz、150V/400Hz、150V/300Hz、150V/200Hz交流电（每位学生选一个输出电压和频率等级作为设计目标，不得重复）。3电路参数输入电压V1：220V，50Hz输出电压uO（R2上的电压）： 100V/500Hz、100V/400Hz、100V/

2、300Hz、150V/400Hz、150V/300Hz、150V/200Hz双极性PWM控制方式，载波V8为三角波，频率取100KHz，正负幅值均为5V。信号波V2为正弦波，频率和幅值待求。4设计任务1）写出参数选取原则和计算公式，计算电路中D1D4、Q1Q4的额定电压值.分析单相桥式逆变电路的工作原理，根据输出电压幅值和频率设计V2的幅值和频率。uO= Uc1*V2/V8，uO、Uc1、V2、V8都是幅值，具体的原理要参考电力电子技术的第六章。2）编写仿真文件，给出仿真结果并进行结果分析，仿真结果需给出两组波形：V8、V2、VE（比较器LM393的输出信号）uO（R2上的电压）波形3）课程设

3、计说明书用A4纸打印，同时上交电子版（含仿真文件）；4）课程设计需独立完成，报告内容及仿真参数不得相同。E1E4起到隔离驱动的作用VE图 AC-DC-AC变换器及其开环控制电路5 说明仿真软件采用PSIM或其它软件，PSIM免费试用程序及其说明书可从电力电子技术精品课程网站http:/222.16.42.183/dldz/#下载，或者到其他网站下载更高版本,HUO。参考书：电力电子技术、直流开关电源的软开关技术、开关电源计算机仿真4 时间安排2014年1月6日，布置课程设计任务2013年1月13日，汇报课程设计进展2013年1月19日，上交课程设计书1. 电路分析AC-DC-AC变频电路一般由

4、两部分：整流电路和逆变电路。由于AC-DC-AC变频电路的整流部分通常用简单的二极管整流电路，因此逆变电路是AC-DC-AC变频电路的核心部分，逆变电路有电压型逆变电路和电流型逆变电路。桥式逆变电路是AC-DC-AC变频电路的常用的接线形式。1.1 单相桥式逆变电路的工作原理桥式电压型逆变电路的直流侧是电压源，电路主要由四个桥臂组成，主要元件是晶闸管、续流二极管、平波电抗器等。如图1.所示。图1. 单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路的工作原理：设在t1时刻前V1和V4导通，输出电压uo为Ud，t1时刻V3和V4栅极信号反向，V4截止，而负载电感中的电流io不能突变，V3不能立刻导通，所以输出电压

5、为零。到t2时刻V1和V2栅极信号反向，V1截止，而V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，输出电压为-Ud。到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，uo仍为-Ud。t3时刻V3和V4栅极信号再次反向，V3截止，而V4不能立刻导通，VD4导通续流，uo再次为零。以后各元件的导通和关断情况与前面类似。于是输出电压的正负脉冲宽度相等，改变输出电压的占空比就可以调节输出电压的幅值，平波电抗器L能够使输出电压uo的波形更平滑，更接近正弦波。1.2 AC-DC-AC电路分析AC-DC-AC电路图如图1所示。图的上半部分为电力电路，市电V1经由二极管D1-D4和

6、电容器C1组成的整流电路后转变为具有脉动的直流电，再经MOS管、电感电容等组成的逆变电路转变为交流电。图2的下半部分为控制电路，市电V1在整流和逆变的过程中可通过调节控制电路并结合电感电容的调节来改变输出电压的频率和电压幅值。电路的输出电压Uo=Uc1V2/V8，载波V8为三角波，频率为100kHz，正负幅值均为5V，输出电压uo的频率与信号的V2的频率相同。因而通过调节信号波V2的频率和幅值可以改变输出电压uo的频率和幅值。图2. AC-DC-AC 变换器及其开环控制电路图2. 参数计算2.1 电路元件参数的计算AC-DC-AC电路的各元件参数的计算原则主要参考电力电子技术（第五版）中电力电

7、子元件参数的计算，主要有电力二极管和电力MOSFET（N沟道）的参数计算。1）电力二极管D1D4的参数计算电力二极管的反向重复峰值电压URRM一般取电力二极管在工作时所承受的反向最高峰值电压的两倍来选取。电力二极管的反向重复峰值电压：。2）电力场效应晶体管Q1Q4的额定电压和额定电流的计算电力场效应晶体管的额定电压一般按晶闸管所承受的最大反向电压的23倍来选取。电力场效应晶体管的额定电压：。3）信号波V2的参数计算信号波V2的幅值与输出电压Uo的关系为：Uo=Uc1（V2/V8）。其中Uc1为电容器C1两端电压的幅值，；V8为三角载波电压的幅值，5V；Uo为输出电压的幅值，（即141.4V）。

8、于是信号波V2的幅值为：输出电压uo的频率与信号波V2的频率相同，uo的频率fo=500kHZ ，因而信号波V2的频率f2=500kHZ。2.2 元件的选取按照2.1节计算的参数选取元件，电感器L1和电容器C2的改变会影响输出电压uo的波形和幅值。电容器C1越大，电容器C1两端的电压越趋向于平稳，整流的效果越好，但电容器越大造价就越高，电容器C1应在保证整流后的电压平稳的前提下取值足够小。电感L1的取值越大，输出电压uo的幅值越小，电容器C2的取值也会对输出电压的幅值造成一定的影响。因而当输出电压uo的幅值不为141.4V时，可通过改变电感器和电容器的值来调节输出电压幅值。电感器L1的值可暂时

9、取为5mH，电容器C1的值可暂时取为10mF，电容器C2的值可暂时取为1uF。3. 建立仿真电路本文AC-DC-AC电路的仿真选用PSIM软件。PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用软件。PSIM全称Power Simulation。PSIM由SIMCAD 和SIMVIEM两个软件来组成。 PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。在仿真解析系统中，不只是回路仿真单体，还可以和其他公司的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。例如，在电机驱动开发领域，控制部分用MATLAB/Simulin

10、k实现，主回路部分以及其周边回路用PSIM实现，电机部分用电磁场分析软件MagNet、JMAG实现，由此进行连成解析，实现更高精度的全面仿真系统。AC-DC-AC电路在PSIM 里表现为3个部分：电力电路、控制电路和开关控制器。根据第1、2节AC-DC-AC电路的分析设计和参数计算，并利用PSIM仿真软件建立的电路图如图3.所示。图3. 基于PSIM仿真软件的AC-DC-AC电路图图3中的元件：D1D4为普通的电力二极管，额定电压630V；C1和C2为电容器，经多次尝试平波电容器C1值选为0.05F较合适，能够将电压稳定在311V左右，几乎无波动。电容器C2取2.44uF，电感器L1取0.00

11、8H时，输出电压的幅值接近要求输出电压的幅值；Q1Q4为电力场效应晶体管，参数的设置按第2节中元件参数的计算值；E1E4为运算放大器，电压Vs设为15V；HC04D为“非”门电路；X1为比较器。V8为载波信号，三角波，频率设置为100kHz，幅值为5V；V2为正选拨信号，根据第2节知其幅值为2.273V，频率为500Hz。控制电路与电力电路通过“on-off swith controller”元件连接在一起，信号波V2和载波V8通过比较器将信号波的频率等信息调制到载波V8上，输出信号VE的频率等于载波V8的频率，为方波信号。当方波信号的电压为高电平时E1、E2输出正电压，控制Q1和Q4导通，E

12、3、E4无输出，Q2、Q3关断；当方波信号的电压为低电平时E3、E4输出正电压，控制Q2和Q3导通，E1、E2无输出，Q1、Q4关断。通过改变Q1、Q4和Q2、Q3的导通和关断改变输出电压方向，将直流电转换成正弦交流电。4. 结果分析按照第3节完成电路的设计后，在Simulate选项下点击Run Simulation选项开始仿真，添加要测的各点电压即可观看各点电压的波形。如果要比较两节点的电压波形，可使用双通道示波器进行比较。经多次调节后各点电压的波形如下：1）电容器C1两端的电压Uc1的波形如图4所示。由图4可知，电容器C1经较短的充电后达到稳态，约为310V。由于电容器的值足够大，此后的充

13、放电过程对电容器C1两端的电压几乎无影响，波形为一条直线。图4. 电容器C1端电压的波形2）载波信号V8的波形如图5所示。由图5可以看出，载波信号为三角波。幅值为5V，周期t=10-5s，频率f=100kHz。图5. 载波信号V8的波形图3）信号波V2的波形图如图6所示。由图6可以看出，信号波V2为正弦波，幅值为约为2.7V，周期t=0.002s，频率f=500Hz，符合要求。图6. 信号波V2的波形图4）控制信号波VE的波形如图7所示。可以看出，VE为方波信号，周期t=10-5s，频率f=100kHz，电压值为0V或1V，用以控制运算放大器的输出电压，从而控制电力场效应晶体管Q1Q4开通和关

14、断。当方波信号的电压为高电平时运算放大器E1、E2输出正电压，控制Q1和Q4导通，E3、E4输入信号为低电平，Q2、Q3关断；当方波信号的电压为低电平时运算放大器E3、E4输出正电压，控制Q2和Q3导通，E1、E2输入信号为低电平，Q1、Q4关断。图7. 信号波VE的波形图5）由示波器得出的载波V8与信号波VE的对比如图8所示。图8. 载波V8与信号波VE的对比可以看出，信号波VE和载波V8的频率相同，幅值基本相同，但波形不同。6）输出电压uo的波形如图9.所示。由波形图可以看出输出电压近似为正弦波，经一段时间（起振时间与电容器C1达到稳态的时间有关）后达到稳态，稳态时uo幅值约为140V，周

15、期t=0.002s，频率f=500Hz。在调节的过程中发现，电容器C1的改变影响整流电路的输出电压，从而影响输出电压的幅值，电容器C1的值越大，整流后的电压越平坦，输出电压越大，当电容器C1的值足够大时，整流后的电压为一条直线，对输出电压uo的幅值影响不明显。电感器L1的值越小，输出电压uo的值越大，电感值过小或过大时，输出电压uo的波形将变方波。一定范围内，电容器C2的值越大，输出电压uo的值越大。根据这些规律，不断调节电容器C2和电感器L1的值可将输出电压uo的整定为幅值是141.46V（有效值为100V）的正弦波，符合题目中的要求的将220V（50Hz）的市电转变为100V（500Hz）

16、的正弦波。图9. 输出电压uo的波形图5.结论经过多次调节和尝试，不断调节电容器和电感器的值改变输出电压的幅值，最终输出电压为幅值是141.46V、频率为500Hz的正弦波，误差极小，输出电压基本达到了题目的要求。通过本次的课程设计，加深了对电力电子课程的理解，学会了变频电路的设计，增强了实践经验，同时也发现了自己的许多不足之处。本设计还有很多做的不够好的地方，还望老师批评指正！参考文献【1】 电力电子技术（第五版） 王兆安 刘进军； 机械工业出版社【2】 直流开关电源的软开关技术及其新发展 李金鹏 尹华杰；电工技术杂志【3】 PSIM9.0使用教程 网络版【4】 直流开关电源的软开关技术 肖文勋 王志强；通信电源技术【5】 电力电子技术_综合性课程设计内容探讨 丘东元；电气电子教学学报