电力电子 单相交—直—交变频装置设计

《电力电子》课程设计说明书单相交—直—交变频装置设计学院：电气与信息工程学院学生姓名：指导教师：职称/学位专业：班级：学号：完成时间：2015年6月湖南工学院电力电子课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院专业：电气工程及其自动化专业\自动化专业随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，单相交直交变频系统得到了迅速发展，其显著的变频能力，宽泛的应用范围，完善的保护功能，以及易于实现的变频功能，得到了广大用户的认可，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利。

近年来以燃料电池发电技术发展迅速。

但是分布式发电技术发出发出的电都不是与电网供电系统相同的交流电，无法与大电网联网或者直接供给普通负载使用，都需要变频装置将其变换成负载可以使用的交流电或者与大电网电压、频率相匹配的公频交流电。

因此，研究交—直—交变频系统的基本工作原理和作用特性意义十分重大。

本文研究了变频调速系统的基本组成部分，主回路主要有三部分组成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；吸收由整流器和逆变器回路产生的电压脉动的“滤波回路”，也是储能回路；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

使用Matlab搭建交—直—交变频系统的仿真模型，通过试验对该交—直—交变频系统的基本工作原理、工作特性及作用有更深的认识，也对谐波对于交—直—交变频系统的影响有了一定的了解。

关键词：电网；变频；整流；逆变；谐波；仿真1 绪论 (1)1.1电力电子技术概况........................ 错误!未定义书签。

1.2课程设计任务 (1)1.3课程设计内容 (1)2 单相交—直—交变频装置设计 (2)2.1单相交—直—交变频电路总体设计方案 (2)2.2具体电路设计 (2)2.2.1 主电路设计 (2)2.2.2 驱动电路设计 (4)2.2.3 4013芯片原理 (5)2.2.4 控制电路设计 (5)2.3元器件型号选择 (6)3 仿真结果 (8)3.1 仿真环境 (8)3.2 仿真模型使用模块提取的路径及其单数设置 (8)3.3 具体仿真结果 (11)3.3.1 仿真电路图 (11)3.3.2 整流滤波输出电压计算域仿真 (11)3.3.3 逆变输出电压计算与仿真 (12)总结 (15)参考文献 (16)致谢 (17)1 绪论1.1 电力电子技术概况电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。

电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。

交—直—交变频器的中间直流环节采用大电感作储能元件，无功功率将由大电感来缓冲，它的一个突出优点是当电动机处于制动 (发电)状态时，只需改变网侧可控整流器的输出电压极性即可使回馈到直流侧的再生电能方便地回馈到交流电网，构成的调速系统具有四象限运行能力，可用于频繁加减速等对动态性能有要求的单机应用场合，在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。

近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。

交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义。

1.2 课程设计任务设计一个单相交—直—交变频装置，已知交流电源：单相220V，中间直流电压最大为50V，输出交流电压约45V，输出最大电流2A，最大功率100W。

1.3 课程设计内容1、关于本课程学习情况简述；2、主电路的设计、原理分析和器件的选择；3、控制电路的设计；4、保护电路的设计；5、利用MATLAB软件对自己的设计进行仿真。

2 单相交直交变频电路设计2.1 单相交直交变频电路总体设计方案如图1交直交变频器原理是先把交流电经整流器先整流成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。

图1 单相交直交变频电路总体方案图2.2 具体电路设计2.2.1 主电路设计图2 单相交直交变频电路原理图如图2交直交变频电路由两部分组成，交直交直流为整流部分，采用不可控的二级管整流电路，直流侧用电容和电感进行滤波，可得到平直的中间直流电压。

此部分结构简单可靠，性能满足实验的需要。

直流变交流为逆变部分，采用单相桥式逆变电路，PWM控制，输出电压的大小及频率均通过PWM控制进行调节。

由于中间直流环节为电容滤波，因此图2.2的逆变电路为电压型。

PWM控制技术即脉冲宽度调制技术，是通过对脉冲的宽度进行调制，来等效的获得需要的波形。

PWM控制在你变电路中的应用最为广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM控制技术。

PWM控制技术对逆变电路的影响十分深刻。

PWM控制的方法可分为三类，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，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 控制原理示意图如图3所示。

采用双极性炮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，其输出波形有两种电平。

用r u 表示信号波，c u 表示载波，当c r u u >时，给1V 、4V 施加开通驱动信号，给2V 、3V 施加关断驱动信号，此时如果00>i ，则1V 、4V 开通，如果00<i ，则1VD 、4VD 开通，但输出电压均为d U u =0。

反之，则2V 、3V 或2VD 、3VD 开通，d 0-U u =。

图中，ofu 是输出电压0u 的基波分量。

图3 双极性PWM 控制的原理2.2.2驱动电路设计图4 驱动电路原理图如图4，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。

本实验中使用了目前广泛应用的一种集成驱动芯片——三菱公司的M57950L驱动芯片。

它可以完成一下功能：(1)电气隔离全桥电路的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(2)波形整形将控制电路产生的信号转化为控制IGBT通断所需要的驱动信号。

(3)具有过流保护功能。

通过检测IGBT管的饱和压降来判断IGBT是否过流，过流时，IGBT管的CE结之间的饱和压降升到一定的值，使8脚输出低电平，在光耦TLP521-1输出端OC1变成高电平，经过过流保护电路,如图5，使4013输出Q端变成低电平送给控制电路，起到了封锁保护作用。

图5 保护电路设计图6 CD4013 原理图2.2.3 4013芯片原理如图6，设电路初始状态均在复位状态，Q1、Q2端均为低电平。

当fi信号输入时，由于输入端异或门的作用(附表是异或门逻辑功能表)，其输出还受到触发器IC2的Q2端的反馈控制(非门F2是增加的一级延迟门，A点波形与Q2相同)。

在第1个fi时钟脉冲的上升沿作用下，触发器IC1、IC2均翻转。

由于Q2端的反馈作用使得异或门输出一个很窄的正脉冲，宽度由两级D触发器和反相门的延时决定。

当第1个fi脉冲下跳时，异或门输出又立即上跳，使IC1触发器再次翻转，而IC2触发器状态不变。

这样在第1个输入时钟的半个周期内促使IC1触发器的时钟脉冲端CL1有一个完整周期的输入，但在以后的一个输入时钟的作用下，由于IC2触发器的Q2端为高电平，IC1触发器的时钟输入跟随fi信号(反相或同相)。

本来IC1触发器输入两个完整的输入脉冲便可输出一个完整周期的脉冲，现在由于异或门及IC2触发器Q2端的反馈控制作用，在第1个fi脉冲的作用下得到一个周期的脉冲输出，所以实现了每输入一个半时钟脉冲，在IC1触发器的Q1端取得一个完整周期的输出。

2.2.4 控制电路设计图7 控制电路原理图控制电路的工作流程是：信号发生（包括产生信号波和载波）、信号调制、产生IGBT 的驱动信号。

图7给出了控制电路的原理图在本实验装置中，采用两片ICL8038分别产生正弦信号波和三角波载波。

根据双极性PWM 信号。

在图1所示的电压型单相桥式逆变电路中需要注意的一点是V 1和V 4不能同时导通，V 2和V 3不能同时导通，否则将使直流侧发生短路。

为避免两对器件同时导通，需要在两对器件的开关状态切换时设置死区，确保先断后通。

图三的控制电路中使用了单稳态多频率振荡器4528来实现死区的控制。

ICL8038是精密波形发生器，它产生的波形的频率可以从0.001Hz 到300Hz 。

其内部结构如图8所示图8 ICL8038内部功能结构图2.3 元器件型号选择（1)二极管参数计算：A I I I d 22=== (1)流过每个二极管的电流是(2)(3) (4)所以选择150v/2.5A 的二极管。

A II d VT 22==A I I VT N 8.2~12.2)2~5.1(==VU U N 168~112)3~2(2==∴（2)变压器变比计算：(5) (6)所以选择变比为4：1的变压器最好。

（3）IGBT 参数计算：V U U RM 7922== (7)VU U RM N 237~158)3~2(==∴ (8)AI I VT N 80.1~35.157.1/)2~5.1(== (9) 所以选220v/2.5A 的IGBT 管。

V U U d 569.02==1:45622021===VVU Un3 仿真结果3.1 仿真环境本次设计中用Altium designer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PWN发生器模Discrete PWM Generator 提取路径是：Simulink\SimPower Systems\Power Electronics\Discrete Control Blocks\Discrete PWM Generator 信号终结模块Terminator提取路径是：Simulink\Commonly Used Blocks\Terminator 交流电模块：“Phase”初相角0度，“Frequency”频率50Hz,“Sample Time”采样时间0（默认值0表示该交流电源为连续源），“Peak amplitude”当变频输出频率为100Hz时置为600VC×2，当变频输出频率为50Hz时置为50V×2。