单相交直交变频电路的性能研究

单相交直交变频电路的性能研究

一、交直交变频器发展概况

变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。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。

二、实验目的和要求

熟悉单相交直交变频电路的组成，重点熟悉其中的单相桥式PWM逆变电路中元器件的作用、工作原理，对单相交直交变频电路在电阻负载、阻感负载时的工作情况及其波形作全面，并研究工作频率对电路工作波形的影响。

三、实验原理及波形

如下图所示，总体设计方案由整流电路、滤波、逆变电路等组成。市电经整流电路变直流电，直流电经滤波电路进行平滑滤波，再输入逆变电路，变为频率和电压均可调的交流电。

单相交直交变频电路由两部分组成，交流电源转化为直流是整流环节，选用了不可控的整流二极管电路，直流电源侧则选用电容和电感来滤波，能够获得比较平直的直流电压。这个环节结构相对简单、运行可靠，性能也符合设计的需求。直流转化为交流即是逆变部分，选用了单相桥式逆变电路，PWM控制，输出电压的大小及频率均可通过PWM控制进行调节。由于中间直流环节为电容滤波，因此选用电压型逆变电路。

1、主电路

如图所示的单相桥式逆变电路，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。

主电路中间直流电压u d由交流电整流而得，而逆变部分别采用单相桥式PWM逆变电路。逆变电路中功率器件采用IGBT管，控制电路以单片集成函数发生器ICL8038为核心组成，生成两路PWM信号，分别用于控制VT1、VT4和VT2、VT3两队IGBT。ICL8038仅需很小的外部元件就可以正常工作，用于发生正弦波、三角波、方波等，频率范围0.001到500kHz。

单相交直交变频电路原理图

交直交变频电路由两部分组成,交流变直流(ui—Ud)为整流部分,采用不可控的二极管整流电路,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、工作可靠,其性能满足实验的需要。直流变交流(Ud—uo)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可通过PWM控制进行调节。由于中间直流环节为电容滤波,因此图中的逆变电路为电压型。

2.控制电路设计

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。

在本实验中，控制电路采用两片集成函数信号发生器ICL8038为核心，其中一片产生正弦调制波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。

控制电路

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控制在逆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。

ICL8038是精密波形发生器,它产生的波形的频率可以从0.1001Hz到300Hz。其内部结构如图所示。

ICL8038内部原理框图

单极性PWM控制方式波形双极性PWM控制方法波

3.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。

在变压器二次侧电压的正半周，其极性为上正下负，此时二极管D1、D4正向导通，D2、D3反偏截止，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D4流回变压器。于是在负载电阻RL上得到一个极性为上正下负的半波电压。在导通时二极管的正向压降很小，可以忽略不计，因此，可认为这半波电压和的变压器二次侧电压正半波是相同的。在变压器二次侧电压的负半周，其极性为上负下正，此时二极管D2、D3正向导通，D1、D4反偏截止，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D3流回变压器。同理，在负载上得到一个半波电压，极性依旧是上正下负，与前面得到的相同，

整流电路

4.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。

5.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。

单相全桥式逆变电路

单相全桥式逆变电路工作波形

6.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。

驱动电路

它可以完成以下功能:

（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通断所需要的合适的驱动信号。

（3）保护具有退饱和保护功能防止过流、短路的损坏器件。

7.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。

四、仿真实验

1.单相全桥逆变电路的仿真

将输入电压Ud设为300V。幅值为1，周期为0.2s，频率为50Hz，占空比为50%。其中两个滞后0s，其输出加在IGBT1和IGBT4的门极，另外两个滞后设为0.1s，其输出加在IGBT2和IGBT3的门极。负载电阻和电感分别设为1Ω和0.01H。周期与驱动信号频率同设为50Hz。将仿真时间设为2s，运行后可得仿真结果。在示波器中得到的波形图所示：其中图片自上而下依次为输入电压Ud，负载两端电压Uo，流过负载的电流io。交流电流和直流电流波形有阻感负载的特性所决定。直流电流为负的期间，电流通过反并联二极管流向电源，负载电感的磁场储能向直流母线馈送；直流电流为负的期间，电流通过IGBT流向负载。

若为纯电阻负载，则直流电流无波动。根据仿真波形图看，逆变器输出的交流基波电压的幅值为220V与上面数学分析中的理论值相符。

可见，单相方波逆变电路输出电压的基波幅值大于直流电压，其中电压利用率较高，但同时谐波利用率较高，但同时谐波含量较大，难以满足多数负载的要求。

仿真波形

2.单相半桥逆变电路的仿真

将输入电压Ud 设为360V （图中每个电源电源为180V ），幅值为1。周期为0.2s ，频率为50Hz ，占空比为50%。其中一个滞后0s,其输出加在开关IGBT 的门极，另外一个滞后设为0.1s ，其输出加在IGBT1的门极。负载电阻和电感分别设为1Ω和0.04H 。周期与驱动信号频率同设为50Hz 。将仿真时间设为2s ，最后仿真在示波器中得到的波形图如图所示。 从1802

d O U U V == 与理论值基本相符。 优点：简单，使用器件少。缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几kW 以下的小功率逆变电源。

仿真结果

五、实验结果及分析

从实验数据和波形可以看出，当负载为电阻时，随着输入电压频率的增大，输出电压幅值不变，频率减小；当负载为电阻电感时，随着输入电压频率的减小，输出电压幅值不变，频率减小，两者都起到了变频的效果。

幅值的调节方法在整流环节中完成，通过调节整流管的控制角α的大小来实现；频率的调节方法在逆变环节中完成，通过调节逆变管VT1~VT6的触发脉冲的频率的大小来实现。触发脉冲的频率增加，则输出电压的频率就会增加。

当负载是纯电阻负载时，电流与电压的相位相同；当负载为电阻电感（阻感）负载时，电流与电压的相位发生了改变。因此可以得出负载类型的不同可以影响电流与电压的相位。

六、实验心得

一切没有实战的言论就只是纸上谈兵，也只能是纸上谈兵，实践所得的知识才是真真正正的知识，当然也不能抛弃理论。