《電力電子課設(shè)》word版.doc

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電力電子課程設(shè)計 題 目 單相交直交變頻電路設(shè)計 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級 姓 名 指導(dǎo)教師 年 月 日 1 總體原理圖 3 1 1 方框圖 4 1 2 電路原理圖 4 1 2 1 主回路電路原理圖 4 1 2 2 整流電路 4 1 2 3 濾波電路 5 1 2 4 逆變電路 6 2 電路組成 8 2 1 控制電路 8 2 2 驅(qū)動電路 9 2 3 主電路 10 3 仿真結(jié)果 11 3 1 仿真環(huán)境 11 3 2 仿真模型使用模塊提取的路徑及其單數(shù)設(shè)置 11 3 3 具體仿真結(jié)果 14 3 3 1 仿真電路圖 14 3 3 2 整流濾波輸出電壓計算與仿真 15 3 3 3 逆變輸出電壓計算與仿真 16 4 小結(jié)心得 18 5 參考文獻(xiàn) 19 任務(wù)書 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 指導(dǎo)教師 工作單位 題 目 單相交直交變頻電路 初始條件 輸入為單相交流電源 有效值 220V 要求完成的主要任務(wù) 1 掌握單相交直交變頻電路的原理 2 設(shè)計出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 并采用 matlab 對單相交流調(diào)壓電路進(jìn)行 仿真 3 采用 protel 設(shè)計出單相交直交變頻電路主電路 驅(qū)動電路 控制電路 時間安排 2012 年 7 月 9 日至 2012 年 7 月 13 日 歷時一周 具體進(jìn)度安排 見下表 具體時間 設(shè)計內(nèi)容 7 9 指導(dǎo)老師就課程設(shè)計內(nèi)容 設(shè)計要求 進(jìn)度安排 評分標(biāo)準(zhǔn)等 做具體介紹 學(xué)生確定選題 明確設(shè)計要求 7 10 開始查閱資料 完成方案的初步設(shè)計 7 11 由指導(dǎo)老師審核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 學(xué)生修改 完善 7 12 撰寫課程設(shè)計說明書 7 13 上交課程設(shè)計說明書 并進(jìn)行答辯 參考文獻(xiàn) 1 王兆安 劉進(jìn)軍 電力電子技術(shù) 第 5 版 北京 機(jī)械工業(yè) 出版社 2011 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日 系主任 或責(zé)任教師 簽名 年 月 日 1 總體原理圖 1 1 方框圖 整流器 濾波器 逆變器DC DC 交 流 輸 入 交 流 輸 出 輔 助 電 源 PWM 波形 圖 1 總體方框圖 1 2 電路原理圖 1 2 1 主回路電路原理圖 圖 2 主回路原理圖 如圖所示 交直流變換電路為不可控整流電路 輸入的交流電通過變壓器 和橋式整流電路轉(zhuǎn)化為直流電 濾波電路用電感和電容濾波 逆變部分采用四 只 IGBT 管組成單項(xiàng)橋式逆變電路 采用雙極性調(diào)制方式 輸出經(jīng) LC 低通濾波 器濾波 濾除高次諧波 得到頻率可調(diào)的交流電輸出 1 2 2 整流電路 整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源 整流電路一般都是單獨(dú)的 一塊整流模塊 大多數(shù)整流電路由變壓器 整流主電路和濾波器等組成 主電 路多用硅整流二極管和晶閘管組成 濾波器接在主電路與負(fù)載之間 用于濾除 脈動直流電壓中的交流成分 變壓器設(shè)置與否視具體情況而定 變壓器的作用 是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的 電隔離 此部分結(jié)構(gòu)簡單 工作可靠 其性能滿足實(shí)驗(yàn)的需要 故采用橋式整流電路 其作用是將固定頻率和電壓的交流電能整流為直流電能 此外整個電路需要輔助的正負(fù)5V 的電源 故通過降壓 整流 濾波 穩(wěn)壓 得到穩(wěn)定的正負(fù)5V 電壓 電路如下 圖3 整流濾波電路和輔助電源 1 2 3 濾波電路 濾波電路的原理及作用 濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波 一 般由電抗元件組成 如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器 C 或與負(fù)載串聯(lián)電感器 L 以及由電容 電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路 在交流電源轉(zhuǎn)換直流電源后 電路會有電壓波動 為抑制電壓的波動 采 用簡單的電容濾波 當(dāng)流過電感的電流變化時 電感線圈中產(chǎn)生的感生電動勢 將阻止電流的變化 當(dāng)通過電感線圈的電流增大時 電感線圈產(chǎn)生的自感電動 勢與電流方向相反 阻止電流的增加 同時將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場能存儲于 電感之中 當(dāng)通過電感線圈的電流減小時 自感電動勢與電流方向相同 阻止 電流的減小 同時釋放出存儲的能量 以補(bǔ)償電流的減小 因此經(jīng)電感濾波后 不但負(fù)載電流及電壓的脈動減小 波形變得平滑 而且整流二極管的導(dǎo)通角增 大 在電感線圈不變的情況下 負(fù)載電阻愈小 輸出電壓的交流分量愈小 只 有在RL L時才能獲得較好的濾波效果 L愈大 濾波效果愈好 另外 由于 濾波電感電動勢的作用 可以使二極管的導(dǎo)通角接近 減小了二極管的沖擊 電流 平滑了流過二極管的電流 從而延長了整流二極管的壽命 1 2 4 逆變電路 逆變電路同整流電路相反 逆變電路是將直流電壓裝換為所要頻率的交流 電壓 逆變電路是與整流電路相對應(yīng) 將低電壓變?yōu)楦唠妷?把直流電變成交 流電的電路 逆變電路是通用變頻器核心部件之一 起著非常重要的作用 它 的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率 和電壓都任意可調(diào)的交流電源 將直流電能變換為交流電能的變換電路 本方案中的逆變部分 采用單相橋式逆變電路 PWM 控制 輸出電壓的大小及 頻率均可通過PWM 控制進(jìn)行調(diào)節(jié) 電路如下 圖4 主電路 A 變頻器的工作原理 以單相橋式逆變電路為例 S1 S4是橋式電路的4個臂 由電力電子器件及 輔助電路組成 用可控開通 可控關(guān)斷的電力電子開關(guān) 切換電流方向 將直 流電能轉(zhuǎn)換成交流電能 圖5 開關(guān)示意圖 S1 S4閉合 S2 S3斷開時 負(fù)載電壓 uo為正 S1 S4斷開 S2 S3閉合時 負(fù)載電壓 uo為負(fù) B 脈寬調(diào)制原理 脈寬調(diào)制技術(shù) 通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制 來等效的獲得所需要 的波形 含形狀和幅值 PWM 控制的方法可分為3三類 即計算法 調(diào)制法和跟蹤控制法 其中 調(diào)制 法是較為常用的也是基本的一類方法 而調(diào)制法中最基本的是利用三角載波與正 弦信號波進(jìn)行比較的調(diào)制方法 分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制 本實(shí)驗(yàn)采用的單 相橋式逆變電路既可以采用單極性調(diào)制 也可以采用雙極性調(diào)制 在本實(shí)驗(yàn)裝置 中 采用了雙極性PWM 調(diào)制技術(shù) 以下是雙極性PWM 調(diào)制的原理 雙極性PWM 控制原理示意圖如下圖所示 采用雙極性PWM 調(diào)制技術(shù)時 以希 望得到的交流正弦輸出波形作為信號波 采用三角波作為載波 將信號波與載波 進(jìn)行比較 在信號波與載波的交點(diǎn)時刻控制各開關(guān)的通斷 在信號波的一個周期 內(nèi) 載波有正有負(fù) 調(diào)制出來的輸出波形也是有正有負(fù) 其輸出波形有 Ud 兩種 電平 用 ur 表示信號波 uc 表示載波 當(dāng) ur uc 時 給V1 V4 施加開通驅(qū) 動信號 給V2 V3 施加關(guān)斷驅(qū)動信號 此時如果 io 0 則V1 V4 開通 如果 io 0則VD1 VD4 開通 但輸出電壓均為 uo Ud 反之 則V2 V3 或VD2 VD3 開通 uo Ud 圖中 uof是輸出電壓uo 的基波分量 圖6 PWM調(diào)制示意圖 2 電路組成 采用SPWM正弦波脈寬調(diào)制 通過改變調(diào)制頻率 實(shí)現(xiàn)交直交變 頻的目的 設(shè)計電路由三部分組成 即主電路 驅(qū)動電路和控制電 路 交直流變換部分 AC DC 為不可控整流電路 逆變部分 DC AC 由四只IGBT管組成單相橋式逆變電路 采用雙極性調(diào)制方 式 輸出經(jīng)LC低通濾波器 濾除高次諧波 得到高頻率的正弦波 基波 交流輸出 2 1 控制電路 控制電路是由兩片集成函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038為核心組成 其中一片8038 產(chǎn)生正弦調(diào)制波Ur 另一片用以產(chǎn)生三角載波Uc 將此兩路信號經(jīng)比較電路 LM311異步調(diào)制后 產(chǎn)生一系列等幅 不等寬的矩形波Um 即SPWM波 Um經(jīng)反相 器后 生成兩路相位相差180度的 PWM波 再經(jīng)觸發(fā)器CD4528延時后 得到兩 路相位相差180度并帶一定死區(qū)范圍的兩路SPWM1和SPWM2波 作為主電路中兩對 開關(guān)管IGBT的控制信號 控制電路還設(shè)置了過流保護(hù)接口端STOP 當(dāng)有過流 信號時 STOP呈低電平 經(jīng)與門輸出低電平 封鎖了兩路SPWM信號 使IGBT 關(guān) 斷 起到保護(hù)作用 圖7 控制電路 原理 是由兩片集成函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038為核心組成 其中一片8038產(chǎn) 生正弦調(diào)制波Ur 另一片用以產(chǎn)生三角載波Uc 將此兩路信號經(jīng)比較電路LM311 異步調(diào)制后 產(chǎn)生一系列等幅 不等寬的矩形波Um 即SPWM波 Um經(jīng)反相器后 生成兩路相位相差180度的 PWM波 再經(jīng)觸發(fā)器MC14528延時后 得到兩路相位 相差180度并帶一定死區(qū)范圍的兩路SPWM1和SPWM2波 2 2 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路作為控制電路和主電路的中間環(huán)節(jié) 主要任務(wù)是將控制電路產(chǎn)生 的控制器件通斷的信號轉(zhuǎn)化為器件的驅(qū)動信號 它可以完成 電氣隔離的功能 由于全橋電路的4 個管子的驅(qū)動信號并不都是共地的 為此需要將控制信號進(jìn)行 隔離 另外 控制電路的電壓等級低 而主電路電壓等級高 為了避免干擾 也必 須進(jìn)行電氣隔離 本實(shí)驗(yàn)中使用了目前廣泛應(yīng)用的一種集成驅(qū)動芯片 IR2110 IR2110 驅(qū)動功 率器件 采用自舉驅(qū)動方式 懸浮溝道設(shè)計使其能驅(qū)動母線電壓小于 600V 的功 率管 它可以僅用一個供電電源來實(shí)現(xiàn)對全橋電路 4 個管子的驅(qū)動 避免了以 往橋式驅(qū)動中多獨(dú)立電源的麻煩 還可以和主電路共地 由于 MOS 管通常導(dǎo)通 時間要小于截止時間 這樣在交替導(dǎo)通的瞬間往往容易發(fā)生橋路短路現(xiàn)象 改 進(jìn)的辦法是在驅(qū)動臂上并聯(lián)二極管 1N4148 來加速電流回吸 以起到加速截止的 作用 使 MOS 管的截止加快 電路如下 圖 8 驅(qū)動電路 2 3 主電路 采用單相橋式逆變電路 共用到4 個開關(guān)器件 采用了目前應(yīng)用最多的全控 型電力電子器件之一的IGBT 在電路中 為了防止MOS管在開關(guān)的瞬間 尖鋒電壓導(dǎo)致MOS管被擊穿 在 橋路中加入了起緩沖嵌位作用的二極管 電阻和電容 電路如下 圖9 主回路電路 3 仿真結(jié)果 3 1 仿真環(huán)境 本次設(shè)計中用 Altium designer 畫出原理圖 仿真則主要用 Matlab 軟件來 仿真 用示波器觀察整流和逆變的輸出波形圖 評估整個系統(tǒng)的功能 3 2 仿真模型使用模塊提取的路徑及其單數(shù)設(shè)置 離散 PWM 發(fā)生器模塊 Discrete PWM Generator 提取路徑是 Simulink SimPowerSystems Power Electronics Discrete Control Blocks Discrete PWM Generator 信號終結(jié)模塊 Terminator 提取路徑是 Simulink Commonly Used Blocks Terminator 交流電源模塊 Phase 初 相角 0 Frequency 頻率 50Hz Sample time 采樣時間 0 默認(rèn)值 0 表示該交流電源為連續(xù)源 Peak amplitude 當(dāng)變頻輸出頻率為 100Hz 時置 為 600V 2 當(dāng)變頻輸出頻率為 50Hz 時置為 50V 2 濾波電感 L1 選 Series RLC Branch 模塊 將參數(shù) Inductance H 置為 80e 3 圖 10 電感 L1 參數(shù)設(shè)置 濾波電感 L2 選 Series RLC Branch 模塊 將參數(shù) Inductance H 置為 30e 3 圖 11 電感 L2 參數(shù)設(shè)置 濾波電容 C1 選 Series RLC Branch 模塊 將參數(shù) Capacitance F 置 為 1800e 6 圖 12 電容 C1 參數(shù)設(shè)置 濾波電容 C2 選 Series RLC Branch 278 模塊 將參數(shù) Capacitance F 置為 320e 6 圖 13 電容 C2 參數(shù)設(shè)置 不可控的整流橋 Universal bridge 的參數(shù)設(shè)置如下 圖 14 Universal bridge 的參數(shù)設(shè)置 3 3 具體仿真結(jié)果 3 3 1 仿真電路圖 單相整流 逆變電路的仿真模型如下圖所示 由圖可知 單相 220V 50Hz 交流電源經(jīng)單相不可控整流環(huán)節(jié) 進(jìn)行 LC 濾波后即為中間直流環(huán)節(jié) 再進(jìn)入 PWM 逆變 又一次 LC 濾波后 形成所需的交流信號 圖 15 仿真原理圖 3 3 2整流濾波輸出電壓計算與仿真 運(yùn)用 matlab 對交流電源與經(jīng)過橋式整流之后的電壓信號進(jìn)行了仿真之前 對兩電壓的波形進(jìn)行理論的分析 在單相橋式全控整流電路中 晶閘管 VT1 和 VT4 組成一對橋臂 VT2 和 VT3 組成另一對橋臂 在 正半周 若 4 個晶閘管均不導(dǎo)通 負(fù)載電流為零 輸出2U 電壓 U 也為零 VT1 VT4 串聯(lián)承受電壓 設(shè) VT1 和 VT4 漏電阻相等 則各承2U 受 的一半 若在觸發(fā)角 處給 VT1 和 VT4 加觸發(fā)脈沖 VT1 和 VT4 即導(dǎo)通 2 電流從電源 端經(jīng) VT1 R VT4 流回電源另一端 當(dāng) 過零時 流經(jīng)晶閘管的2 電流也降到零 VT1 和 VT4 關(guān)斷 晶閘管承受的最大正向電壓和最大反向電壓 的值分別為 和 在 負(fù)半周 仍在觸發(fā)延遲角 處觸發(fā) VT2 和20 5 U22 VT3 VT2 和 VT3 導(dǎo)通 其電流電壓情況與正半周情況類似 并且按照此種規(guī)律 循環(huán)往復(fù)的工作下去 在此種原理下可以計算得出以下公式 橋式整流輸出電壓 21cos0 9dU 由于經(jīng)過濾波之后 電壓會上升 其實(shí)際值接近 350V 兩信號的 matlab 仿真波形記錄如下 圖16 整流濾波輸出電壓圖 由上圖可以看出整流輸出的是脈動的直流電壓波形 通過濾波電路 將其 變成紋波較小的直流電壓 3 3 3逆變輸出電壓計算與仿真 電壓型全橋逆變電路的原理圖在上面的基礎(chǔ)電路中已經(jīng)給出 它共有四個 橋臂 可以看成由兩個半橋電路組合而成 把橋臂 1 和 4 作為一對 橋臂 2 和 3 作為一對 成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通 兩隊(duì)交替導(dǎo)通 180 度 其輸出電壓 04sini3sin5dUttt 其中 基波的幅值 和基波有效值 分別為 1om1o14 27dodU 10 9dod 由于輸出電壓由開關(guān)管的開通與關(guān)斷頻率決定 所以輸出電壓為無數(shù)的寬 度極小的矩形波組成 在 matlab 中 逆變電路輸出電壓頻率有 PWM 脈沖觸發(fā)器 參數(shù)設(shè)置 其參數(shù)設(shè)置如下圖 圖17 PWM脈沖觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置 在采樣理論中有一個重要的結(jié)論 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有 慣性的環(huán)節(jié)上時 其效果基本相同 沖量即指窄脈沖的面積 這里所說的效果 基本相同 是指環(huán)節(jié)的輸出相應(yīng)波形基本相同 如果把脈沖序列利用相同數(shù)量 的等幅而不等寬的矩形脈沖代替 使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn) 重合 且使矩形波脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積相等就能得到相應(yīng)的脈沖序列 這就是 PWM 波形 可以看出 各脈沖的幅值相等 而寬度是按正弦規(guī)律變化的 根據(jù)面積等效原理 PWM 波形和正弦波是等效的 對于正弦波的負(fù)半周 也可 以用同樣的方法得到 PWM 波形 像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波 等效的 PWM 波形 也稱 SPWM 波形 圖 18 逆變輸出電壓 由圖可知 輸出電壓頻率為 400Hz 的交流電壓 波形與理論分析結(jié)果一致 可得 此交流變換器 即交流變頻仿真得到了正確的結(jié)果 4 小結(jié)心得 通過一個星期的查閱資料 仿真實(shí)驗(yàn)使我認(rèn)識到必需加強(qiáng)對知識的理解 不能停留在膚淺的了解階段 這次基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練使我獲得了十分寶貴的經(jīng)驗(yàn) 對于將來的我來說一定是非常巨大的財富 這次基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練讓我有機(jī)會學(xué)習(xí) 書本上沒有的知識 增長了我的見識 同時 這次基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練 也使我體會 到了實(shí)踐精神的重要性 理論上的成立還要實(shí)踐來檢驗(yàn)是否符合實(shí)際 只有把 理論和實(shí)際結(jié)合起來才能 有真正的收獲 此外 這次的基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練 使我對團(tuán)結(jié)合作有了更深的理解 在做仿真 實(shí)驗(yàn)時 大家在一起討論 加深了我們對理論知識的理解 能夠迅速解決問題 我們因此認(rèn)識到團(tuán)隊(duì)合作的精神尤為重要 5 參考文獻(xiàn) 1 高吉祥 模擬電子線路設(shè)計 北京 電子工業(yè)出版社 2007 2 曾素瓊 EDA技術(shù)在數(shù)字電路設(shè)計中的探討 成都 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù) 2005 3 趙景波 MATLAB控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2010 4 楊蔭福 電力電子裝置與系統(tǒng) 北京 清華大學(xué)出版社 2006 5 金海明 電力電子技術(shù) 北京 北京郵電大學(xué)出版社 2005 6 黃智偉 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計 北京 北京航空航天大學(xué)出 版社 2005 7 James H McClellanSchool of ECE Georgia Tech Little Bits of MATLAB 本科生能力拓展訓(xùn)練成績評定表 姓 名 性 別 專業(yè) 班級 課程設(shè)計題目 課程設(shè)計答辯或質(zhì)疑記錄 成績評定依據(jù) 序號 評定項(xiàng)目 評分成績 1 選題合理 目的明確 10 分 2 設(shè)計方案正確 具有可行性 創(chuàng)新性 20 分 3 設(shè)計結(jié)果 例如 硬件成果 軟件程序 25 分 4 態(tài)度認(rèn)真 學(xué)習(xí)刻苦 遵守紀(jì)律 15 分 5 設(shè)計報告的規(guī)范化 參考文獻(xiàn)充分 不少于 5 篇 10 分 6 答辯 20 分 總分 最終評定成績 以優(yōu) 良 中 及格 不及格評定 指導(dǎo)教師簽字 年 月 日