電力電子課程設(shè)計--- 單相半橋無源逆變電路設(shè)計

1、<p>　　電氣與電子信息工程學院</p><p><b>　　電力電子課程設(shè)計</b></p><p>　　設(shè)計題目：　 單相半橋無源逆變電路設(shè)計 </p><p>　　專業(yè)班級：電氣工程及其自動化2010（專升本）班 </p><p>　　學　　號：　　 　　　 　&

2、lt;/p><p>　　姓 名： </p><p>　　同 組 人： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　設(shè)計時間：

3、 2011/11/13～2011/11/21 </p><p>　　設(shè)計地點： 電力電子室 </p><p>　　電力電子 課程設(shè)計成績評定表</p><p>　　指導(dǎo)教師簽字： </p><p>　　2011年 12 月 20 日</p&

4、gt;<p>　　《電力電子課程設(shè)計》課程設(shè)計任務(wù)書</p><p>　　2011 ～2012 學年 第1學期</p><p>　　一、課程設(shè)計題目： </p><p>　　1. 單相橋式晶閘管整流電路設(shè)計</p><p>　　2. 三相半波晶閘管整流電路設(shè)計</p><p>　　3. 三相橋式晶閘管整

5、流電路設(shè)計</p><p>　　4. 降壓斬波電路設(shè)計</p><p>　　5. 升壓斬波電路設(shè)計</p><p>　　6. 單相半橋無源逆變電路設(shè)計</p><p>　　7. 單相橋式無源逆變電路設(shè)計</p><p>　　8. 單相交流調(diào)壓電路設(shè)計</p><p>　　9. 三相橋式SPWM逆

6、變器設(shè)計</p><p><b>　　二、課程設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　1. 根據(jù)具體設(shè)計課題的技術(shù)指標和給定條件，能獨立而正確地進行方案論證和電路設(shè)計，要求概念清楚、方案合理、方法正確、步驟完整；</p><p>　　2. 學會查閱有關(guān)參考資料和手冊，并能正確選擇有關(guān)元器件和參數(shù)；</p><p>　　3.

7、 編寫設(shè)計說明書，參考畢業(yè)設(shè)計論文格式撰寫設(shè)計報告（5000字以上）。</p><p>　　注：詳細要求和技術(shù)指標見附錄。</p><p><b>　　三、進度安排</b></p><p><b>　　1．時間安排</b></p><p><b>　　2．執(zhí)行要求</b><

8、;/p><p>　　電力電子課程設(shè)計共9個選題，每組不得超過6人，要求學生在教師的指導(dǎo)下，獨力完成所設(shè)計的系統(tǒng)主電路、控制電路等詳細的設(shè)計（包括計算和器件選型）。嚴禁抄襲，嚴禁兩篇設(shè)計報告基本相同，甚至完全一樣。</p><p><b>　　四、基本要求</b></p><p>　?。?）參考畢業(yè)設(shè)計論文要求的格式書寫，所有的內(nèi)容一律打印；<

9、/p><p>　?。?）報告內(nèi)容包括設(shè)計過程、電路元件參數(shù)的計算、系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析；</p><p>　?。?）要有完整的主電路原理圖和控制電路原理圖；</p><p>　?。?）列出主電路所用元器件的明細表。</p><p><b>　?。?）參考文獻</b></p><p>　　五、課程設(shè)計考核

10、辦法與成績評定</p><p>　　根據(jù)過程、報告、答辯等確定設(shè)計成績，成績分優(yōu)、良、中、及格、不及格五等。</p><p>　　六、課程設(shè)計參考資料</p><p>　　[1] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)（第四版）.北京：機械工業(yè)出版社，2001 </p><p>　　[2] 王文郁.電力電子技術(shù)應(yīng)用電路.北京：機械工業(yè)出版社，2001&l

11、t;/p><p>　　[3] 李宏.電力電子設(shè)備用器件與集成電路應(yīng)用指南.北京：機械工業(yè)出版社，2001</p><p>　　[4] 石玉、栗書賢、王文郁.電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計指導(dǎo). 北京：機械工業(yè)出版社，1999</p><p>　　[5] 趙同賀等.新型開關(guān)電源典型電路設(shè)計與應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，2010</p><p><

12、b>　　摘要</b></p><p>　　電力電子技術(shù)的應(yīng)用已深入到國家經(jīng)濟建設(shè)，交通運輸，空間技術(shù)，國防現(xiàn)代化，醫(yī)療，環(huán)保和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域。進入新世紀后電力電子技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。以計算機為核心的信息科學將是21世紀起主導(dǎo)作用的科學技術(shù)之一，有人預(yù)言，電力電子技術(shù)和運動控制一起，將和計算機技術(shù)共同成為未來科學的兩大支柱。</p><p>　　電力電子技術(shù)是應(yīng)用于

13、電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。具體地說，就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)。通常把電力電子技術(shù)分為電力電子制造技術(shù)和變流技術(shù)兩個分支。</p><p>　　變流技術(shù)也稱為電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)，它包括用電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路和對這些電路進行控制的技術(shù)，以及由這些電路構(gòu)成電路電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)?！白兞鳌辈粌H指交直流之間的交換，也包括直流變直流和交流變交流的變換。</p><

14、p>　　如果沒有晶閘管及電力晶體管等電力電子器件，也就沒有電力電子技術(shù)，而電力電子技術(shù)主要用于電力變換。因此可以認為，電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，而變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。電力電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理，而變流技術(shù)的理論基礎(chǔ)是電路理論。</p><p>　　將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電路稱為逆變電路，根據(jù)交流電的用途可分為有源逆變和無源逆變。</p><p

15、>　　本課程設(shè)計主要介紹單相半橋無源逆變電路。</p><p>　　關(guān)鍵詞：整流、無源逆變、晶閘管</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The application of power electronics technology has penetrated into the national ec

16、onomic construction, transportation, space technology, the modernization of national defense, medical, environmental protection and people in all areas of daily life. After entering the new century electric power electro

17、nic technology is used more and more widely. Take the computer as the core information science will be twenty-first Century played a dominant role in the science and technology one, somebody is fat</p><p>　　

18、The power electronic technology is applied in power electronics technology. Specifically, is the use of power electronic devices for power conversion and control technology. Usually the power electronic technology is div

19、ided into power electronics manufacturing technology and variable flow technology in the two branch.</p><p>　　Converter technology is also known as the application of power electronic devices technology, it

20、involves the use of power electronic devices of various electric power conversion circuit and the circuit control technology, as well as by the circuit circuit, electronic device and power electronic systems technology.

21、" Flow" refers not only to the exchange between the AC and DC, including DC DC and AC AC converter.</p><p>　　If there is no thyristor and power transistors and power electronic devices, there is no

22、 power electronic technology, power electronic technology is mainly used for power converter. It can therefore be considered, the power electronic device manufacturing technology is the power of electronic technology fou

23、ndation, and converter technology is the core of power electronic technology. Manufacture technique of power electronic device is based on the theory of semiconductor physics, and converter te</p><p>　　Chang

24、ing DC into AC circuit called the inverter circuit, according to current use can be divided into active and passive inverter inverter.</p><p>　　This course is designed to introduce a single-phase half-bridge

25、 passive inverter circuit.</p><p>　　Key words: passive inverter, rectifier, thyristor</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 系統(tǒng)方案設(shè)計1</p><p>　　1.1 系統(tǒng)方案1</p>

26、<p>　　1.2 系統(tǒng)工作原理1</p><p>　　第二章 硬件電路設(shè)計與參數(shù)計算3</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件連接圖3</p><p>　　2.2 整流電路設(shè)計方案3</p><p>　　2.2.1 整流變壓器的參數(shù)運算3</p><p>　　2.2.2 整流變壓器元件選擇4&

27、lt;/p><p>　　2.3.3 整流電路保護元件的選用5</p><p>　　2.2 驅(qū)動電路設(shè)計方案6</p><p>　　2.2.1 IGBT驅(qū)動器的基本驅(qū)動性能6</p><p>　　2.2.2 驅(qū)動電路7</p><p>　　2.3觸發(fā)電路設(shè)計方案8</p><p>　　第三章

28、 MATLAB仿真9</p><p>　　3.1 建立仿真模型9</p><p>　　3.2 仿真結(jié)果分析10</p><p><b>　　小結(jié)11</b></p><p><b>　　參考文獻12</b></p><p>　　附錄一：元器件清單13</p&

29、gt;<p>　　第一章 系統(tǒng)方案設(shè)計</p><p><b>　　1.1 系統(tǒng)方案</b></p><p>　　系統(tǒng)方案如圖1.1所示，在電路原理框圖中，交流電源、整流、濾波和半橋逆變電路四個部分構(gòu)成電路的主電路，驅(qū)動電源和驅(qū)動電路兩部分構(gòu)成指揮主電路中逆變橋正確工作的控制電路。其中，交流電源、整流、濾波三個部分的功能分別由交流變壓器、全橋整流模塊和兩

30、個串聯(lián)的電解電容實現(xiàn);半橋逆變電路由半橋逆變和緩沖電路構(gòu)成; 而驅(qū)動電源和驅(qū)動電路則需要根據(jù)實驗電路的要求進行搭建。</p><p>　　圖1.1 電路原理圖</p><p>　　1.2 系統(tǒng)工作原理</p><p>　　圖1.2 電壓型半橋逆變電路及其電壓電流波形</p><p>　　在一個周期內(nèi)，電力晶體管T1和T2的基極信號各有半周正

31、偏，半周反偏，且互補。</p><p>　　若負載為阻感負載，設(shè)t2時刻以前，T1有驅(qū)動信號導(dǎo)通，T2截止，則。</p><p>　　t2時刻關(guān)斷的T1，同時給T2發(fā)出導(dǎo)通信號。由于感性負載中的電流i。不能立即改變方向，于是D2導(dǎo)通續(xù)流， 。</p><p>　　T3時刻i。降至零，D2截止，T2導(dǎo)通，i。開始反向增大，此時仍然有。</p><p

32、>　　在t4時刻關(guān)斷T2，同時給T1發(fā)出導(dǎo)通信號，由于感性負載中的電流i。不能立即改變方向，D1先導(dǎo)通續(xù)流，此時仍然有；</p><p>　　t5時刻 i。降至零， T1導(dǎo)通，。 </p><p>　　第二章 硬件電路設(shè)計與參數(shù)計算</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件連接圖</p><p>　　單相半橋無源逆變主電路如圖2.1所示&

33、lt;/p><p>　　圖2.1單相半橋無源逆變主電路</p><p>　　2.2 整流電路設(shè)計方案</p><p>　　2.2.1 整流變壓器的參數(shù)運算</p><p>　　1）變壓器二次側(cè)電壓的計算</p><p>　　是一個重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角α加大，功率因數(shù)變壞，整流

34、元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求，采用公式：</p><p>　　由表查得 A=2.34；取ε=0.9；α角考慮10°裕量，則 B=cosα=0.985</p><p><b>　　取=140V。</b></p><p>　　電壓比K=/=220/140=1.57。</

35、p><p>　　2 ）一次、二次電流、的計算</p><p><b>　　由 得</b></p><p>　　考慮空載電流 取 </p><p>　　3）變壓器容量的計算</p><p>　??； </p><p>　?。?

36、 </p><p><b>　　； </b></p><p>　　2.2.2 整流變壓器元件選擇</p><p><b>　　1） 整流元件選擇</b></p><p>　　二極管承受最大反向電壓，考慮三倍裕量，則，取600V。該電路整流輸出接有大電容，而且負

37、載為純電阻性負載，所以簡化計算得</p><p><b>　　取15A。</b></p><p>　　故選ZP15-6A 整流二極管4只，并配15A散熱器。</p><p>　　2） 濾波電容的選擇 </p><p>　　濾波電容一般根據(jù)放電時間常數(shù)計算，負載越大，要求紋波系數(shù)越小，電容量越大。一般不作嚴格計算，多取20

38、00以上。因該系統(tǒng)負載不大，故取=2200</p><p>　　耐壓按 取250V。</p><p>　　即選用2200、250V電容器。</p><p>　　3） IGBT的選擇</p><p>　　因，取3倍裕量，選耐壓為150以上的IGBT。由于IGBT是以最大值標注，且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關(guān)系，故應(yīng)選用大于4倍額定負載電流的

39、IGBT為宜。為此選用1MBH50-090型IGBT。其續(xù)流二極管選擇與之配套的快速恢復(fù)二極管EDR60-100。Cl、C2為3300uF電解電容</p><p>　　2.3.3 整流電路保護元件的選用</p><p>　　1）變壓器二次側(cè)熔斷器選擇</p><p>　　由于變壓器最大二次電流，故選用10A熔芯即可滿足要求。應(yīng)選用15A、250V熔斷器。</p

40、><p>　　2） IGBT保護電路的選擇</p><p><b>　　電容的選擇</b></p><p>　　一般按布線電感磁場能量全部轉(zhuǎn)化為電場能能量估算。即</p><p><b>　　得</b></p><p>　　這里取為電路電壓=3A ；為電感值==14.7mH; 為

41、保證保護可靠，</p><p>　　可取稍低于IGBT耐壓值為宜，這里取200V進行計算；??；</p><p>　　則=0.0588uF</p><p><b>　　取，耐壓300V。</b></p><p><b>　　緩沖電阻的計算</b></p><p>　　要求IGB

42、T關(guān)斷信號到來之前，將緩沖電容器所積蓄的電荷放完，以關(guān)斷信號之前放電90%為條件，其計算公式如下；</p><p><b>　　，有。</b></p><p><b>　　緩沖電路二極管</b></p><p>　　因為用于高頻電路中，故應(yīng)選用快速恢復(fù)二極管，以保證IGBT導(dǎo)通時很快關(guān)斷。</p><p

43、>　　電流額定可按IGBT通過電流的0.1試選，然后調(diào)試決定。</p><p>　　圖2.2 IGBT保護電路</p><p>　　2.2 驅(qū)動電路設(shè)計方案</p><p>　　2.2.1 IGBT驅(qū)動器的基本驅(qū)動性能</p><p>　　動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖。當IGBT在硬開關(guān)方式下工作時，會在

44、開通及關(guān)斷過程中產(chǎn)生較人的損耗。這個過程越長，開關(guān)損耗越大。器件工作頻率較高時，開關(guān)損耗會大大超過IGBT通態(tài)損耗，造成管芯溫升較高。這種情況會大大限制IGBT的開關(guān)頻率和輸出能力，同時對IGBT的安全工作構(gòu)成很大威脅。IGBT的開關(guān)速度與其柵極控制信號的變化速度密切相關(guān)。IGBT的柵源特性顯非線性電容性質(zhì)，因此驅(qū)動器須具有足夠的瞬時電流吞吐能力，才能使IGBT柵源電壓建立或消失得足夠快，從而使開關(guān)損耗降至較低的水平。另一方面，驅(qū)動器內(nèi)

45、阻也小能過小，以免驅(qū)動回路的雜散電感與柵極電容形成欠阻尼振蕩。同時，過短的開關(guān)時間也會造成回路過高的電流尖峰，這既對主回路安全不利，也容易在控制電路中造成干擾。</p><p>　　能向IGBT提供適當?shù)恼驏艠O。IGBT導(dǎo)通肝的管壓降與所加?xùn)旁措妷河嘘P(guān)，在集射電流一定的情況下，Vge越高，Vce越低，器件的導(dǎo)通損耗就越小，這有利于充分發(fā)揮管子的工作能力。但是，Vge井非越高越好，Vge過大，負載短路時Ic增大，

46、IL．BT能承受短路電流的時間減少，對安全不利，一但發(fā)生過流或短路，柵壓越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。因此，在有短路程的設(shè)備中Vge應(yīng)選小些，一般選12～15V。</p><p>　　在關(guān)斷過程中，為盡快抽取PNP管中的存儲電荷，能向IGBT提供足夠的反向柵壓?？紤]到在IGBT關(guān)斷期間，由于電路中其他部分的工作，會在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號，這些信號輕則會使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài)

47、，增加管了的功耗，重則將使裂變電路處于短路直通狀態(tài)，因此，最好給應(yīng)處于截止狀態(tài)的IGBT加一反向柵壓(5～15V)，使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時仍能可靠截止。</p><p>　　有足夠的輸入輸出電隔離能力。在許多設(shè)備中，IGBT與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系，而控制電路一般不希望如此。另外，許多電路中的IGBT的工作電位差別很大，也不允許控制電路與其直接藕合。因此驅(qū)動器具有電隔離能力可以保證設(shè)備的正常工作，也有利于維

48、修調(diào)試人員的人身安全。但這種電隔離不應(yīng)影響驅(qū)動信譬的正常傳輸。</p><p>　　具有柵壓限幅電路，保護柵極不被擊穿。IGBT柵極極眼電壓一般為±20V，驅(qū)動信號超出此范圍就可能破壞柵極。</p><p>　　輸入輸出信號傳輸無延時。這小儀能夠減少系統(tǒng)響應(yīng)滯后，而且能提高保護的快速性。</p><p>　　電感負載下，IGBT的開關(guān)時間不能過分短，以限制

49、di／dt所形成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。</p><p>　　2.2.2 驅(qū)動電路</p><p>　　IGBT的驅(qū)動電路如圖4，此IGBT門極驅(qū)動電路采用了光耦合器使信號電路與門極驅(qū)動電路相隔離。當光電耦合器導(dǎo)通時，V截止，IGBT導(dǎo)通。光電耦合器截止，V導(dǎo)通，導(dǎo)通，IGBT截止。</p><p>　　圖2.3 IGBT驅(qū)動電路圖</p>&

50、lt;p>　　2.3觸發(fā)電路設(shè)計方案</p><p>　　控制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生PWM信號，用于可控制電路中主功率器件的通斷，通過對占空比α的調(diào)節(jié)，達到控制輸出電壓大小的目的。此外，控制電路還具有一定的保護功能。</p><p>　　被實驗裝置的控制電路采用控制芯片SG3525為核心組成。芯片的輸入電壓為8V到35V。它的振蕩頻率可在100HZ到500KHZ的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在芯片

51、的CT端和放電端間串聯(lián)一個電阻可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)死區(qū)時間。此外此外，其軟起動電路非常容易設(shè)計，只需外部接一個軟起動電容即可。</p><p>　　圖2.4 觸發(fā)電路圖</p><p>　　第三章 MATLAB仿真</p><p>　　MATLAB軟件語言系統(tǒng)是當今流行的第四代計算機語言，由于它在科學計算、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)建模與仿真、圖形圖像處理等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以

52、及自身的獨特優(yōu)勢，目前MATLAB受到個研究領(lǐng)域的推崇和關(guān)注。</p><p>　　本文也采用MATLAB軟件對研究結(jié)果經(jīng)行仿真，以驗證結(jié)果是否正確。</p><p>　　3.1 建立仿真模型</p><p>　　建立仿真模型的步驟：</p><p>　?、?建立主電路的仿真模型</p><p><b>　　

53、② 構(gòu)造控制部分</b></p><p>　?、?完成波形觀測及分析部分</p><p>　　最終完成仿真模型如圖7所示：</p><p>　　圖3.1 單相半橋無源逆變電路仿真模型</p><p>　　3.2 仿真結(jié)果分析</p><p>　　將仿真時間設(shè)為0.00s，選擇ode113的仿真算法，將絕對誤

54、差設(shè)為1e-5，運行后可得仿真結(jié)果。</p><p>　　如圖8所示自上而下分別為逆變器輸出的交流電壓、電流和直流側(cè)電流波形。交流電壓為100V的方波電壓，周期與驅(qū)動信號同為1kHz。由于負載為純電阻負載，則直流電流無波動。</p><p>　　圖3.2 單相半橋無源逆變電路仿真波形</p><p><b>　　小結(jié)</b></p>

55、<p>　　通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)電力電子方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。 過而能改，善莫大焉。在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測調(diào)試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉

56、”的知行觀。這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在老師的指導(dǎo)下，終于游逆而解。在今后社會的發(fā)展和學習實踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠不可能得到社會及他人對你的認可！ 實驗過程中，也對團隊精神的進行了考察，讓我們在合作起來更加

57、默契，在成功后一起體會喜悅的心情。果然是團結(jié)就是力量，只有互相之間默契融洽的配合才能換來最終完美的結(jié)果。 此次設(shè)計也讓我明白了思路即出路，</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　［1］王兆安，劉進軍，電力電子技術(shù)，機械工業(yè)出版社，2009.5</p><p>　　［2］王興貴，陳偉，現(xiàn)代電力電子技術(shù)（M）,

58、機械工業(yè)出版社2010</p><p>　?。?］電力電子技術(shù)計算機仿真實驗（M），機械工業(yè)出版社2006</p><p>　?。?］李維波，MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用，中國電力出版社，2007</p><p>　?。?］湯才剛，朱紅濤，李莉，陳國橋，基于PWM的逆變電路分析，《現(xiàn)代電子技術(shù)》2008年第1期總第264期。</p><p>

59、;　?。?］王文郁.電力電子技術(shù)應(yīng)用電路.北京：機械工業(yè)出版社，2001</p><p>　?。?］ 李宏.電力電子設(shè)備用器件與集成電路應(yīng)用指南.北京：機械工業(yè)出版社，2001</p><p>　?。?］ 石玉、栗書賢、王文郁.電力電子技術(shù)題例與電路設(shè)計指導(dǎo). 北京：機械工業(yè)出版社，1999</p><p>　?。?］ 趙同賀等.新型開關(guān)電源典型電路設(shè)計與應(yīng)用.北京