1、單相橋式逆變電路的設計學 院： 電氣信息與工程學院學生姓名：劉子豪指導教師：肖文英職稱 副教授專 業：電氣工程及其自動化班 級：電氣 1505班學 號成時間：2018 年 6 月學院：電氣與信息工程學院湖南工學院電力電子技術課程設計課題任務書指導教師肖文英學生姓名劉子豪課題名稱單相橋式逆變電路的設計內 容 及 任 務一、設計任務設計一個單相橋式逆變電路，已知直流輸入電壓100V，負載自擬，要求交流輸出電壓頻率范圍在30 60HZ，電壓30 50V范圍可調，其它性能指標自定。二、設計內容1 、關于本課程學習情況簡述；2、主電路的設計、原理分析和器件的選擇；3、控制電路的

2、設計；4、保護電路的設計；5、利用MATLAB 軟件對自己的設計進行仿真。主要參考資料1 王兆安,王俊編.電力電子技術（第5 版 ）.北京:機械工業出版社,20122 黃俊,秦祖蔭編.電力電子自關斷器件及電路.北京:機械工業出版社,19913 李序葆,趙永健編.電力電子器件及其應用.北京 :機械工業出版社,1996教 研 室 意 見教研室主任：（簽字）年月日專業：電氣工程及其自動化專業自動化專業摘要在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當需要把這些電源向交流負載供電時，就需要逆變電路。另外，交流電動機調速用的變頻器、不間斷電源、 感應加熱電源等電力電子裝置使用非常廣泛，

3、其電路的核心部分都是逆變電路。本次設計采用的是PWM型逆變電路。為了對PWM型逆變電路進行分析，首先建立了逆變器控制所需的電路模型，采用 IGBT作為開關器件，并對單相橋式電壓型逆變電路和PWM控制電路的工作原理進行了分析，運用MATLAB中的SIMULINK對電路進行了仿真，給出了仿真波形，并運用MATLAB提供的powergui 模塊對仿真波形進行了FFT分析（諧波分析） 。 通過仿真分析表明，運用PWM控制技術可以很好的實現逆變電路的運行要求。在本次設計中我主要負責設計過程中搜集資料、數據的計算以及相關文檔的整理。關鍵詞 ： 逆變電路；PWM控制技術；換流41 緒論 12 課程設計的方案

4、 22.1 概述 22.2 系統組成方案 22.2.1 單相橋式整流電路的結構 22.2.2 單相橋式無源逆變電路的結構 33 主電路設計 43.1 單相橋式整流主電路 43.1.1 單相橋式整流主電路圖 43.1.2 工作原理 43.2 單相橋式無源逆變電路主電路 53.2.1 單相橋式整流電路主電路圖 53.2.2 工作原理 63.3 主要元器件的選擇 64 控制電路設計 94.1 單相橋式整流電路控制 94.1.1 觸發電路 94.1.2 保護電路 104.2 單相橋式無源逆變電路控制電路 114.2.1 驅動電路 114.2.2 保護電路 125 MATLAB仿真 145.1 單相橋式

5、整流電路的仿真 145.2 單相橋式無源逆變電路的仿真 176 課程設計總結 19參考文獻 201. 緒論整流電路就把交流電轉換為直流電的電路。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。20 世紀 70 年代以后，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載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設置與否視具體情況而定，其作用是實現交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網與整流電路之間的電隔離。另外，還有采用全控型器件的電路，其主要控制方式為PWM脈寬調制式，后來，又把驅動，控制，保護電路和功率器件集成在一起，構成功率集成電路（PIC） ，隨著全控型電力電子器件的發展

6、，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。同時，電力電子器件的開關損耗也隨之增大，為了減小開關損耗，軟開關技術便應運而生，零電壓開關（ ZVS） 和零電流開關（ ZCS）把電力電子技術和整流電路的發展推向了新的高潮。逆變電路與整流電路相對應，是把直流電變成交流電的電路。當交流側接在電網上，即交流側接有電源時，稱為有源逆變；而無源逆變是指逆變器的交流側不與電網連接，而是直接接到負載，即將直流電逆變為某一頻率或可變頻率的交流電供給負載。它在交流電機變頻調速、感應加熱、不停電電源等方面應用十分廣泛，是構成電力電子技術的重要內容。另外，逆變電路輸出電壓基波方均根值隨外加控制信號電壓的大小作連續調節。逆變電路

7、的基本功能固然是將直流電能改變成所需頻率的交流電能，但含逆變電路的工業特殊交流電源，除了必須具備變頻功能之外，還要求其出端電壓在一定范圍內連續可調。例如：交流電機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。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換為頻率和電壓都任意可調的交流電源。再例如，為了防止交流電動機磁路飽和，用于變頻調速的電源輸出電壓需要與工作頻率同步調節, 以保持 U/f 值為常數（其中U 為電源輸出基波電壓方均根值,f 為工作頻率）。 為了適應不同工件和工藝規范的需要，用于感應加熱的電源輸出功率需要在一定范圍內連續可調（相當于電

8、源輸出電壓可調）。 為了在電網和負載波動條件下維持輸出電壓恒定，各種恒壓電源（如不停電電源等）必須具備輸出電壓快速調節的功能等等。2. 課程設計的方案2.1 概述本次設計主要設計單相橋式整流電路和單相全橋無源逆變電路。這兩個電路在電力電子這門課程中算是比較簡單的電路，但同時也是基礎型的電路。這次設計不僅可以更直觀的了解電路的工作情況和各個器件的工作原理，使自己對電力電子知識的掌握更加清晰、牢固。 同時可以通過對比來分辨兩個電路的不同作用。整流電路要求輸入單相電網220V，輸出電壓0100V，電阻性負載， R=20歐姆，通過設計整流電路并按照要求參數進行仿真，可以得到相應的波形。逆變電路要求單相

9、全橋無源逆變，輸出功率200W，輸出電壓100Hz方波，應采用無源方波逆變電路，通過對參數的正確設置，就可以仿真出所求波形。2.2 系統組成總體結構2.2.1 單相橋式整流電路的結構單相橋式整流電路在輸入單相電源后經過變壓器帶動驅動電路使晶閘管處于通狀態來控制整流電路的通斷，整流電路與負載相連得到整流后的波形，保護電路在整個過程中保證電路的正常運行，防止過壓或過流情況的發生。單相電源驅動電路112.1 單相橋式整流電路的結構2.2.2 單相全橋無源逆變電路的結構無源逆變是指逆變器的交流側不與電網連接，而是直接接到負載，即將直負 載控制電路2.2 單相橋式無源逆變電路的結構3. 主電路設計3.1

10、 單相橋式整流電路主電路3.1.1 單相橋式整流主電路圖3.1 單相橋式整流主電路圖3.1.2 工作原理如上圖所示，晶閘管 VT1 和 VT2 組成一對橋臂，晶閘管 VT4 和 VT3 組成另一對橋臂。當u2 為正半周時，在t= 瞬間給 VT1 和VT4以觸發脈沖，則電流i2 從 aVT1RdVT4b,VT2 和 VT3 均承受反向電壓而關斷；在電源電壓u2的負半周期時，仍在控制角時刻觸發VT2和 VT3，電流i2 從 b VT3 Rd VT2 a,如此一個個周期周而復始地重復、循環。由于單相橋式整流電路直流電壓在一個周期內有兩個波頭，故整流電壓平均值可Ud ( 2U2sin t)d t 0.

11、9U2 1 cos /2當 =00°時，晶閘管全導通，相當二極管的不可控整流，Ud=0.9U2為最大值；當 =90°時，Ud=0，為最小值，可見，其移相范圍為90°。對電路來說, 晶閘管的選取會影響到電路的功能和輸出, 因此 , 晶閘管的參數的選取十分重要, 決定晶閘管性能的主要參數有: 主要電壓參數包括斷態重復峰值電壓 , 反向重復峰值電壓, 反向擊穿電壓, 通態平均電壓和斷態電壓臨界上升率。主要電流包括通態平均電流，斷態平均電流，維持電流，掣住電流和浪涌電流等。因此，出于對電路輸出的考慮，選取KP1型晶閘管，其主要參數為：通態正向平均電流It 為 1av, 斷

12、態正反向重復峰值電壓Udrn,Udrrm 為 50 160V， 門極觸發電壓 Vgt 為2.5V，門極觸發電流Igt 為 20mA。根據以上參數可求得晶閘管承受的最大正、反向電壓都是2 U2。流過每個晶閘管的電流平均值和有效值公式分別為Idvt 2v Id 2 Id 0.5IdIdvt2vId2 Id12 Id3.2 單相橋式無源逆變電路主電路3.2.1 單相橋式無源逆變主電路圖3.2.2 工作原理單相橋式無源逆變電路如上圖所示，從圖中可看出，它由兩對橋臂組合而成，VT1 和 VT4 構成一對導電臂，VT2 和 VT3 構成另一對導電臂，兩對導電臂交替導通 180 度。其工作過程如下：t=0

13、時刻以前，VT2、 VT3 導通， VT1 、 VT4 關斷，電源電壓反向加在負載上， Uo =-Ud。在 t=0 時刻，負載電流上升到負的最大值，此時關斷VT2、 VT3，同時驅動VT1 、 VT4， 由于感性負載電流不能立即改變方向，負載電流經VD1 、 VD4 續流，此時，由于VD1 、 VD4 導通， VT1 、 VT4 受反壓而不能導通。負載電壓Uo=+Ud。在 t=t1 時刻，負載電流下降到0， VD1 、 VD4 自然關斷，VT1 、 VT4 在正向電壓作用下開始導通。負載電流正向增大，負載電壓0u=+Ud。在 t=t2 時刻負載電流上升到正的最大值，此時關斷VT1 、 VT4，

14、 并驅動 VT2、VT3 ，同樣，由于負載電流不能立即換向，負載電流經VD2、 VD3 續流，負載電壓 0u=-Ud。在 t= t3 時刻，負載電流下降到0， VD2、 VD3 自然關斷，VT2、 VT3 開通，負載電流反向增大時，0u=-Ud。在 t= t4 時刻，負載電流上升到負的最大值，完成一個工作周期。從圖 2-2 知，單相全橋逆變電路的輸出電壓為方波，定量分析時，將0u 展開成傅立葉級數，得Uo 4Ud *( sin t 13 sin 3 t 15 sin 5 t ) /35其中，基波分量的幅值Uolm 和有效值Uol 分別為：Uolm=1.27UdUol=0.9Ud3.3 主要元器

15、件選擇單相橋式全控主電路中最重要的元器件是晶閘管，晶管又稱為晶體閘流管，可控硅整流(Silicon Controlled Rectifier-SCR) ，晶閘管是大功率器件，工作時產生大量的熱，因此必須安裝散熱器。其外型有螺栓型和平板型兩種封裝，引出陽極 A、陰極 K 和門極(或稱柵極)G 三個聯接端。選擇時主要考慮其參數和選取原則：晶閘管的主要參數如下：額定電壓U m通常取 U DRM 和 U RRM 中較小的，再取靠近標準的電壓等級作為晶閘管型的額定電壓。在選用管子時，額定電壓應為正常工作峰值電壓的2 3 倍，以保證電路的工作安全。( 1)額定電流I T(AV)I T(AV) 又稱為額定通

16、態平均電流。其定義是在室溫40°和規定的冷卻條件下元件在電阻性負載流過正弦半波、導通角不小于170°的電路中，結溫不超過額定結溫時，所允許的最大通態平均電流值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的電流等級即為晶閘管的額定電流。在實際使用時不論流過管子的電流波形如何、導通角多大，只要其最大電流有效值 I TM Im , 散熱冷卻符合規定，則晶閘管的發熱、溫升就能限制在允許的范圍。UTn min U DRM, URRMI Tn ：額定電流有效值，根據管子的I T(AV) 換算出，IT(AV)、ITM Im 三者之間的關系：ITn 1/2 (Im sin t)2d( t) Im/ 2

17、 0.5 Im( 2)I T(AV) 1 / 2 Im sin td ( t) Im/ 0.318 Im( 3)波形系數：有直流分量的電流波形，其有效值I 與平均值I d 之比稱為該波的波4)形系數，用K f 表示 :K fIId額定狀態下，晶閘管的電流波形系數:KfU TMI TnI T ( AV )2U1.57222 111V 157V 考慮到 2 倍裕量，取5)400V.晶閘管的選擇原則：、所選晶閘管電流有效值值。I Tn 大于元件在電路中可能流過的最大電流有效1.5 2)倍的安全余量。即IIT(AV)(1.52)1I.T5M7Tn 1.57 I T(AV) (1.5 I TM( 6)因

18、為 , 則晶閘管的額定電流為I T AV =10A(輸出電流的有效值為最小值，所以該額定電流也為最小值) 考慮到 2 倍裕量 , 取 20A.即晶閘管的額定電流至少應大于137)20A.在本次設計中我選用4 個 KP20-4的晶閘管.2)變壓器的選取根據參數計算可知: 變壓器應選變比為2, 容量至少為24.2V · A144. 控制電路設計4.1 單相橋式整流電路控制電路4.1.1 單相橋式整流電路觸發電路1.電路圖R14.2 單相橋式整流保護電路圖184.1 單相橋整流電路觸發電路圖2.晶閘管觸發電路工作原理（ 1） 由 V1、 V2構成的脈沖放大環節和脈沖變壓器TM和附屬電路構成

19、的脈沖輸出環節兩部分組成。（ 2）當V1、 V2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發脈沖。（ 3） VD1和 R3是為了V1、 V2由導通變為截止時脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設的。（ 4） 為了獲得觸發脈沖波形中的強脈沖部分，還需適當附加其它電路環節。晶閘管觸發電路應滿足下列要求：A、 觸發脈沖的寬度應該保證晶閘管的可靠導通，對感性和反電動勢負載的變流器采用寬脈沖或脈沖列觸發，對變流器的啟動，雙星型帶平衡電抗器電路的觸發脈沖應該寬于30°， 三相全控橋式電路應小于60°或采用相隔60°的雙窄脈沖。B、 脈沖觸發應有足夠的幅度，對戶外寒冷場合

20、，脈沖電流的幅度應增大為器件最大觸發電流的3 5 倍，脈沖前沿的陡度也要增加。一般需達1-2A/us所提供的觸發脈沖不應超過晶閘管門極的電壓、電流和額定功率，且在門極伏安特性的可靠觸發區域之內。并且應有良好的抗干擾性能、溫度穩定性及主電路的電氣隔離。4.1.2 單相橋式整流電路保護電路1.工作原理11R e C ln( 1設備在運行過程中，會受到由交流供電電網進入的操作過電壓和雷擊過電壓2.電路圖4.2 單相橋式逆變電路控制電路的設計4.2.1 驅動電路1 .功能介紹電力電子器件的驅動電路時電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環節，對整個裝置的性能有很大的影響。采用性能良好

21、的驅動電路， 可使電流電子器件工作在較理想的開關狀態，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性和安全都有重要的意義。另外，對電力電子器件或整個裝置的一些保護措施也往往就近設在驅動電路中，或者通過驅動電路來實現，這使得驅動電路的設計更為重要。IGBT 的驅動多采用專用的混合集成驅動器。常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L 和 M57959L）和富士公司的EXB 系列（如EXB840、EXB841 、 EXB850 和 EXB851 ） 。同一系列的不同型號其引腳和接線基本相同，只是適用被驅動器件的容量和開關頻率以及輸入電流幅值等參數有所不同。下圖給出了 M57962L 的

22、接線圖和引腳圖。這些混合集成驅動器內部都具有退飽和檢測和保護環節，當發生過電流時能快速響應但慢速關斷IGBT，并向外部電路給出故障信號。M57962L 輸出的正驅動電壓均為+15V左右，負驅動電壓為-10V。2 .電路圖M57962L 的接線圖：M57962L 的引腳圖：4.4 M57962L 的引腳圖3 .工作原理當控制電路使M57962L 輸入端 13和 14腳有10mA的電流時光耦IC1 導通， A點電位迅速下降至VEE，使 IC2A 的 2腳輸出為高電平Vcc ，則三極管V2、 V4導通， V3、 V5 截止，使V7 導通， Vcc 加到 R17 上，同時由R18/ (R17+ R18

23、)大于R16/(R15+ R16)，導致IC2D 的 13 腳為低電位，V6 截止， R4/(R3 +R4)大于R16(R15 + R16)使 IC2B 的 13 腳截至， 故 IC2的 14腳為高電平V1 ， 截止， M57962L的 8 腳不輸出故障信號。在 M57962L 輸入端 13 和 14無電流時，IC1 截止， A點電位上升使IC2A 的2 腳變為低電位，則使V3、 V5 導通，V2、 V4 截止。 lGBT 的門極 (GATE)通過V5 導通到 VEE，而使 IGBT 關斷。 IC2C 的 14腳輸出為低電平，使 V1 、 V7 導通， 使 IC2B、 IC2D 保持原先狀態不

24、變。4.2.2 保護電路1 .功能介紹在電力電子電路中，除了電力電子器件參數選擇合適、驅動電路設計良好外，采用合適的過電壓保護、過電流保護、du/dt 保護和 di/dt 保護也是必要的。這里主要講述IGBT 的過電壓保護。2 .電路圖4.5 單相橋式逆變保護電路圖3 .工作原理電力電子裝置中可能發生的過電壓分為外因過電壓和內因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統中的操作過程等外部原因，包括：1）操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起的過電壓。2）雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。可采用圖4.5所示的反向阻斷式RC 電路。有關保護電路的參數計算可參照相關的工程手冊。采用雪崩二極管、金屬氧化物

25、壓敏電阻、硒堆和轉折二極管（ BOD）等非線性元器件來限制或吸收過電壓也是較常用的措施。255. MATLAB仿真Matlab 被譽為三大數學軟件之一，它在數學類科技應用軟件中在數值方面首屈一指。 Matlab 可以進行矩陣、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域，受到各個研究領域的推崇和關注。本文也采用MATLAB 軟件對研究結果經行仿真，以驗證結果是否正確。5.1 單相橋式整流電路的仿真1. 整流仿真電路圖要求電路單相電網220V，輸出電壓0100V，電阻性負載， R=20

26、 歐姆，設置參數如下：交流電網為220V，脈沖幅值為20，脈沖周期0.02s,占空比為 20%，延遲時間的設置根據公式（觸發角/360） *0.02 來設置。5.1 單相橋式整流仿真電路圖2. 仿真波形當觸發角 =30 度時，波形如下圖：5.2 單相橋式整流觸發角為30度電路圖=60 度時，波形如下圖：圖 5.3 單相橋式整流觸發角為60度電路圖=90 度時，波形如下圖5.2 單相橋式無源逆變電路的仿真1 .參數設置設計主要參數：單相全橋無源逆變，此采用電阻負載，直流側輸入電壓=100V, 脈寬為 =90°的方波， 輸出功率為200W， 電容和電感都設置為理想零狀態。頻率為100Hz

27、 。由頻率為100Hz即可得出周期為T=0.01s， 由于 V3 的基波信號比V1 的落后了 90 度（即相當1/4 個周期） 。 通過換算得：t3=0.001/4=0.0025s， 而 t1=0s。同 理 得：t2=0.001/2=0.005S, 而 t4=0.00075S。由理論情況有效值：Uo=Ud/2=50V。又因為 P=200W 所以有電阻：5.5 單相橋式逆變仿真電路圖273. 仿真波形5.6 單相橋式逆變輸出波形電路圖如上圖所示，波形從上到下依次為負載電流：最大值為8A 的方波。負載電壓：最大值為100V，波形與負載電流相同VT4 的觸發脈沖波形：幅值為5，周期0.01s.VT4

28、 電流波形：最大值8A，最小值0AVT4 電壓波形：最大值100V，最小值0V。326. 課程設計總結我這次電力電子技術課設主要設計單相整流和逆變電路并進行仿真，讓我有 機會將課堂上所學的理論知識運用到實際中，并通過對知識的綜合運用，進行必 要的分析、比較，從而進一步驗證了所學的理論知識。同時，這次課程設計，還 讓我知道了最重要的是心態，在剛開始會覺得困難，但是只要充滿信心，就肯定 會完成的。通過電力電子技術課程設計，我加深了對課本專業知識的理解，平常都是理論知識的學習，在此次課程設計過程中，我更進一步地熟悉了單相整流電路和逆 變電路的原理和并深入了解了兩者的不同之處，對它們的認識不再僅僅停留在表 面，而是真正明白了兩者的用途。當然，在這個過程中我也遇到了困難，查閱資 料，相互通過討論。我準確地