交流交流变频器设计.doc

学 号： 0121011350329课 程 设 计题 目交流/交流变频器设计学 院自动化学院专 业电气工程及其自动化班 级电气1003班姓 名申廷进指导教师吴 勇2013年6月28日课程设计任务书学生姓名： 申廷进 专业班级： 电 气1003 指导教师： 吴 勇 工作单位： 自动化学院 题 目: 交流/交流变频器设计初始条件：输入三相交流电：380V，50HZ。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、输出单相交流电，100V，1200HZ。2、采用两级变换：AC/DC,DC/AC。3、设计出完整电路图。时间安排：课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。约占总时间的40%。第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要目前国际形势纷乱复杂、能源危机日益突出，能源瓶颈已经逐渐成为了制约国民经济持续发展的主要因素之一，迫切需要提高工农业生产中的能源利用率。本课程设计正是基于目前我国交流电气传动系统的现状，设计了一台电压源型通用变频器。随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流变频调速技术得到了迅速发展，其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽泛的调速范围，完善的保护功能，以及易于实现的自动通信功能，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。因此，研究交直交变频调速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，主回路主要有两部分组成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。使用Altium Designer进行电路设计，通过试验对该交直交变频器的基本工作原理、工作特性及作用有更深的认识，也对谐波对于交直交变频器的影响有了一定的了解。关键词：交直交变频，整流，逆变，Altium Designer设计目录1 绪论11.1 课程设计的目的11.2 课程设计的任务和要求12方案设计22.1总体结构原理图22.2整流滤波电路22.2.1整流滤波电路设计图22.2.3整流滤波电路工作原理32.2.4整流滤波电路定量分析52.3逆变电路设计52.3.1 SPWM控制技术的原理52.3.2电压型逆变电路的特点及主要类型72.3.3逆变电路设计82.3.4逆变电路工作过程和波形分析83 Altium Designer设计总电路图104 心得体会11参考文献12交流/交流变频器设计1 绪论1.1 课程设计的目的电力电子是电气专业的专业课，具有很强的实践性和工程背景，电力电子课程设计的目的在于培养学生综合运用电力电子的知识和理论分析和解决设计问题，使学生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法，提高学生调查研究、查阅文献及正确使用技术资料、标准、手册等工具书的能力，理解分析、制定设计方案的能力，设计计算和绘图能力，实验研究及系统调试能力，编写设计说明书的能力。1.2 课程设计的任务和要求本次设计任务是：设计一个交流/交流变频器本次课程设计的要求：（1）输入380V，50HZ的三相交流电（2）输出100V，1200HZ单相交流电（3）采用AC/DC,DC/AC两级变换，设计出完整的电路图2方案设计2.1总体结构原理图根据设计要求，本次设计的交流/交流变换器需要采用两级电路，即先采用AC/DC的整流电路，把380V的三相交流电变成直流电，再采用DC/AC的变电路，把直流电变成单相交流电输出。结构原理图如图2-1所示：图2-1 总体结构原理图2.2整流滤波电路三相桥式整流电路。该整流电路是由一组共阴极和一组共阳极电路串联而成的。三相桥式的整流电压为三相半波的两倍。三相桥式整流电路在任何时候都有两个晶闸管导通，而且这两个晶闸管中一个是共阴极组的，一个是共阳极组的，他们同时导通，形成导电回路。晶闸管承受的最大反向电压和方案一中一样，均为线电压的峰值，但是晶闸管承受的最大正向电压为相电压峰值的一半。2.2.1整流滤波电路设计图根据设计的方案，采用三相桥式全控整流电路。电路图如图2-2所示：习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。图2-2 三相桥式全控整流电路2.2.3整流滤波电路工作原理=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压 ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud = ud1ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压 ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线。由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势Li，它的极性事阻止电流变化的。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。通过触发脉冲的控制，六个晶闸管按VT1VT2VT3VT4VT5VT6的顺序导通，相位依次相差60°；共阴极组按VT1VT3VT5的顺序导通，相位依次相差120°；共阳极组按VT4VT6VT2顺序导通，相位也是依次相差120°；同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2导通相差180°。通过改晶闸管变触发角，整流输出的波形也随之改变。当带电阻性负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为120°；当带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90°。三相桥式全控整流电路在时的输出波形图如图2-3所示：图2-3 三相桥式全控整流电路在=0°时的输出波形图2.2.4整流滤波电路定量分析根据三相桥式全控整流电路的工作原理，整流输出电压的波形在一个周期内脉动六次，而且每次的波形相同，结合图2-3，对三相桥式全控整流电路的定量分析只须针对一个脉波进行计算即可。阻感性负载时，由于电流连续，故有整流输出电压平均值为：电阻性负载时，由于电流可能断续，故有以下两种计算方法：当时，有当时，有2.3逆变电路设计与整流电路相比较，把直流电变成交流电的电路成为逆变电路。当交流侧接在电网上，称为有源逆变；当交流侧直接和负载相接时，称为无源逆变。在不加说明时，逆变电路一般指无源逆变。逆变电路在现实生活中有很广泛的应用。交流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移，这称为换流。换流是实现逆变的基础。通过控制开关器件的开通和关断来控制电流通过的支路，这就是实现换流的基本原理。换流有多种方式，其中主要分为器件换流、电网换流、负载换流和强迫换流四种方式。采用电压型全桥逆变电路。在电压型逆变电路中，直流电源是交流整流后，由大电容滤波后形成的电压源。此电压源的交流内阻抗近似于零，他吸收负载端得谐波无功功率。逆变电路工作时，输出电压幅值等于输入电压的方波电压。2.3.1 SPWM控制技术的原理SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）控制技术就是在PWM的基础上，改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按照正弦规律排列，这样波形经过适当的滤波就可以做到正弦波输出。PWM控制技术的基础源于采样控制理论中的面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。图2-4中，正弦波被分成N等份，就可以把正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲序列组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形波脉冲和相应的正弦部分面积（冲量）相等，就得到图2-4下半部分所示的脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM波形。图2-4 用PWM波代替正弦半波根据PWM控制的基本原理，如果给出了逆变电路的正弦波输出的频率、幅值和半个周期内的脉冲数，PWM波形中各个脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算的结果控制逆变电路中各个开关的器件的通断，就可以的到所需要的PWM波形。这种方法称之为计算法。很明显可以看出，计算法十分繁琐，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要发生变化。与计算法相对的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接收调制的信号作为载波，通过信号波的调制的到所期望的PWM波形。图2-5 调制法产生SPWM波形2.3.2电压型逆变电路的特点及主要类型 根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的则称为电流型逆变电路。电压型逆变电路有以下特点：1） 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2） 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同。3） 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧想直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联续流二极管。 逆变电路分为三相和单相两大类。其中，单相逆变电路主要采用桥式接法。主要有：单相半桥和单相全桥逆变电路。而三相电压型逆变电路则是由三个单相逆变电路组成。最常用的是三相桥式逆变电路。2.3.3逆变电路设计根据选择的方案，采用电压型桥式逆变电路。电路图如图2-6所示：图2-6 电压型桥式逆变电路如图2-6所示，单相全桥逆变电路主要有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。其中桥臂1,4为一对，桥臂2，3为一对。每个桥臂由一个可控器件IGBT以及一个反并联的二极管组成。在直流侧接有足够大的电容，负载接在桥臂之间。它的具体工作过程如下：设最初时刻时，给IGBT Q1、Q4触发信号，使其导通。则电流通过桥臂1，负载，桥臂4构成一个导通回路。当时刻时，给Q2,Q3触发信号，给Q1,Q4关断信号。但由于负载电感较大，通过它的电流不能突变，所以二极管VD2,VD3导通进行续流。当电流逐渐减小为0，桥臂1,4关断，桥臂2,3导通，构成一个回路，从而实现换流。2.3.4逆变电路工作过程和波形分析在接阻感负载时，还可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式称为移相调压。移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。在图1所示的单相全桥逆变电路图中，各个IGBT的栅极信号仍为180°正偏，180°反偏，并且栅极信号互补,但基极信号不是比落后180°，而是只落后。也就是说栅极信号不是信号同相位，而是前移了180°-。这样，输出的电压就不再是正负各为180°的的脉冲，而是正负各为的脉冲，其波形如图2-7所示。 设在时刻前和导通，输出电压为，时刻和栅极信号反向，截止，而电流不能突变，不能立刻导通，导通续流。因和同时导通，所以为零。时刻和栅极信号反向，截止，不能立刻导通，导通续流，和构成电流通道，输出电压为。负载电流过零反向时，和导通，输出电仍为。以后过程和前面类似。图2-7 电压型桥式逆变电路工作波形图3 Altium Designer设计总电路图 如图3-1所示为总电路图：图3-1电路总体图 Altium Designer环境是一个软件集成平台，汇集了所有必要的工具来创建一个单一的应用程序中的电子产品开发完整的环境。 Altium Designer包括所有设计任务的工具：从原理图和HDL设计输入，电路仿真，信号完整性分析，PCB设计以及基于FPGA的嵌入式系统设计和开发。由图可知，本电路图先采用AC/DC的整流电路，把380V，50Hz的三相交流电变成直流电，再采用DC/AC的变电路，把直流电变成100V,1200Hz单相交流电输出。电路中还有一个滤波电容，她的作用是：（1)降低脉动成份，整流后的电流是单向的脉动电流，(50(半波)或100(全波)/秒个单向波)，并非是平滑的直流电流，而电容的作用就是利用其充放电的特性，在这里高充低放的来拉平这些单向脉动波，同时也提升了输出直流电压的平均值。 （2)回路残存的交流成份和滤除高次谐波，由于电容的通交隔直作用使这些杂波成份短路回流，为了弥补大容量电容的电感阻抗效应，也可在大电容上再并接一只小容量电容。 （3)提高电源输出的瞬间过载能力。电源滤波电容都是大容量的，它的蓄能作用可使电路的瞬间电流特性提高以适应那些瞬间电流过大的负载。4 心得体会本文分析了三相AC/DC/AC变频器的基本原理、工作特性、基本作用。经分析可知，一般的AC/DC/AC变频器主要有两大模块组成：整流模块和逆变模块。因此，将该系统的两大主要模块分开来研究之后，再进行AC/DC/AC变频器的设计仿真就会简单的多。通过这次课程设计，我个人感觉获益匪浅，不仅通过这次课程设计加深了对书本理论知识的理解，更通过自己的亲身实践，对书本知识在实践中的应用有了更深的认识。除此之外，这次课程设计用到的一些软件，比如protel和Altium Designer等，都是自己平时很少接触的，但是作为电气专业的学生，这些软件又是必须掌握的，正好借这次课程设计，初步认识了解了一下这些软件，对今后的学习会有很大帮助。参考文献1王兆安、黄俊,电力电子技术.北京：机械工业出版社，20082王维平,现代电力电子技术及应用.南京：东南大学出版社，1999 3叶斌,电力电子应用技术及装置.北京：铁道出版社，19994马建国,孟宪元.电子设计自动化技术基础.清华大学出版社,20045马建国,电子系统设计.北京：高等教育出版社,2004 6王锁萍,电子设计自动化教程.四川：电子科技大学出版社2002本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：序 号1选题合理，目的明确（10分）2设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）3设计结果（例如：硬件成果、软件程序）（25分）4态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）5设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）6答辩（20分）总 分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日