电力电子课程设计交流交流变频器设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 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 日交流/交流变频器设计1 设计任务及要求1.1设计任务设计一个交流/交流变频器设计1.2设计要求初始条件：输入三相交流电：380V，50HZ。要求完成的主要任务: 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2 总体设计方案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：输 入三相交流电AC/DC三相整流电路DC/AC单相逆变电路输出信号图2-1 总体结构原理图2.2 整流滤波电路2.2.1方案选择方案一：采用三相半波整流电路。该整流电路在控制角小于30°时，输出电压和输出电流波形是连续的，每个晶闸管按相序依次被触发导通，同时关断前面已经导通的晶闸管，每个晶闸管导通120°；当控制角大于30°时，输出电压和输出电流的波形是断续的。当两个晶闸管同时导通时，即在换向重叠角部分，晶闸管承受的最大反向电压为线电压的峰值，而承受的最大正向电压为相电压的峰值。方案二：三相桥式整流电路。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。比较以上两种方案，方案二整流输出电压高，纹波电压较小而且不存在断续现象，同时因电源变压器在正、负半周内部有电流供给给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率高，而且对晶闸管的要求较低，可以减小在整流过程中的功率损耗，提高利用率，因此选用方案二。滤波电路用于滤波整流输出电压中的纹波，采用负载电阻两端并联电容器C的方式。2.2.2整流滤波电路设计图根据选择的方案，采用三相桥式全控整流电路。电路图如图2-2所示：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当晶闸管的触发角=0°时，各个晶闸管均在自然换向点处换向。对于共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压只最大的一个导通，而对于共阴极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最小（或者说负的最多）的一个导通。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的顺序导通，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=0°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60°时，有当>60°时，有2.3 逆变电路设计2.3.1 方案选择方案一：采用电流型全桥逆变电路。在电流型逆变电路中，直流输入时交流整流后，由大电感滤波后形成的电流源。此电流源的交流内阻近似于无穷大，他吸收负载的谐波无功功率。逆变电路工作时，输出电流是幅值等于输入电流的方波电流。方案二：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。比较以上两种方案，电流型桥式逆变电路采用的是半控器件晶闸管，可能出现换相失败等情况，导致逆变失败。电压型桥式逆变电路采用的是全控器件IGBT，便于控制。综上所述，选择方案二。2.3.2 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2.3.3 逆变电路设计图根据选择的方案，采用电压型桥式逆变电路。电路图如图2-5所示：图2-5 电压型桥式逆变电路2.3.4 逆变电路工作原理设在时刻前和导通，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2-6 电压型桥式逆变电路工作波形图3 MATLAB仿真3.1 整流电路仿真利用MATLAB软件对设计的整流部分进行仿真，仿真电路图如图3-1所示：图3-1整流电路仿真电路图图3-2 整流电路仿真结果3.2 逆变电路仿真利用MTLAB软件对逆变部分进行仿真，仿真电路如图3-3所示：图3-3 逆变电路仿真电路图图3-4逆变电路仿真结果4.心得体会刚开始看到这个题目的时候，觉得好像不是很难，因为理论知识在课本上都讲过了，而且不难理解。对于交流/交流逆变器，一般有两种方法，一种是直接的AC/AC变换，另一种是先AC/DC整流，再DC/AC逆变。相比之下，第二种方法简单一点，因为就是整流电路和逆变电路的结合，只要分别做好两个部分，然后把它们组合成一个完整电路，就完成了交流/交流变频器电路的设计。但是在实际操作的过程中，还是遇到了一些问题，比如在使用protel绘制原理图时，有一些元件找不到，最后只能通过修改元件的方法，自己绘制了一个。在设计过程中遇到的最大问题就是在使用MATLAB仿真。因为很少使用MATLAB软件，对它不是很了解，在仿真的过程中，按照以前使用proteus等软件的思路去一个一个的找元件，然后按照原理图把他们连接好，但是连接好后，发现需要的脉冲信号太多了，不知道要怎样设置各个信号之间的间隔，导致不能仿真，只能重新来过。后来通过请教同学，知道可以使用simulink仿真元件库里的一些集成元件，比如整流桥等，只需要对他们的参数进行调试，就能很轻松的用较少的元件完成原理图的设计。在确认电路图无误后，就开始仿真，但是仿真出来的结果和理论值千差万别，自己也不知道为什么，只好在每个部分都添加了电流表和电压变，并通过示波器显示的波形来研究究竟是哪一个环节出了问题，然后尝试着去修改一些元件的参数值，然后再仿真，再修改，如此反复，直到波形和理论值相近，最终调出了满意的波形。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MATLAB等，都是自己平时很少接触的，但是作为自动化专业的学生，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。附表一 总体电路图设计附表二 总体MATLAB仿真图参考文献1 何超.交流变频调速技术.北京：北京航空航天出版社,2006.1-65.2 梁昊.最新变频器标准实施和设计.北京：电力出版社，2005.125-136.3 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2007.1-165. 4 杜金城.电气变频调速设计技术.北京：中国电力出版社，2001.195-205. 5 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001.171-201.6 孙立志.PWM与数字电动机控制技术应用.北京：中国电力出版社，2008. 1-22 7 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统.北京：机械工业出版社，1998.5-35. 8 叶斌.电力电子应用技术.北京：清华大学出版社，2006.199-236. 目录1 设计任务及要求11.1设计任务1设计一个交流/交流变频器设计11.2设计要求12 总体设计方案22.1总体结构原理图22.2 整流滤波电路22.2.1方案选择22.2.2整流滤波电路设计图32.2.3 整流滤波电路工作原理32.2.4 整流滤波电路定量分析42.3 逆变电路设计52.3.1 方案选择52.3.2 SPWM控制技术的原理52.3.3 逆变电路设计图72.3.4 逆变电路工作原理73 MATLAB仿真83.1 整流电路仿真83.2 逆变电路仿真94 心得体会10附表一 总体电路图设计11附表二 总体MATLAB仿真图12参考文献12附件6：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