ACAC转换电源电路的设计要点.docx

前言利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情 况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换 成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正 常交流电源中断时， 用逆变器 (见电力变流器) 将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。 应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能 转换成电能。电力电子技术在如今的社会中有着不可或缺的作用。(1) 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效 和节约，实现了电能使用最佳化。(2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的 重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的 保证和基础。(3) 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化 方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高 速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。(4) 电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技 术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子 学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将 把人们带到第二次电子革命的边缘。目录前 言 1摘要 31设计目的 42主要技术参数 5.3主电路图 64电路各部分工作原理分析 7.4.1 整流电路的设计 7.4.1.1工作原理 7.4.1.2 主要数量关系 8.4.2 逆变电路的设计 9.4.2.1 三相电压型桥式逆变电路 9.4.2.2 逆变器主电路设计 1.14.3 脉宽控制电路的设计 1.2.4.3.1 SG3524芯片 1.2.4.3.2 利用 SG3524生成 SPWM信号 1.34.4 驱动电路的设计 1.5.4.5 整流变压器的设计 1.7.4.6 保护电路原理框图及工作原理2 5 系统仿真 5.1 系统仿真电路图 5.2 SPWM设计 6. 设计小结 1.9.7.附表： AC/AC转换电源所用元器件 1.8参考文献 2.0.摘要本次课程设计题目为 AC/AC 转换电源设计。经过设计使输入为 380v 的三相交流电， 转换为输出为 200v ，频率为 60Hz 的三相交流正弦波输出。设计过程从原理分析、元器件 的选取，到方案的确定，巩固了理论知识，基本达到设计要求。本文将按照设计思路对过程进行剖析，并进行相应的原理讲解，包括整流电路和逆变 电路的理论基础， 此外，还会清晰的介绍各个部分电路以及元器件的取舍， 比如驱动电路、 抗干扰电路、正弦信号产生电路等，其中部分电路的绘制采用了 Proteus 软件，建立了 AC/AC 转换电源的仿真模型，进而通过软件得到较为理想的实验结果。关键词： AC/AC 转换电源 三相 整流电路 逆变电路 仿真AC/AC转换电源设计1设计目的1.1 把从电力电子技术课程中所学到的理论和实践知识，在课程设计实践中全面综合的加 以运用，使这些知识得到巩固、提高，并使理论知识与实践技能密切结合起来。1.2 初步树立起正确的设计思想，掌握一般电力电子电路设计的基本方法和技能，培养观 察、分析和解决问题及独立设计的能力，训练设计构思和创新能力。1.3 培养具有查阅参考文献和技术资料的能力，能熟悉或较熟悉地应用相关手册、图表、 国家标准，为今后成为一名合格的电气工程技术人员进行必须的基本技能和基本素质训 练。2主要技术参数3.1 输出电压： AC三相四线正弦波( 115/200V)3.2 输出功率： 20KVA3.3 输出频率： 60Hz3.4 输入电压： 380V三相交流电3.5 输入频率： 50Hz3主电路图AC/AC转换电源的主电路的结构框图如图 1 的虚线框所示，主电路主要包括输入整流滤波 电路、直流滤波电路、电源逆变电路、隔离变换电路和输出滤波电路。图 1 主电路结构框图主电路的主要功能是从市电中获得符合技术指标的交流电。其工作原理如下：380V、50Hz的三相交流市电，经过三相整流电路整流成直流电，整流电路输出的直流电作为逆变电路 的输入直流电压，此直流电压经过逆变电路变成所需的交流电，为了使逆变电路和输出电 路之间实现电压匹配，需在两者之间加入电源变压器，逆变器输出的交流电压需要经过电 源变压器后得到所需电压和频率的交流电压。为了使输出的交流电压的供电质量更好，还 应设计输出 LC 滤波电路，最后给负载供电。4电路各部分工作原理分析4.1 整流电路的设计4.1.1 工作原理在交直交变频器等应用场合中，大都采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源， 供后级的逆变器使用。只要将全控整流电路中的晶闸管换为整流二极管，就是不可控整流 电路。03a图 2 整流电路在电容滤波的三相不可控整流电路中，最常用的是三相桥式结构。该电路中，当某一 对二极管导通时， 输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个， 该线电压既向电容供电， 也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载供电， ud 按指数规律下降。设二极管在距线电压过零点 角处开始导通，并以二极管 VD6和 VD1开始同时导通的时 刻为时间零点，则线电压为 : uab2U2 sin( t /6)相电压为： uab6U 2sin( t )在 t=0 时，二极管 VD6和 VD1开始同时导通，直流侧电压等于 Uab；下一次同时导通的 一对管子是 VD1 和 VD2，直流侧电压等于 Uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一 种是在 VD1和 VD2同时导通之前 VD6和 VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流 i d是断续的；另一种是 VD1一直导通，交替时由 VD6导通换相至 VD2导通， i d是连续的。介于二者之 间的临界情况是， VD6 和 VD1同时导通的阶段与 VD1和 VD2 同时导通的阶段在 t+=2/3处恰好衔接起来， i d恰好连续。由 “电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假 设在 wt+d =2p/3 的时刻“速度相等”恰好发生，则有：d 6U 2 sin( t + ) d( t)d( t)i ia由上式可得电流 id 断续和连续的临界条件 RC 3d i dO w t O w t a) b)图 3 电流波形4.1.2主要数量关系输出电压平均值空载时，输出电压平均值最大，为 Ud 6U2 2.45U2 。随着负载加重，输出电压平 均值减少，至 RC 3 进入 i d 连续情况后，输出电压波形成为线电压的包络线，其平 均值为 Ud=2.34U2。可见， Ud在 2.34U2 2.45U2之间变化。与电容滤波器的单相桥式不可控 整流电路相比， Ud的变化范围小得多， 当负载加重到一定程度后， Ud稳定在 2.34U2 不变了电流平均值输出电流平均值 IR为 IR = Ud /R。与单相电路情况一样，电容电流 i C平均值为零，因此 Id = I R。在一个电源周期中， i d有六个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因 此二极管电流平均值为 Id的 1/3，即二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为 6U2 。4.2 逆变电路的设计4.2.1 三相电压型桥式逆变电路用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最为广泛 的还是三相桥式逆变电路。采用 IGBT 作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图 3 所 示，可以看成是由三个半桥逆变电路组成。图 4 三相电压型桥式逆变电路电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了方便分析，画作串联的两个电容 器并标出假想中点 N 。和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本 工作方式也是 180 导电方式，即每个桥臂的导电角度为 180 ，同一相（即同一半桥）上下 两个臂交替导电，各相开始导电的角度以此相差 120 。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂 同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因 为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。以下分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。 对于 U 相输出来说，当桥臂 1 导通时， uUN Ud 2，当桥臂 4 导通时， uUNUd 2 。因此， uUN 的波形是幅值为 Ud / 2的矩形波。V、W 两相的情况和 U 相类似， uVN 、uWN 的波形形状和 uUN 相同，只是相位依次差 120°。 负载线电压可由下式求出：uUV uUN' uVN'uVW uVN' uWN'uWU uWN' uUN'设负载中点 N 与直流电源假想中点 N 之间的电压为 uNN ，则负载各相的相电压分别为：uVNuVN'uNN'uWNuWN' uNN '三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图 4 所示uUVU duNNuUNiUidO图 5 三相电压型桥式逆变电路的工作波形下面对三相桥式逆变电路的输出电压进行定量分析。把输出线电压展开成傅里叶级数 得：2 3U d111uUVd (sin t sin5 t sin7 t sin11 t )UV57112 3Ud sin t1( 1)k sinn tnn式中， n 6k 1， k 为自然数。输出线电压有效值 UUV 为1 2 2 U UVuUV d t 0.816U d20基波幅值 UUV1m 和基波有效值 U UV 1分别为UUV1m1.1Ud ；UUV1UV1m 6 Ud 0.78U d接下来，我们再对负载相电压 uUN 进行分析。把 uUN 展开成傅里叶级数得 2U d111uUN(sin tsin 5 t sin 7 t sin11 t )UN57112U d1=( sintsinnt)nn式中， n 6k 1 ，k 为自然数。 负载相电压有效值 UUN 为12U UNuUN d t 0.471U dUN 2 0 UN d 基波幅值 UUN1m和基波有效值 UUN1 分别为UUN1m 2Ud 0.637U d ；UUN1U UN 1m0.45U4.2.2 逆变器主电路设计图 5 是 SPWM 逆变器的主电路设计图。图中 VlV6 是逆变器的六个功率开关器件， 各由一个续流二极管反并联， 整个逆变器由恒值直流电压 U 供电。一组三相对称的正弦参 考电压信号由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输 出频率范围内可调。参考信号的幅值也可在一定范围内变化，决定输出电压的大小。三角 载波信号 U c是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产 生 SPWM脉冲序列波。 Uda，Udb ， U dc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。当Uru Uun U d 2时，给 V4导通信号，给 V1关断信号 Uun U d 2，给 V1(V4)加 导通信号时，可能是 V1(V4)导通，也可能是 VD1(VD4)导通。 Ud 和U wn 的 PWM波形只有 Ud / 2两种电平。当 Uru U c时，给 V1导通信号，给 V4关断信号， Uun Ud / 2。Uuv 的波形可由 Uun Uvn 得出，当 1和 6 通时， Uuv Ud，当 3 和 4 通时， Uuv Ud，当 1 和 3或 4和6通时，U uv =0。输出线电压 PWM波由 Ud和 0三种电平构成负载相电压 PWM波由( ± 2/3) U d ， ( ± 1/3) Ud和0共 5种电平组成。防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路， 留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间 决定。死区时间会给输出的 PWM 波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。4.3 脉宽控制电路的设计4.3.1 SG3524芯片SG3524 芯片是集成 PWM 控制器，其引脚图和内部框图分别如图 8、图 9 所示。图 7 SG3524 引脚图SG3524 工作过程是这样的：直流电源 Vs 从脚 15 接入后分两路， 一路加到或非门； 另一路送到基准电压稳压器的 输入端，产生稳定的 5V 基准电压。 5V 再送到内部（或外部）电路的其他元器件作为 电源。振荡器脚 7 须外接电容 CT ，脚 6 须外接电阻 RT。振荡器频率 f 由外接电阻 RT 和电 容 CT 决定， f=1.18/RTCT 。振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触 发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相端，比较器的反向端接正弦波 调制信号，通过芯片内置的比较器完成载波和调制波的比较，产生 SPWM 信号。4.3.2 利用 SG3524 生成 SPWM 信号4.3.2.1 调制波及载波的产生正弦波信号 ut 由函数发生器 ICL8038 产生。图 9 ICL8038 用于正弦波信号发生正弦波的频率由 R1、R2和 C来决定， f=，为了调试方便，将 R1、 R2都用可1 2（R1+R2） C1 2调电阻， R2和 R 是用来调整正弦波失真度用的。通过查询资料得知，当 f 60Hz 时,R1 R2 11.36K , C=0.22 F。正弦波信号产生后，一路经过精密全波整流，得到正弦波 ur ，另外两路得到与正弦波 同频率、同相位的方波和三角波。ICL8038 的引脚图如图 9 所示。图 10 ICL8038 引脚图载波可以是等腰三角波或者锯齿波，由于 SG3524 可以直接产生锯齿波，所以，直接 用 SG3524 本身产生的锯齿波作为载波即可。4.3.2.2 SPWM 信号的产生ICL8038 产生的正弦波 ur与 1V 基准经过加法器后得到 u d ，ud输入到 SG3524 的脚 1， 脚 2 与脚 9 相连，这样 ud 和锯齿波将在 SG3524 内部的比较器进行比较产生 SPWM 信号。左电桥的控制信号可以由正弦信号与直流电压通过电压比较器产生，本次课程设计采用 LM339 芯片，其引脚图如图所示。LM339 集成块内部装有四个独立的电压比较器，可以任意选用，该电压比较器主要有 以下几个特点：1）失调电压小，典型值为 2mV ；2）电源电压范围宽，单电源为 2-36V ，双电源电压为 ±1V±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为 0 （Ucc-1.5V ）V；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。4.4 驱动电路的设计IGBT 需要有独立的驱动电路，并且要求供给驱动电路的电源相互隔离，这就使辅助 电源的设计更加复杂， 成本更高， 并且降低了逆变器的可靠性。 采用如 EXB840 等专用厚 膜集成驱动电路芯片虽然可以简化驱动电路的设计，但每个驱动芯片仍然需要一个独立的 供电电源，且每个芯片仅能驱动一个功率器件，应用极不方便。而 IR 公司生产的专用驱 动芯片 IR21306 ，只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变开关电路的 6 个功率开关器 件，使整个 ,驱动电路的设计变得极为简单，可靠性也大为提高。IR2130 可用来驱动工作在直流母线电压不超过 600V 的逆变开关电路中的 IGBT ，其 能输出的最大正向峰值驱动电流为 250mA ，反向峰值驱动电流为 500mA 。它自身带过流、 过压及欠压保护、并且有封锁和指示网络，方便用户有选择性地保护被驱动的开关器件。 另外 IR2130 内部运用了自举技术，使其可用于高压电路中。它对同一桥臂上下 2 个功率 器件的栅极驱动信号可产生 2 s互锁延时时间，这就使用户在设计软件时不必考虑死区效 应。它自身工作和电源电压的范围较宽，可达 3 20V ，在它的内部还设计有与被驱动的功 率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器。 它内部 3 个通道的高压侧驱动器和低压侧 驱动器可单独使用， 也可只用其内部的 3 个低压侧驱动器，并且输入信号与 TTL 及 COMS 电平兼容。IR2130 集成驱动芯片的引脚图如图 14 所示，在实际的应用中，需要加上相应的外围 电路。最后的基于 IR2130 的 IGBT驱动电路如图 15 所示，在实际的应用中，需要加上相 应的外围电路，最后的驱动电路如图 3.5 所示，C1、C2、C3 为自举电容，自举二极管 VD1、 VD2、VD3在高压侧 IGBT 导通时，必须能够承受主电路的高电压，而且为了减小在高压侧 IGBT导通时刻由自举电容反馈进主电路电源的电荷数量， 该自举二极管的反向恢复特性非 常重要，必须是快速恢复二极管。 R 为采样电阻，采样得到的电压经电阻分压后，输入到 IR2130的过流保护输入端，一旦电流超过过流保护整定值时，则封锁 6 个输出通道，从而 达到保护 IGBT 的目的，同时送出故障信号。4.5 整流变压器的设计在整流电路中：由整流电路的数量关系可得 U d 2.34U 2在逆变电路中：输出线电压有效值 U UV 为1 2 2UUVuUV2d t 0.816U dUV 2 0 UV d即： UUV 0.816U d 0.816 2.34U 2 1.91U 2若要求输出电压 UUV 为200V ， 1.91U 2 200V ，则U 2 104.7V所以变压器变比 K 380/104.7 3.637.附表： AC/AC转换电源所用元器件名称规格型号位号数量三相交流电源380V1整流二极管2CP296电容铝电解电容 CD71C3IGBTGT1531016逆变二极管BY550-10006电阻1K3EXB841富士4555 定时器NE5551SG35241IR21101LM33916. 设计小结本文设计了一个输入电压为 380V，频率为 50Hz 的交流电，输出功率为 20KVA、输出 电压为 115/200V、输出频率为 60Hz 的 AC/AC电源变换装置。设计过程依据从输出到输入 的设计过程，首先给出了 AC/AC电源变换装置的主电路结构，并介绍了这个装置的工作原 理。之后进行了 AC/AC电源变换装置主电路的参数设计，最后进行了辅助电路的设计。经过这次的电力电子课程设计后，我从中学到了很多东西。在我们学了电路 、电 力电子技术基础之后，对专业课程基础知识已经有了最基本的掌握和接触。在经过独立 设计，我成功的完成了本次设计。对于我个人而言，我熟练的掌握了设计三相电压型逆变 电路的一般方法，还进一步熟悉了其原理。开始拿到课题难免会感到陌生，不过经过自己 亲手实践后才发现，只有经过实践运用得来的知识，才是真正属于自己的东西。我们需要有扎实的知识基础，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的 问题进行分析解决。要有耐心和毅力。理论只有与实践结合才能把所学知识灵活运用，本 次课程设计我收获很大，既把课本上的理论知识给巩固了，也在实际操作中把所学知识与 实际的电路很好的联系起来，并且从客观上理解所学知识。这次设计中不但对以前的知识进行了巩固，而且还学会了更多的新知识，比如仿真软 件 Matlab 软件、 protues 软件，提高了思维、强化了动手能力，能够更好的适应独立自主 完成任务的挑战，为以后的就业打下了基础。参考文献1. 王兆安 刘进军 电力电子技术 北京：机械工业出版社 20092. 康华光 电子技术基础数字部分 北京：高等教育出版社 20053. 刘凤君 现代逆变技术及应用 北京：电子工业出版社 20064. 李宏 王崇武 现代电力电子技术基础 北京：机械工业出版社 20095. 陈国呈 PWM 逆变技术及应用 北京：中国电力出版社 20076. 陈国呈 PWM 电力电子变换技术 北京：中国电力出版社 20077. 洪乃刚 电力电子技术基础 北京：清华大学出版社 2008