中北大学电力电子课程设计-三相半波有源逆变电路设计

电子技术课程设计说明书三相半波有源逆变电路设计三号体学生姓名： 学号： 学 院：信息与通信工程学院 专 业：电气工程及其自动化 指导教师：石喜玲 2013年 1 月中北大学电子技术课程设计任务书 2012/2013 学年第 一 学期学 院：信息与通信工程学院专 业：电气工程及其自动化学 生 姓 名：学 号：课程设计题目：三相半波有源逆变电路设计起 迄 日 期: 12月24日 01月4 日课程设计地点:电气工程系软件实验室指 导 教 师:石喜玲系主任：王忠庆下达任务书日期: 2012 年 12 月 24日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1.加深理解电力电子技术课程的基本理论2.掌握电力电子电路的一般设计方法，具备初步的独立设计能力3.学习MATLAB仿真软件及各模块参数的确定2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 设计条件：1.电源电压：三相交流U2：100V/50Hz 2.负载参数：，直流电动势 3.逆变角 4.阻感负载根据课程设计题目和设计条件，说明主电路的工作原理、计算选择元器件参数。设计内容包括：1. 晶闸管电流、电压额定参数选择 2. 触发电路的设计 3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1.根据设计题目要求的指标，通过查阅有关资料分析其工作原理，确定各器件参数，设计电路原理图；2.利用MATLAB仿真软件绘制主电路结构模型图，设置相应的参数。3.用示波器模块观察和记录电源电压、触发信号、晶闸管电流和电压，负载电流和电压的波形图。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1.王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.20092.李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.20053.洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.20064.钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.20105设计成果形式及要求：1.电路原理图及各器件参数计算2. MATLAB仿真3.编写课程设计报告。6工作计划及进度：2012年12月24日 12月25日 设计电路，计算参数12月26日 12月31日 对设计的电路进行MATLAB仿真2013年01月01日 01月04日 编写课程设计说明书，答辩或成绩考核系主任审查意见： 签字： 年 月 日目录1 引言11.1逆变的应用11.2逆变的分类11.3有源逆变产生的条件12主电路设计及工作原理22.1总体框架图22.2主体电路图22.3 工作原理33 单元电路设计33.1 触发电路33.2波形观察电路43.3设计电路图54参数计算55仿真波形图66数据分析77心得体会7参考文献71 引言1.1逆变的应用随着科技的快速发展，逆变电路已经越来越多的出现在人们的生活中。目前，逆变电路的已经在很多领域应用到，比如电脑、电视、洗衣机、空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、录像机、按摩器、风扇、照明、交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。1.2逆变的分类逆变与整流相对应，是把直流电能经过直交变换，向交流电源反馈能量的变换电路。当交流侧接电网，称为有源逆变，当交流侧接负载，称为无源逆变。当直流侧是电压源，称为电压源型逆变电路，当直流侧是电流源，又称为电流源型逆变电路，电压型逆变电路输出电压是矩形波，电流型逆变电路输出电流是矩形波。全控整流电路既能工作在整流方式，又能工作在有源逆变方式，即电路在一定条件下，电能从ACDC；在另外条件下，电能又可以从DC返回AC。1.3 有源逆变产生的条件（1）负载侧存在一个直流电源E，由它提供能量，其电势极性与变流器的整流电压相反，对晶闸管为正向偏置电压。（2）变流器在其直流侧输出应有一个与原整流电压极性相反的逆变电压u，其平均值U90 ，使输出电压为负值。2 主电路设计及工作原理2.1总体框架图图1总体框架图总体工作原理说明，交流电给主电路的晶闸管和触发电路供电，触发电路触发晶闸管导通，由于直流电源电压大于交流电源平均电压，故能量由直流电源侧流向交流电源侧。2.2主体电路图（用protues绘制）图2 主电路图主电路分析，由3个相位依次相差120的交流电源组成三相交流电源，并分别于三个晶闸管相连，三个晶闸管共阴极连接，负载为电阻、电感、直流电源，直流电源与晶闸管正向导通方向一致。2.3 工作原理三相半波有源逆变电路带电阻电感负载时，负载直流电源对晶闸管正向偏置电压，电路触发脉冲控制角移相范围在90180之间，即逆变角范围是090。在某时刻（本题=150）VT1触发导通，由于直流电源的作用，即使VA相电压为负，VT1仍能导通。接下来VT2，VT3依次落后120导通。VT1、VT2、VT3依次导通120,因为直流电源电压大于交流电源平均电压，电能由直流转换为交流，实现了有源逆变。3 单元电路设计3.1 触发电路触发脉冲的宽度应保证晶闸管开关可靠导通（门极电流应大于擎柱电流），触发脉冲应有足够的幅度，不超过门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内，应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来图3触发电路控制输出电压大小。为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。如上图为触发电路。由三片集成触发电路芯片KJ004和一片集成双脉冲发生器芯片KJ041形成六路脉冲，再由六个晶闸管进行脉冲放大，即构成完整的触发电路产生的触发信号用接插线与主电路各晶闸管链接。该电路可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。本题仿真时采用了synchronized 6-pluse generator作为题中的三个晶闸管的触发脉冲输入电路，初始触发脉冲设为150度角，选择1,3,5触发信号接入。芯片会自动给各个晶闸管提供所需要的触发脉冲，使晶闸管在需要导通的时候导通，以确保电路的正常运行。3.2波形观察电路在物理学上常用的观察波形的器件是示波器，在matlab软件中，也是使用虚拟的scope（示波器）作为电路的输出波形观察装置！示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。在软件中，将需要观察的物理量通过电压表或电流表进行量化，然后将电压表或电流表的输出段端接到示波器的输入端，通过运行，便可直观的看到所要测得的器件两端的物理量！3.3设计电路图图4原理图4 参数计算实验电源选择市电（AC220V/50HZ）经过变压器降压至100V/50HZ，负载电阻，直流电动势，逆变角，即=150。根据实验测得的波形可以求得如下参数：输出平均电压：Ud=326+56+2U2costdt = 1.17U2cos= 1.17100cos150=-101.3V输出平均电流： Id=Ud-EMR=-101.3-(-150)5=9.7A晶闸管额定电流选取： IVT=Id3=9.73= 5.6A K f=IVTId=13 IT=KfId1.57=139.71.57=3.57A考虑晶闸管有2倍左右的电流储备，额定电流取7A晶闸管额定电压选取：晶闸管承受最大反向电压为6U2=244.9V,考虑晶闸管有2-3倍左右的电压储备，取UVT=600V。5 仿真波形图图5电源电压及触发信号波形图图6晶闸管电压和电流波形图图7负载电压和电流的波形图6 数据分析根据上面的波形图，可以看出在输入电源的正弦波一个周期内，输出波有三个周期。由此可知，图形中的三个晶闸管分别各自轮流导通，导通时间是120，关断时间240。并有3个触发脉冲。波形上输出电压在负半轴，与逆变结果相应。由于负载接大电感，输出电流波形近似直线。从图上读取为9V左右，与计算相近。从波形图上读取晶闸管承受的最大电压大约250V，与计算结果相近。7 心得体会通过此次课程设计，我从完全不懂到逐渐了解，再到基本学会使用Matlab仿真，它是与我们专业密切联系的软件。其中掌握了用Matlab对电力电子电路进行仿真，观察波形，调整参数等操作。当然这次实验有遇到了不少的困难，也出现了不少的错误，反映出基础知识的某些地方还有薄弱的地方。通过自己查找资料，苦心探索实践，与同学讨论学习，使我进步了许多，学到了很多东西。不论是在基础理论上还是思维能力、动手能力上都有了比较大的提高。很高兴有这么一次课程设计的机会，我想它将对以后的学习和今后的工作带来一定的好处。电力电子技术既是一门技术基础课程，也是实用性很强的一门课程。因此，电力电子装置的应用是十分重要的。电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源，恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说电力电子技术研究的也是电源技术。参考文献1.冷增祥.电力电子技术.东南大学出版社.20082.王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.20093.李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.20054.洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.20065.钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2010备注：本设计仅供参考，希望学弟学妹不要为苦逼的课程设计而烦恼，但是也只是个参考，只有自己亲自动手设计了才能学到东西，本设计不足之处欢迎指正，大家也可相互交流学习13 / 13