單相電流型無源逆變器的設(shè)計與仿真課程設(shè)計

1、<p>　　本科課程設(shè)計專用封面</p><p>　　設(shè)計題目： 單相電流型無源逆變器的設(shè)計與仿真 </p><p>　　所修課程名稱： 電力電子技術(shù)課程設(shè)計 </p><p>　　修課程時間： 2012 年 06 月 17 日至 6 月 23 日</p><p>　　完成設(shè)計日期： 2012 年 06 月 23 日<

2、;/p><p>　　評閱成績： </p><p><b>　　評閱意見：</b></p><p>　　評閱教師簽名： 年 月 日</p><p>　　單相電流型無源逆變器的設(shè)計與仿真</p><p><b>　　一．設(shè)計要求</

3、b></p><p>　　1）完成單相電流型無源逆變器的設(shè)計與仿真的設(shè)計、仿真；</p><p><b>　　2）設(shè)計要求：</b></p><p>　　輸入的等效電流源9A，所用R=10Ω，L=1mH 輸出： I0 = 9A；U0= 90V;</p><p><b>　　二．題目分析 </b

4、></p><p>　　2.1流型逆變電路的主要特點</p><p>　?。?）直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。</p><p>　　（2）電路中開關(guān)器件的作用僅是改變直流甩流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負載阻抗情況的不同而不同。</p>

5、<p>　?。?）當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。因為反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣要給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。</p><p>　　2.2相電流型逆變電路</p><p>　　圖1是一種單相橋式電流型逆變電路的原理圖。電路由4個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的晶閘管各串聯(lián)一個電抗器LT。LT用來限制晶閘管開通時di/dt，各

6、橋臂的L之間不存在互感。使橋臂1、4和橋臂2、3以1000～2500Hz的中頻輪流導(dǎo)通，就可以在負載上得到中頻交流電。</p><p>　　該電路是采用負載換相方式工作的，要求負載電流略超前于負載電壓，即負載略呈容性。實際負載一般是電磁感應(yīng)線圈，用來加熱置于線圈內(nèi)的鋼料。圖1 中R和L串聯(lián)即為感應(yīng)線圈的等效電路。因為功率因數(shù)很低，故并聯(lián)補償電容器C。電容C和L、R 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，故這種逆變電路也被稱為并聯(lián)諧振

7、式逆變電路。負載換流方式要求負載電流超前于電壓，因此補償電容應(yīng)使負載過補償，使負載電路總體上工作在容性小失諧的情況下。  因為是電流型逆變電路，故其交流輸出電流波形接近矩形波，其中包含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。因基波頻率接近負載電路諧振頻率，故負載電路對基波呈現(xiàn)高阻抗，而對諧波呈現(xiàn)低阻抗，諧波在負載電路上產(chǎn)生的壓降很小，因此負載電壓的波形接近正弦波。</p><p>　　2.3

8、單相電流型逆變電路的工作過程</p><p>　　圖2是該逆變電路的工作波形。在交流電流的一個周期內(nèi)，有兩個穩(wěn)定導(dǎo)通階段和兩個換流階段。  tl～t2之間為晶閘管VTl和VT4穩(wěn)定導(dǎo)通階段，負載電流io=Id，近似為恒值，t2時刻之前在電容C上，即負載上建立了左正右負的電壓。</p><p>　　在 t2時刻觸發(fā)晶閘管VT2和VT3，因在t2前VT2和

9、60;VT3的陽極電壓等于負載電壓，為正值，故VT2和VT3開通，開始進入換流階段。由于每個晶閘管都串有換流電抗器LT，故 VTl 和 VT4 在 t2 時刻不能立刻關(guān)斷，其電流有一個減小過程。同樣，VT2 和 VT3 的電流也有一個增大過程。t2 時刻后，4個晶閘管全部導(dǎo)通，負載電容電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電。其中一個回路是經(jīng)&#

10、160;LTl、VTl、VT3、LT3回到電容C；另一個回路是經(jīng) LT2、VT2、VT4、LT4回到電容C，如圖2中虛線所示。在這個過程中，VTl、VT4電流逐漸減小，VT2、VT3電流逐漸增大。當t=t4時，VTl、VT4電流減至零而關(guān)斷，直流側(cè)電流Id全部從VTl、VT4轉(zhuǎn)移到VT2、VT3，換流階段結(jié)束。 稱為換流時間。因為負載電流 io=iVT1-iVT2，所以 io 在 t3&

11、#160;時刻，即 iVTl=iVT2 時刻過零，t3時刻大體位于t2和t4的中點。  晶閘管在電流減小到零后，尚需一段時間才能恢復(fù)正向阻斷能力。因此，在 t4時刻換流結(jié)束后，還要使VTl，VT4承受一段反壓時間 才能保證其可靠關(guān)斷。 </p><p>　　為了保證可靠換流，應(yīng)在負載電壓uo 過零前  時刻去觸發(fā) 

12、;VT2、VT3。稱為觸發(fā)引前時間，，從圖2可得  從圖2 還可以看出，負載電流io超前于負載電壓uo的時間   為</p><p>　　把  表示為電角度  (弧度)可得</p><p>　　式中， 為電路工作角頻率；、 分別是 、 對應(yīng)的電角度。 

13、;也就是負載的功率因數(shù)角。     圖2中t4～t6之間是VT2、VT3的穩(wěn)定導(dǎo)通階段。t6以后又進入從VT2、VT3導(dǎo)通向VT2、VT4導(dǎo)通的換流階段，其過程和前面的分析類似。</p><p>　　晶閘管的觸發(fā)脈沖uGl～uG4，晶閘管承受的電壓 uVTl～uVT4以及A、B間的電壓 uAB也都示于圖2中。在換流過程中,上下橋臂的LT上的電壓極性相反，如果不考

14、慮晶閘管壓降，則uAB=0?？梢钥闯?，uAB的脈動頻率為交流輸出電壓頻率的兩倍。在uAB為負的部分，逆變電路從直流電源吸收的能量為負，即補償電容C的能量向直流電源反饋。這實際上反映了負載和直流電源之間無功能量的交換。在直流側(cè)，Ld 起到緩沖這種無功能量的作用。</p><p>　　如果忽略換流過程，io可近似看成矩形波。展開成傅里葉級數(shù)可得</p><p>　　其基波電流有效值

15、Io1 為</p><p>　　下面再來看負載電壓有效值U。和直流電壓Ud的關(guān)系。如果忽略電抗器Ld的損耗，則uAB的平均值應(yīng)等Ud。再忽略晶閘管壓降，則從圖2的uAB波形可得</p><p>　　一般情況下  值較小，可近似認為 ，再考慮到式</p><p><b>　　可得</b></p>

16、<p><b>　　或      </b></p><p>　　三．主電路設(shè)計、元器件選型及計算：</p><p><b>　　3.1主電路設(shè)計</b></p><p>　　根據(jù)單相電流型無源逆變的原理，可以得知輸出電壓的相位隨著負載功率因數(shù)的變化而變化，換

17、相是在兩個相鄰相之間進行的；也可以通過控制輸出電流的幅值和波形來控制其輸出電流。所以，將主電路設(shè)計如圖3所示</p><p>　　3.2 元器件的選擇和相關(guān)計算</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求有Id =9A ；所以可以算得基波電流有效值為 I01 = 0.9Id =0.9×9=8.1 A ；</p><p>　　如果選擇的開關(guān)器件為晶閘管，則晶閘管的額定

18、電流為：IN =(1.5~2) ×8.1/1.57=(7.74~ 10.32)A；</p><p>　　若取U0= 90V,所以有晶閘管的額定電流為 UN = (2~3) ×√2U0 =(254.56~ 381.84)V</p><p>　　所以，在選擇晶閘管（開關(guān)器件）的時候，只要滿足以上額定電壓和額定電流即可。</p><p>　　除此之外

19、，根據(jù)要求，等效電流源為9A，所用的電阻R=10Ω,電感為1mH。</p><p><b>　　四．主電路仿真分析</b></p><p>　　4.1主電路設(shè)計及先關(guān)參數(shù)說明</p><p>　　根據(jù)所設(shè)計的主電路，畫出的仿真電路如圖4所示</p><p>　　電路中已經(jīng)標出各個元件的相關(guān)參數(shù)</p>&l

20、t;p>　　仿真所用的觸發(fā)信號相關(guān)相關(guān)參數(shù)如下：</p><p>　　其中，P1用于控制S1和S4的開通和關(guān)斷，而P2用于控制S2和S3的開通和關(guān)斷。</p><p>　　4.2 仿真波形及其分析</p><p>　　運用ORCAD仿真后輸出的電流和電壓波形分別如下：</p><p>　　下面是圖7的放大圖：</p>&l

21、t;p>　　由上面四個輸出波形可以得知，設(shè)計的主電流能夠達到要求I0= 9A，輸出電壓U0=90V，其最大過沖大約為110V左右，符合規(guī)定，證明主電路正常工作。</p><p>　　對仿真出現(xiàn)的電壓電流波形進行傅里葉分析得到的結(jié)果為：</p><p>　　下面是圖8的放大圖：</p><p>　　觀察上面兩個諧波波形可以得知，只含有奇次諧波，隨著諧波次數(shù)的增加

22、，電路和電壓的諧波的幅值都是逐漸減小。</p><p><b>　　五．控制電路設(shè)計</b></p><p>　　經(jīng)分析，為了得到控制電路驅(qū)動信號，我們需要做一個頻率可調(diào)的正弦波信號發(fā)生器，通過兩路過零比較器可分別得到兩路互補的控制信號，而V3和V4的控制信號可在前一正弦交流信號后加一個移相網(wǎng)絡(luò)得到，再用過零比較器就可得到他們的控制信號了。當然，每路信號都必須通過光耦

23、隔離驅(qū)動四個橋臂。</p><p>　　5.1控制電路驅(qū)動信號發(fā)生電路</p><p>　　根據(jù)以上分析，所設(shè)計出的控制電路驅(qū)動信號發(fā)生電路如圖9所示。這個電路的原理其實就是一個RC橋式正弦振蕩電路，只是在一般的RC橋式正弦振蕩電路的基礎(chǔ)上增加了圖中的R6和R8所在支路，通過同時調(diào)節(jié)R6和R8可以達到調(diào)節(jié)該電路所產(chǎn)生的正弦波頻率的作用。</p><p>　　這個電路

24、的原理其實就是一個RC橋式正弦振蕩電路，只是在一般的RC橋式正弦振蕩電路的基礎(chǔ)上增加了圖中的R6和R8所在支路，通過同時調(diào)節(jié)R6和R8可以達到調(diào)節(jié)該電路所產(chǎn)生的正弦波頻率的作用。</p><p>　　5.2控制信號的產(chǎn)生電路</p><p>　　同樣地，所設(shè)計出的控制信號產(chǎn)生電路如下圖10所示。其原理為，將圖9中電路所得到的正弦信號分別輸入這個電路中，第一路輸入直接通過過零比較器輸出，得到

25、V1和V3；在第二路輸入中，先加一個移相網(wǎng)絡(luò)得到，再用過零比較器就得到V3和V4的控制信號。</p><p><b>　　六．設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　我一直認為實驗課是我實踐和鞏固專業(yè)知識的機會，而課程設(shè)計則是我專業(yè)課知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，甚至可以說是我將來從事相關(guān)工作必經(jīng)的一個過程?！八^萬事開頭難”，在這次課程設(shè)計中，我是真的深有體會。我也相信只學(xué)

26、會勇敢的邁開第一步，并且踏實的走好每一步，事情就總會有一個好的結(jié)果。</p><p>　　這次課程設(shè)計為期很短，但也遇到不少問題。我所面臨的第一個問題是這次課程設(shè)計要用到ORCAD這個仿真軟件，這個軟件是我之前沒有接觸到的，所以很不熟練，而且還出現(xiàn)了軟件和電腦系統(tǒng)不兼容的情況，但是好在老師和同學(xué)幫助下都得到了解決；我所面對的第二個問題是在最開始做仿真的時候，我是根據(jù)教材上的原理圖選擇器件畫了仿真電路圖，但仿真波形

27、達不到應(yīng)有的結(jié)果，和同學(xué)討論后這個問題仍未解決，我們請教了老師，后來在老師的建議下，我們采用虛擬開關(guān)代替晶閘管進行仿真，這是終于能夠仿真出正確的輸出波形；與此同時，一個新的問題也同時產(chǎn)生了，我仿真后輸出的電流波形是完全滿足要求的，但是所得到的電壓波形總是過沖很大，經(jīng)過調(diào)解，我們找到問題的原因是觸發(fā)波形的參數(shù)是有問題的，解決的方法是讓觸發(fā)波形的上升時間適當增大，并且，我還發(fā)現(xiàn)通過適當?shù)臏p小主電路中電感的大小也能使得過沖減小；還有一個重要的

28、問題就在于，我所需要的控制電路在以往的實驗中沒有現(xiàn)成的電路可用，必須重新設(shè)計，在老師的指導(dǎo)下，終于順利的利用RC橋式正弦振蕩電路進行加工得到了可調(diào)頻率的正弦波發(fā)生器，再應(yīng)用過零比較器和移相網(wǎng)絡(luò)等，得到了所需控制波形。在解決這些問題的過</p><p>　　總而言之，在課程設(shè)計中，我通過查找資料，請教老師，以及不懈的努力，不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，在其它能力上也都有了提高。更重要的是，在課程設(shè)計中，我學(xué)會

29、了很多學(xué)習(xí)的方法，而且又學(xué)會了一種重要的仿真軟件的使用，這是日后很實用的，真的是受益匪淺。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] 王兆安編著.電力電子技術(shù)（第五版）.北京:機械工業(yè)出版社,2011年8月.</p><p>　　[2] 康華光編著.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分(第五版).北京:高等教育出版社,2011