黄蓉电力电子课程设计报告

电力电子技术课程设计班级：自动0401学号：041103105姓名：黄蓉指导老师：刘大年扬州大学信息工程学院自动化专业二零零七年九月-1-目录第一部分课题要求一、课程设计的目的与要求………………………………………………………………2二、课程设计报告的要求…………………………………………………………………2三、课程设计的内容………………………………………………………………………2第二部分基本概念简介一、逆变的基本概念…………………………………………………………………………3二、换流的基本概念…………………………………………………………………………4三、逆变电路的分类…………………………………………………………………………6四、半桥逆变电路的基本概念………………………………………………………………6五、全桥逆变电路的基本概念………………………………………………………………7六、三相逆变电路的原理图…………………………………………………………………8第三部分三相逆变电路参数的设计一、具体电路设计……………………………………………………………………………9二、课程设计总结……………………………………………………………………………13三、参考资料…………………………………………………………………………………14第四部分PSPICE仿真软件概述………………………………………………14-2-第一部分课题要求一课程设计的目的与要求1进一步熟悉和掌握电力电子原器件的特性；2进一步熟悉和掌握电力电子电路的拓扑结构和工作原理3掌握电力电子电路设计的基本方法和技术，掌握有关电路参数设计方法；4培养对电力电子电路的性能分析的能力；5培养撰写研究设计报告的能力。通过对一个电力电子电路的初步设计，巩固已学的电力电子技术课程设计知识，提高综合应用能力，为今后从事电力电子装置的设计工作打下基础。二课程设计报告的要求1、研究题目：三相逆变电路的参数设计研究2、课程设计的内容1主电路方案确定2绘制电路原理图、分析理论波形3器件额定参数的计算4建立仿真模型并进行仿真实验5电路性能分析：输出波形、器件上波形、参数的变化、谐波分析、故障分析等-3-第二部分基本概念简介1、逆变的基本概念逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变。变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。主要应用：1)各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。2)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。3)单相桥式逆变电路逆变以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理电路的基本工作原理S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。图1逆变电路原理图图2逆变电路理论波形（1）S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。图3逆变电路S1，S4导通时原理图及理论波形-4-（2）S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。图4逆变电路S2，S3导通时原理图及理论波形4)逆变电路最基本的工作原理——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。2、换流的基本概念1)换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。关断：a\全控型器件可通过门极关断。b\半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。c\一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。2)研究换流方式主要是研究如何使器件关断。a\器件换流（DeviceCommutation）利用全控型器件的自关断能力进行换流。在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。b\电网换流（LineCommutation）电网提供换流电压的换流方式。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。c\负载换流（LoadCommutation）由负载提供换流电压的换流方式。负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。如图是基本的负载换流电路，4个桥臂均由晶闸管组成。整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。直流侧串电感，工作过程可认为id基本没有脉动。负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小。所以uo接近正弦波。注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。图5负载换流原理电路-5-图6负载换流理论波形d\强迫换流（ForcedCommutation）设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流；由换流电路内电容直接提供换流电压称为直接耦合式强迫换流；通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流称为电感耦合式强迫换流1、直接耦合式强迫换流：当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关断。如图7图7直接耦合式强迫换流电路原理图2、电感耦合式强迫换流：使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加上反向电压，也叫电流换流。如图8图8电感耦合式强迫换流电路原理图-6-3）换流方式总结：器件换流——适用于全控型器件。其余三种方式——针对晶闸管。器件换流和强迫换流——属于自换流。电网换流和负载换流——属于外部换流。当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。3、逆变电路的分类1）逆变电路的分类——根据直流侧电源性质的不同直流侧是电压源，电压型逆变电路——又称为电压源型逆变电路VoltageSourceTypeInverter-VSTI直流侧是电流源，电流型逆变电路——又称为电流源型逆变电路CurrentSourceTypeInverter-VSTI2）电压型逆变电路的特点(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。(3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。4、半桥逆变电路的基本概念1、工作原理V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。2)单相半桥电压型逆变电路,如图9：图9单相半桥电压型逆变电路原理图-7-3）工作波形如图10：图10单相半桥电压型逆变电路理论波形4）优点：电路简单，使用器件少。缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。5）应用：1、用于几kW以下的小功率逆变电源。2、单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。5、全桥逆变电路的基本概念1）全桥逆变电路(1)共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。(2)两对桥臂交替导通180°。(3)输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。(4)改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。(5)阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压－移相调压。V3的基极信号比V1落后q（0＜q＜180°）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°－q。输出电压是正负各为q的脉冲。改变q就可调节输出电压图11单相全桥逆变移相调压原理图-8-图12单相全桥逆变移相调压理论波形6、三相逆变电路的原理图三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，应用最广的是三相桥式逆变电路。所设计三相逆变桥式电路的工作原理图13三相逆变电路原理图-9-第三部分三相逆变电路参数的设计一、具体电路的设计1、三相逆变电路的原理电路图图14三相电压型桥式逆变电路仿真电路a\基本工作方式——180°导电方式b\每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°。c\任一瞬间有三个桥臂同时导通。d\每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流图15三相电压型桥式逆变电路的理论波形-10-2、计算公式负载各相到电源中点N'的电压：U相，1通，2/'dUNUU，4通，2/'dUNUU。负载线电压：''VNUNUVUUU(3-1)''WNVNVWUUU(3-2）''UNWNWUUUU(3-3）负载相电压：''NNUNUNUUU(3-4）''NNVNVNUUU(3-5）''NNWNWNUUU(3-6）负载中点和电源中点间电压)()(31'''31'WNVNUNWNVNUNNNUUUUUUU(3-7）负载三相对称时有0WNVNUNUUU(3-8）于是)('''31'WNVNUNNNUUUU(3-9）负载已知时，可由UNU波形求出ui波形。一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。负载的阻抗角不同ui的波形形状和相位都有所不同。桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60°脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通”。-11-3、参数设计先从电压型逆变入手，电压型逆变电路的特点：(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。(3)阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。我们以三相电压型逆变电路为例：用三个单相逆变电路组合成一个三相逆变电路，其中，三相桥式逆变电路应用最为广泛。采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路如前面图所示，三相桥式逆变电路可以看成由三个半桥逆变电路组成。在电路中，直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为例分析方便，用2个串联的电容器，并假想中点N。和单相半桥、全桥逆变电路相同，电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是180度导电方式，即每个桥臂的导电角度为180度，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依次相差120度。这样，在任一瞬间，将有3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的，因此也被称为纵向换流。下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形。对度U相输出来说，当桥臂1导通是，Uun=Ud/2,当桥臂4导通是，Uun=-Ud/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度。4、三相逆变电路的具体电路图a)主电路是从上述的三相电压型逆变电路上进一步进行仿真的，在图14的基础上，我们对电源，二极管，三极管的参数进行研究，运用公式1—8，及其公式变形，得出最后的器件参数（具体参数见图18）。在对晶闸管的驱动电路上，采用电力电子书上的驱动保护电路（参数及器件见具体的仿真电路图16）图16三相逆变电路的最终仿真电路图b）三相逆变电路的仿真图图17是三相逆变电路的三相负载的的仿真波形图，图18，图19和图20，是对三相负载的分别仿真，可以更加清楚的理解每相波形情况。-12-图17三相逆变电路的最终仿真电路的三相波形图图18三相逆变电路的最终仿真电路A相波形图19三相逆变电路的最终仿真电路b相波形-13-图20三相逆变电路的最终仿真电路c相波形二、课程设计总结电力电子课程设计在老师的指导和小组成员的共同努力下终于成功完成了，感谢老师的指导和同组成员的配合帮助，在此就所学到的知识和其他一些方面做个总结。这次课程