交流交流变频器设计.doc

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1、武汉理工大学电力电子技术课程设计课程设计任务书题 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

2、 月 日 目录摘要11 方案设计21.1 总体结构原理图2 1.2 整流滤波电路2 1.2.1方案选择 21.3逆变电路3 1.4产生SPWM波42 整流滤波电路设计及其原理 5 2.1 整流滤波电路设计图5 2.2整流滤波电路工作原理53 逆变电路设计及其原理 73.1 逆变电路设计图 73.2逆变电路设计原理74 参数设定84.1载波频率的设置84.2滤波电路参数设定85 交流-交流变频设计总电路 9心得体会 10参考文献 11摘要随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流变频调速技术得到了迅速发展，其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽泛的调速范围，完善的保护功能，以及易

3、于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利。因此，研究交直交变频调速系统的基本工作原理和作用特性意义十分重大。本文研究了变频调速系统的基本组成部分，主回路主要有两部分组成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”.进行电路设计，通过试验对该交直交变频器的基本工作原理、工作特性及作用有更深的认识，也对谐波对于交直交变频器的影响有了一定的了解关键词：交直交变频，整流，逆变，交流/交流变频器 1 交流/交流变频器设计1 方案设计1.1 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

4、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1所示： 图1总体结构原理图1.2 整流滤波电路整流电路的作用是将交流电转换成单向脉动性直流电，电源电路中的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种。滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。1.2.1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

5、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一2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，

6、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。1.3逆变电路与整流电路相比较，把直流电变成交流电的电路成为逆变电路。当交流侧接在电网上，称为有源逆变；当交流侧直接和负载相接时，称为无源逆变。在不加说明时，逆变电路一般指无源逆变。逆变电路在现实生活中有很广泛的应用。交流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移，这称为换流。换流是实现

7、逆变的基础。通过控制开关器件的开通和关断来控制电流通过的支路，这就是实现换流的基本原理。换流有多种方式，其中主要分为器件换流、电网换流、负载换流和强迫换流四种方式。根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的则称为电流型逆变电路。电压型逆变电路有以下特点：1） 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。2） 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同。3） 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量

8、的作用。为了给交流侧想直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联续流二极管。 逆变电路分为三相和单相两大类。其中，单相逆变电路主要采用桥式接法。主要有：单相半桥和单相全桥逆变电路。而三相电压型逆变电路则是由三个单相逆变电路组成。最常用的是三相桥式逆变电路。 3本设计的要求为无源逆变。无源逆变分为交流-交流变频和直流-交流变频。交流-交流变频只能获得比输入频率低的交流电，而直流-交流变频得到的输出频率没有限制。本设计给的输入是三相50Hz电源，而要得到的是1200Hz交流电，故直流-交流变频。直流-交流变频通常采用PWM技术。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，

9、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。1.4产生SPWM波PWM技术的核心是产生SPWM波，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。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

10、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PWM波形。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。产生SPWM波有硬件调制法和软件生产法。以下对这两种方式进行讨论。方案一：硬件调制法。硬件调制法是为解决等面积

11、法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。其实方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对 4开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。方案二：软件生产法。由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法。2 整流滤波电路设计及其原理 2.1 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

12、流电路。电路图如图2所示： 图2 三相桥式全控整流电路2.2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。 5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

13、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3所示： 图3三相桥式全控整流电路在=0时的输出波形图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： 6 (2-1)电阻性负载时，由于电流可能断续，故有以下两种计算方法：当时，有 (2-2)当时，有 (2-3) 3 逆变电路

14、设计及其原理3.1 逆变电路设计图 图4 逆变电路3.2逆变电路设计原理图4为单相无源PWM电路。结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明，工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断。负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud 。V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0负载电流为负的区间， 7V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud 。V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。uo总可得到Ud和零

15、两种电平。uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。4 参数设定该设计的参数主要要考虑载波的频率、滤波电路处的电容电感（L 、C）值的选取。4.1载波频率的设置该设计要求输出的交流电频率为1200Hz，所以调制波频率:fu=1200Hz (4-1)载波的频率fc应该为调制波的整数倍N。即:fc=Nfu (4-2)N越大，最后输出的交流电谐波分量越少，但是如果N过大，SPWM波的频率将非常高，IGBT的损耗将变大，效率会降低。综合考虑N取10。所以载波的频率:fc=Nfu=10*1200=12000HZ。 (4-3)4.2滤波电路参数设定本设计采用的是

16、LC串联滤波如图： 图5 LC串联滤波一般设置截止频率ft为在波频率的1/5,即ft=2400Hz。根据公式： ft= 1/2 LC (4-4) C=1/2ftZ0 (4-5) 8 L= Z0/2ft (4-6)其中Z0为负载阻抗。 根据以上三个公式即可求出不同负载下C和L的值。5 交流-交流变频设计总电路如图所示：图6 交流-交流变频设计总电路由图可知，本电路图先采用AC/DC的整流电路，把380V，50Hz的三相交流电变成直流电，再采用DC/AC的逆变电路，把直流电变成100V,1200Hz单相交流电输出。电路中还有一个滤波电容，她的作用是：（1)降低脉动成份，整流后的电流是单向的脉动电流

17、，(50(半波)或100(全波)/秒个单向波)，并非是平滑的直流电流，而电容的作用就是利用其充放电的特性，在这里高充低放的来拉平这些单向脉动波，同时也提升了输出直流电压的平均值。 （2)回路残存的交流成份和滤除高次谐波，由于电容的通交隔直作用使这些杂波成份短路回流，为了弥补大容量电容的电感阻抗效应，也可在大电容上再并接一只小容量电容。 （3)提高电源输出的瞬间过载能力。电源滤波电容都是大容量的，它的蓄能作用可使电路的瞬间电流特性提高以适应那些瞬间电流过大的负载。 9心得体会这一次课程设计学习，让我深感受益匪浅。此次课程设计是基本依赖于我们自学，和创造性设计的过程，在设计过程中我们学到了，很多课

18、堂上没有接触到的东西，并且在创造性学习设计的过程中也进一步的巩固加深了课堂知识的理解与应用。本次课程设计我们的选题是交流/交流变频器设计。对于这样一个合了多门学科知识的课题我有很大的兴趣，所以我投入了很多的时间和精力去完成这个设计。因为之前基本上没有接受过相关的培训和学习，所以在设计过程中阻力是很大的，全部都是依赖于自学和创造性设计，仅仅只是联系课本的知识很难去完成此次设计。我在设计过程中经历了一段迷茫期，不知道从何处下手去做，而这些很多课堂上没有接触到的东西比如MATLAB还有电力电子技术中的计算问题。本文分析了三相AC/DC/AC变频器的基本原理、工作特性、基本作用。经分析可知，一般的AC

19、/DC/AC变频器主要有两大模块组成：整流模块和逆变模块。因此，将该系统的两大主要模块分开来研究之后，再进行AC/DC/AC变频器的设计仿真就会简单的多。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，通过此次课程设计学习，让我对设计软件的了解掌握也有了很大的提高，例如MATLAB在此次设计中帮到很大忙。通过它我们可以进行波形仿真，结果计算，检验设计的正确性。在设计的过程中，我遇到了一些难题，例如软件操作问题，。但我通过在图书馆找相关资料还有上网查看相关教程，这些问题都一一得到了解决。

20、通过此次设计，我已经意识到了仅仅学习理论知识是远远不够的，第一是因为即使学了理论知识却不用于实践也不等于完全掌握了这些知识并且很容易遗忘第二是因为在以后的学习中我们将要越来越重视实践能力和动手能力，而光靠理论知识明显是不足以锻炼出这些能力的；第三是以后工作了我们要想科技创新，设计出自己的作品，就必须有超强的创新思维和独立思考能力。所以从现在开始我们就要学会通过自学解决问题的方法与途径，为日后进一步的加强学习打下了良好基础。 10 参考文献1电力电子技术（第五版） 王兆安 刘进军 机械工业出版社2电力电子学 陈坚 高等教育出版社3电力电子技术基础 冷增祥 徐以荣 东南大学出版社4MATLAB R

21、2012a 教程 张志涌 杨祖樱 北京航空航天大学出版社5MATLAB7.0控制系统应用与实例 刘叔军 机械工业出版社 11本科生课程设计成绩评定表姓 名邹唯性 别女专业、班级自动化1105班课程设计题目：交流/交流变频器设计课程设计答辩或质疑记录：1怎样实现三相交流变成单相交流电？ 首先采用AC/DC的整流电路（三相桥式整流电路），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，整流输出电压高，纹波电压较小而且不存在断续现象，把380V，50Hz的三相交流电变成直流电，再采用DC/AC的逆变电路，把直流电变成10

22、0V,1200Hz单相交流电输出。同时可以采用SPWM技术调制脉冲，令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，产生理想的单相交流电。2电路中的电容的作用？ 电路中的电容主要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。降低脉动成份，使整流后的电流是单向的脉动。而且电流回路残存的交流成份和滤除高次谐波，可以利用电容的通交隔直作用使这些杂波成份短路回流，同时为了弥补大容量电容的电感阻抗效应，也可在大电容上再并接一只小容量电容从而提高电源输出的瞬间过载能力。成绩评定依据：序号评定项目评分成绩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