单相电流型无源逆变器的设计与仿真.doc

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1、单相电流型无源逆变器的设计与仿真一设计要求1）完成单相电流型无源逆变器的设计与仿真的设计、仿真；2）设计要求：输入的等效电流源9A，所用R=10，L=1mH 输出： I0 = 9A；U0= 90V;二题目分析 2.1流型逆变电路的主要特点 （1）直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。（2）电路中开关器件的作用仅是改变直流甩流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。（3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不

2、必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。2.2相电流型逆变电路图1是一种单相桥式电流型逆变电路的原理图。电路由4个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器LT。LT用来限制晶闸管开通时di/dt，各桥臂的L之间不存在互感。使桥臂1、4和桥臂2、3以10002500Hz的中频轮流导通，就可以在负载上得到中频交流电。该电路是采用负载换相方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。实际负载一般是电磁感应线圈，用来加热置于线圈内的钢料。图1 中R和L串联即为感应线圈的等效电路。因为功率因数很低，故并联补偿电容器C。电容C和L、R 构成并联谐振电路，故这种逆变电路也被称为并联谐振

3、式逆变电路。负载换流方式要求负载电流超前于电压，因此补偿电容应使负载过补偿，使负载电路总体上工作在容性小失谐的情况下。因为是电流型逆变电路，故其交流输出电流波形接近矩形波，其中包含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载电路对基波呈现高阻抗，而对谐波呈现低阻抗，谐波在负载电路上产生的压降很小，因此负载电压的波形接近正弦波。2.3单相电流型逆变电路的工作过程图2是该逆变电路的工作波形。在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。tlt2之间为晶闸管VTl和VT4稳定导通阶段，负载电流io=Id，近似为恒值，t2时刻之前在电容C上，即负载上建立了

4、左正右负的电压。在t2时刻触发晶闸管VT2和VT3，因在t2前VT2和VT3的阳极电压等于负载电压，为正值，故VT2和VT3开通，开始进入换流阶段。由于每个晶闸管都串有换流电抗器LT，故VTl和VT4在t2时刻不能立刻关断，其电流有一个减小过程。同样，VT2和VT3的电流也有一个增大过程。t2时刻后，4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。其中一个回路是经LTl、VTl、VT3、LT3回到电容C；另一个回路是经LT2、VT2、VT4、LT4回到电容C，如图2中虚线所示。在这个过程中，VTl、VT4电流逐渐减小，VT2、VT3电流逐渐增大。当t=t4时，VTl、VT4电流减

5、至零而关断，直流侧电流Id全部从VTl、VT4转移到VT2、VT3，换流阶段结束。 称为换流时间。因为负载电流io=iVT1-iVT2，所以io在t3时刻，即iVTl=iVT2时刻过零，t3时刻大体位于t2和t4的中点。晶闸管在电流减小到零后，尚需一段时间才能恢复正向阻断能力。因此，在 t4时刻换流结束后，还要使VTl，VT4承受一段反压时间才能保证其可靠关断。应大于晶闸管的关断时间tq。如果VT1、VT4尚未恢复阻断能力就被加上正向电压，将会重新导通，使逆变失败。为了保证可靠换流，应在负载电压uo过零前时刻去触发VT2、VT3。称为触发引前时间，从图2可得 从图2还可以看出，负载电流io超前

6、于负载电压uo的时间为 把表示为电角度(弧度)可得式中，为电路工作角频率；、分别是、对应的电角度。也就是负载的功率因数角。 图2中t4t6之间是VT2、VT3的稳定导通阶段。t6以后又进入从VT2、VT3导通向VT2、VT4导通的换流阶段，其过程和前面的分析类似。晶闸管的触发脉冲uGluG4，晶闸管承受的电压uVTluVT4以及A、B间的电压uAB也都示于图2中。在换流过程中,上下桥臂的LT上的电压极性相反，如果不考虑晶闸管压降，则uAB=0。可以看出，uAB的脉动频率为交流输出电压频率的两倍。在uAB为负的部分，逆变电路从直流电源吸收的能量为负，即补偿电容C的能量向直流电源反馈。这实际上反映

7、了负载和直流电源之间无功能量的交换。在直流侧，Ld起到缓冲这种无功能量的作用。如果忽略换流过程，io可近似看成矩形波。展开成傅里叶级数可得 其基波电流有效值 Io1为下面再来看负载电压有效值U。和直流电压Ud的关系。如果忽略电抗器Ld的损耗，则uAB的平均值应等Ud。再忽略晶闸管压降，则从图2的uAB波形可得 一般情况下值较小，可近似认为，再考虑到式可得 或 三主电路设计、元器件选型及计算：3.1主电路设计根据单相电流型无源逆变的原理，可以得知输出电压的相位随着负载功率因数的变化而变化，换相是在两个相邻相之间进行的；也可以通过控制输出电流的幅值和波形来控制其输出电流。所以，将主电路设计如图3所

8、示图3 单相电流型无源逆变主电路图3.2 元器件的选择和相关计算根据设计要求有Id =9A ；所以可以算得基波电流有效值为 I01 = 0.9Id =0.99=8.1 A ；如果选择的开关器件为晶闸管，则晶闸管的额定电流为：IN =(1.52) 8.1/1.57=(7.74 10.32)A；若取U0= 90V,所以有晶闸管的额定电流为 UN = (23) 2U0 =(254.56 381.84)V所以，在选择晶闸管（开关器件）的时候，只要满足以上额定电压和额定电流即可。除此之外，根据要求，等效电流源为9A，所用的电阻R=10,电感为1mH。四主电路仿真分析4.1主电路设计及先关参数说明根据所设

9、计的主电路，画出的仿真电路如图4所示电路中已经标出各个元件的相关参数图4 单相电流型无源逆变主电路仿真图仿真所用的触发信号相关相关参数如下： 其中，P1用于控制S1和S4的开通和关断，而P2用于控制S2和S3的开通和关断。4.2 仿真波形及其分析运用ORCAD仿真后输出的电流和电压波形分别如下：图5 输出电流波形图6 输出电压波形图7 输出电流电压波形比较下面是图7的放大图：由上面四个输出波形可以得知，设计的主电流能够达到要求I0= 9A，输出电压U0=90V，其最大过冲大约为110V左右，符合规定，证明主电路正常工作。对仿真出现的电压电流波形进行傅里叶分析得到的结果为：图8 电压电流波形傅里

10、叶分析结果下面是图8的放大图：观察上面两个谐波波形可以得知，只含有奇次谐波，随着谐波次数的增加，电路和电压的谐波的幅值都是逐渐减小。五控制电路设计经分析，为了得到控制电路驱动信号，我们需要做一个频率可调的正弦波信号发生器，通过两路过零比较器可分别得到两路互补的控制信号，而V3和V4的控制信号可在前一正弦交流信号后加一个移相网络得到，再用过零比较器就可得到他们的控制信号了。当然，每路信号都必须通过光耦隔离驱动四个桥臂。5.1控制电路驱动信号发生电路根据以上分析，所设计出的控制电路驱动信号发生电路如图9所示。这个电路的原理其实就是一个RC桥式正弦振荡电路，只是在一般的RC桥式正弦振荡电路的基础上增

11、加了图中的R6和R8所在支路，通过同时调节R6和R8可以达到调节该电路所产生的正弦波频率的作用。图9 正弦信号产生电路这个电路的原理其实就是一个RC桥式正弦振荡电路，只是在一般的RC桥式正弦振荡电路的基础上增加了图中的R6和R8所在支路，通过同时调节R6和R8可以达到调节该电路所产生的正弦波频率的作用。5.2控制信号的产生电路图10 控制信号产生电路 同样地，所设计出的控制信号产生电路如下图10所示。其原理为，将图9中电路所得到的正弦信号分别输入这个电路中，第一路输入直接通过过零比较器输出，得到V1和V3；在第二路输入中，先加一个移相网络得到，再用过零比较器就得到V3和V4的控制信号。六设计总

12、结我一直认为实验课是我实践和巩固专业知识的机会，而课程设计则是我专业课知识综合应用的实践训练，甚至可以说是我将来从事相关工作必经的一个过程。“所谓万事开头难”，在这次课程设计中，我是真的深有体会。我也相信只学会勇敢的迈开第一步，并且踏实的走好每一步，事情就总会有一个好的结果。这次课程设计为期很短，但也遇到不少问题。我所面临的第一个问题是这次课程设计要用到ORCAD这个仿真软件，这个软件是我之前没有接触到的，所以很不熟练，而且还出现了软件和电脑系统不兼容的情况，但是好在在老师和同学帮助下都得到了解决；我所面对的第二个问题是在最开始做仿真的时候，我是根据教材上的原理图选择器件画了仿真电路图，但仿真

13、波形达不到应有的结果，和同学讨论后这个问题仍未解决，我们请教了老师，后来在老师的建议下，我们采用虚拟开关代替晶闸管进行仿真，这是终于能够仿真出正确的输出波形；与此同时，一个新的问题也同时产生了，我仿真后输出的电流波形是完全满足要求的，但是所得到的电压波形总是过冲很大，经过调解，我们找到问题的原因是触发波形的参数是有问题的，解决的方法是让触发波形的上升时间适当增大，并且，我还发现通过适当的减小主电路中电感的大小也能使得过冲减小；还有一个重要的问题就在于，我所需要的控制电路在以往的实验中没有现成的电路可用，必须重新设计，在老师的指导下，终于顺利的利用RC桥式正弦振荡电路进行加工得到了可调频率的正弦

14、波发生器，再应用过零比较器和移相网络等，得到了所需控制波形。在解决这些问题的过程中，我明白了坚持的重要性，也体会到解决问题所得到的喜悦感。总而言之，在课程设计中，我通过查找资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在其它能力上也都有了提高。更重要的是，在课程设计中，我学会了很多学习的方法，而且又学会了一种重要的仿真软件的使用，这是日后很实用的，真的是受益匪浅。参考文献： 1 王兆安编著.电力电子技术（第五版）.北京:机械工业出版社,2011年8月. 2 康华光编著.电子技术基础数字部分(第五版).北京:高等教育出版社,2011年5月.3 石磊、张国强编著. Altium designer 8.0中文版电路设计标准教程.北京:清华大学出版社，2011年2月.设计计算（30分）仿真验证（50分）控制电路的设计（20分）总成绩教师签名根据课题参数进行分析（10分）电路主电路设计，主开关元器件的选型等（20分）仿真模型的建立(20分)仿真参数的设置（15分）仿真的效果(15分)评分表：12