串联谐振单相全桥逆变电路的设计

本次课程设计的主要目的是设计一个输出电压可调的串联谐振单向全桥逆变电路，然后可以用于对工件的感应加热、感应加热电源等方面。

本次设计的单相全桥逆变电路由四只晶闸管构成，将直流电压Ud 逆变为中频方波电压，并将它加到负载电路。

负载电路是由感应线圈和补偿电容组成的串联振荡电路，对工件进行感应加热，通过电感的电流接近正弦波形。

而晶闸管的导通，则由TCA785组成的触发电路产生的触发脉冲来触发其导通。

通过移相方式来调节主电路输出电压脉冲的宽度。

由于晶闸管逆变装置在逆变过程中会产生过电压、过电流，故又对单相交流调压电路设计了一套保护电路。

在进行主电路的设计时，根据主电路的输入、输出参数来确定各个电力电子器件的参数，并进行器件的选择，以使设计的主电路能够达到要求的技术指标，并完成相应的功能。

关键词：单相全桥逆变电路、晶闸管、触发电路、保护电路、电压累加1引言 (1)1.1问题的提出 (1)1.2技术指标和设计要求 (1)1.2.1 技术指标 (1)1.2.2 设计要求 (1)2串联谐振单相全桥逆变电路的设计 (1)2.1主电路及其工作原理 (1)2.2串联谐振逆变电路的电压累加 (3)3主电路电力电子器件参数的计算 (6)3.1主电路电阻、电容、电感的取值 (6)3.2晶闸管额定值的计算 (7)4触发电路的设计 (8)5保护电路的设计 (10)5.1过电压保护 (10)5.1过电流保护 (10)6总结 (11)7心得体会 (11)参考文献 (12)1引言1.1 问题的提出随着工厂对工件加热设备的温度控制精度不断提高，普通的加热设备已经不能满足要求。

因此，就需要对设备的加热原理进行改进。

本次设计的串联谐振单相全桥逆变电路的负载电路是由感应线圈和补偿电容组成的串联振荡电路，对工件进行感应加热，其功能与一般的单相全桥逆变电路有所不同，而且它的触发电路与其他电路的触发电路相比起来，有更优良的性能，达到对晶闸管通断的更好控制。

1.2 技术指标和设计要求1.2.1 技术指标（1） 输入参数：三相交流电压A u 、B u 、C u（2） 输出参数：交流电压o u1.2.2 设计要求串联谐振单相全桥逆变电路的设计 晶闸管额定电压、电流表达式的推导 触发电路的设计 保护电路的设计绘制主电路、触发电路和保护电路的电路图2串联谐振单相全桥逆变电路的设计2.1主电路及其工作原理串联补偿逆变电路的结构如图1所示。

它由三相晶闸管全控整流桥、平波电感d L 、滤波电容d C 、单相全控桥式逆变电路、续流二极管、串联谐振逆变器负载构成。

三相晶闸管全控整流桥将正弦的工频交流电整流成脉动的直流电d U ,可通过调节直流电压d U 来调节负载电流。

平波电感d L 在此起切断直流通路的作用。

图1 串联谐振单相全桥逆变电路由于要求恒压源供电,所以需要一个很大的滤波电容d C ,当d C 足够大时,可以认为输入电压是恒压d U 。

在电路还没开始工作前,电容d C 就通过电网储能,以便于启动逆变电路。

由四只晶闸管构成的单相全控桥式逆变电路将直流电压d U 逆变为中频方波电压,并将它加到负载电路。

负载电路是由感应线圈和补偿电容组成的串联振荡电路,对工件进行感应加热。

通过电感的电流接近正弦波形。

与并联补偿逆变电路的强迫换流工作方式不同,串联补偿逆变电路是通过自然换流来实现工作晶闸管之间转换的,其工作原理如下:第一阶段：首先触发晶闸管SCR1、SCR4,电流通过正端流入,经过SCR1、串联振荡负载、SCR4,再由负端流出,此时补偿电容C 充上了左正右负的电压。

第二阶段：由于电流波形为正弦波,当电流变为负的时候,电流就通过与SCR1、SCR4 同桥臂的续流二极管D1、D4续流,同时给SCR1、SCR4 加上了反压,使SCR1、SCR4关断。

第三阶段：经过一段时间,当SCR1、SCR4 完全关断后,我们同时触发晶闸管SCR2和SCR3。

此时由于晶闸管SCR2、SCR3两端均加有正压,因此马上就能导通。

电容C 通过续流二极管D1、晶闸管SCR2回路和续流二极管D4、晶闸管SCR3回路放电。

当电容C 放电完成后,续流二极管D1、D4中不再通过电流,整个回路电流走向为:正端流入,经过SCR2、串联振荡负载、SCR3,负端流出。

电容C 开始反充电,充上左负右正的电压。

第四阶段：当电流再一次变为负时,电流将通过续流二极管D2、D3续流,同时给SCR2、SCR3加上反压,使晶闸管SCR2、SCR3关断。

第五阶段：当SCR2、SCR3 关断后,我们触发SCR1、SCR4,电容C 通过D2、SCR1回路和D3、SCR4回路放电。

当电容C 放电完成后,续流二极管D2、D3中不再通过电流,整个回路电流走向为:正端流入,经过SCR1、串联振荡负载、SCR4,负端流出。

电容C 开始充电,充上左正右负的电压。

以后开始重复以上过程。

由上述分析可知,不管有没有触发脉冲,工作的两只晶闸管都会自动关断,而另外两只晶闸管在前两只晶闸管关断后才被触发导通,因此串联补偿逆变电路为自然换流过程。

2.2串联谐振逆变电路的电压累加要讨论串联补偿逆变电路的电压累加,先得从它的等效电路分析着手:图2串联补偿逆变电路等效电路L U C U R U图2 串联补偿逆变电路的等效电路图为分析其工作过程，我们首先对简单串联逆变电路进行计算分析，如图2所示，其中R 为炉体的等效电阻，C 为补偿电容，L 为炉体电感。

()i t 为输入电流。

输入电压d U 。

由电路方程有：d R C L U U U U =++ （1）带入各电压表达式，有：1()()()d di t U i t R i t dt L C dt=++⎰ （2） 对（2）式做拉普拉斯变换，可得：1()()()d U L s I s R I s I s s Cs=⋅⋅+⋅+ （3） 化简可得：21()1d U I s R L s s L LC=⋅++ （4） 其特征方程为：210R s s L LC++= （5） 当2240R L L-≥时，方程式（5）的解为衰减解， RLC 回路不能形成振荡,不能满足工作需要。

因此，必须满足：2240R L L-<，即R L <令2R L α=，β=代入（4）式有：()22()d U I s L s ββαβ=⋅++ （6） 对（6）式进行拉普拉斯逆变换, 代入初始条件：0(0)0,(0)0C U i ==，可得：()sin()t dU i t e t L αββ-=⋅⋅⋅ （7） 1()sin()t d C U U i t dt e t dt C L αββ-=⋅=⋅⋅⎰⎰ （8）t 1 时刻，C 上的电压：11111cos()sin()t C d U U e t t ααβββ⎡⎤⎡⎤=-+⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦ （9）在这里,我们假设在电流过零的时刻就进行工作晶闸管的转换,即假设此时负载电路不经过反并联二极管续流,工作的晶闸管就能立刻关断, 并且在关断同时触发另外两只晶闸管。

则充电时间1t πβ=，代入（9）式可得,第一轮充电结束后,电容C 的电压为： 11C d U U e απβ-⎛⎫=⋅+ ⎪ ⎪⎝⎭（10） 第二轮充电,其初值条件变化为：1(0)0i =，1(0)1C d U U e απβ-⎛⎫=⋅+ ⎪ ⎪⎝⎭（11） 同理，列出方程：1222()1()()d C di t Li t R i t dt U U dt C++=+⎰ （12） 由此可得,当第二轮充电结束后，电容C 的电压为：21121()1C C C d U i t dt U U e U e C ααππββ--⎛⎫=-=⋅+⋅+ ⎪⎪⎝⎭⎰（13）同理,我们可得到第n 轮充电后(即第n 个半波后) 谐振电容C 上的电压为：11n n C C d U U eU e ααππββ---⎛⎫=⋅+⋅+ ⎪ ⎪⎝⎭（14） 当电路达到稳态时，将有：1n n C C C U U U -== （15）此时稳态电容C 上的电压为：11C d e U U eαπβαπβ--+=- （16）电感上L 上的电压为：21L C d d U U U U eαπβ-=+=- （17）由以上分析可以看出,串联补偿逆变电路有电压累加,谐振电容上的电压每半波都有一个叠加过程,直到逆变回路工作于稳态。

电容C 和电感L 上的电压会逐渐升高,最后的稳态电压会是电源电压的3—5倍。

(上边计算中,我们把负载等效电路等效为等效电阻R 与感应线圈L 串联,只是为了证明谐振电容上的电压积累过程,如果将电阻等效为与电感并联,计算过程比较麻烦,不容易得出方程的解。

为此,我们假设等效电阻与电感串联,来简化计算过程。

)这是串联补偿逆变电路的第一个特性:电压累加。

由串联补偿逆变电路的工作原理可知,串联补偿逆变电路的第二个特点为:自然换流。

每一次电流反向以后,通过续流二极管的续流过程给工作的晶闸管加上反压,使其关断。

任何时候最多只有两只晶闸管处于导通工作状态。

因为是自然换流过程,所以串联补偿逆变电路不存在临界阻尼影响起振的现象,这是串联补偿逆变电路的一个优势。

3 主电路电力电子器件参数的计算3.1 主电路电阻、电容、电感的取值根据主电路中发生串联谐振的条件，可得：11()Z j R j L R j L j CC ωωωωω⎛⎫=++=+- ⎪⎝⎭Re[()]Z j R ω=1Im[()]Z j L Cωωω=-当感抗等于容抗，即：1L Cωω=主电路发生串联谐振。

3.2 晶闸管额定值的计算把幅值为d u 矩形波0u 展开成傅里叶级数得：0411sin sin 3sin 535d U u t t t ωωωπ⎛⎫=+++⋅⋅⋅ ⎪⎝⎭其中基波的幅值01m u 和基波有效值01u 分别为：014 1.27dm d U u U π==010.9dd u U π==晶闸管两端电压VT u 在一个周期内的波形图为：前半个周期电压为0，后半个周期电压为d u ，因此，晶闸管两端承受的电压有效值为：VT u u ==晶闸管承受的最大电压为：d u因此，计算可得晶闸管的额定电压为：()2~3TN d U U =由（7）式可得，晶闸管电流有效值：VT I ==式中，Z =晶闸管的额定电流为：()()max1.5~2 1.57VT T AV I I =4 触发电路的设计晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。

晶闸管触发电路往往包括：对其触发时刻进行控制的相位控制电路、触发脉冲的放大和输出电路。

在本文晶闸管变流装置中，要使主电路正常工作，必须要有触发电路与之正确可靠的配合才能实现。

因此就要设计一个合理的触发电路。

本次设计的主电路采用的控制方式为移相调压，即通过移相的方式来调节输出电压脉冲的宽度，实现主电路的调压功能。