单相交直交变频电路设计

附件1：
学号：27
基础强化训练
单相交直交变频电路性能研
题目
究
学院自动化学院
专业
班级
姓名
指导教师
2012年7月10日
1 总体原理图 (4)
1.1方框图 (4)
1.2电路原理图 (4)
1.2.1 主回路电路原理图 (4)
1.2.2 整流电路 (5)
1.2.3 滤波电路 (6)
1.2.4 逆变电路 (6)
2 电路组成 (9)
2.1控制电路 (9)
2.2驱动电路 (10)
2.3主电路 (11)
3 仿真结果 (12)
3.1仿真环境 (12)
3.2仿真模型使用模块提取的路径与其单数设置 (12)
3.3具体仿真结果 (16)
3.3.1仿真电路图 (16)
3.3.2整流滤波输出电压计算与仿真 (17)
3.3.3逆变输出电压计算与仿真 (18)
4 小结心得 (20)
5 参考文献 (21)
基础强化训练任务书
学生姓名：专业班级：
指导教师：工作单位：
题目: 单相交直交变频电路性能研究
初始条件：
输入为单相交流电源，有效值220V。

要求完成的主要任务:
（1）掌握单相交直交变频电路的原理；
（2）设计出系统结构图，并采用matlab对单相交流调压电路进行仿真；
（3）采用protel设计出单相交直交变频电路主电路、驱动电路、控制电路
时间安排：
2012年7月9日至2012年7月13日，历时一周，具体进度安排见下表
参考文献：
[1]王兆安，刘进军.《电力电子技术》第5版.北京：机械工业出版社，2011
指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 1 总体原理图
1.1 方框图
图1 总体方框图
1.2 电路原理图
1.2.1 主回路电路原理图
图2 主回路原理图
如图所示，交直流变换电路为不可控整流电路，输入的交流电通
过变压器和桥式整流电路转化为直流电，滤波电路用电感和电容滤
波，逆变部分采用四只IGBT管组成单项桥式逆变电路，采用双极性调制方式，输出经LC低通滤波器滤波，滤除高次谐波，得到频率可调的交流电输出。

1.2.2 整流电路
整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。

整流电路一般都是单独的一块整流模块。

大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成，滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分，变压器设置与否视具体情况而定。

变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以与交流电网与整流电路之间的电隔离。

此部分结构简单、工作可靠,其性能满足实验的需要，故采用桥式整流电路。

其作用是将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能。

此外整个电路需要辅助的正负5V的电源，故通过降压，整流，滤波，稳压得到稳定的正负5V电压。

电路如下：
图3 整流滤波电路和辅助电源
1.2.3 滤波电路
滤波电路的原理与作用：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，以与由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。

在交流电源转换直流电源后，电路会有电压波动，为抑制电压的波动，采用简单的电容滤波。

当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。

当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。

因此经电感滤波后，不但负载电流与电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大，在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。

只有在RL>>ωL时才能获得较好的滤波效果。

L愈大，滤波效果愈好。

另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近π，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。

1.2.4 逆变电路
逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压装换为所要频率的交流电压，逆变电路是与整流电路相对应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路。

逆变电路是通用变频器核心部件之一，起着非常重要的作用。

它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源，将直流电能变换为交流电能的变换电路。

本方案中的逆变部分,采用单相桥式逆变电路,PWM 控制,输出电压的大小与频率均可通过PWM 控制进行调节。

电路如下：
图4 主电路
A 变频器的工作原理
以单相桥式逆变电路为例，S1-S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件与辅助电路组成。

用可控开通，可控关断的电力电子开关，切换电流方向，将直流电能转换成交流电能。

图5 开关示意图
S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u o为正
S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压u o为负
B 脉宽调制原理
脉宽调制技术：通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。

PWM 控制的方法可分为3三类,即计算法、调制法和跟踪控制法。

其中,调制法是较为常用的也是基本的一类方法,而调制法中最基本
的是利用三角载波与正弦信号波进行比较的调制方法,分为单极性调制和双极性调制。

本实验采用的单相桥式逆变电路既可以采用单极性调制,也可以采用双极性调制。

在本实验装置中,采用了双极性PWM 调制技术。

以下是双极性PWM 调制的原理。

双极性PWM 控制原理示意图如下图所示。

采用双极性PWM 调制技术时,以希望得到的交流正弦输出波形作为信号波,采用三角波作为
载波,将信号波与载波进行比较,在信号波与载波的交点时刻控制各
开关的通断。

在信号波的一个周期内,载波有正有负,调制出来的输出波形也是有正有负,其输出波形有±Ud 两种电平。

用u r 表示信号波, u c 表示载波。

当u r > u c 时,给V1 、V4 施加开通驱动信号,给V2 、
V3 施加关断驱动信号,此时如果i o > 0 则V1 、V4 开通,如果i o < 0则VD1 、VD4 开通,但输出电压均为u o = U d 。

反之,则V2 、V3 或VD2 、VD3 开通, uo = - U d 。

图中,uof是输出电压uo 的基波分量。

图6 PWM调制示意图
2 电路组成
采用SPWM正弦波脉宽调制，通过改变调制频率，实现交直交变频的目的。

设计电路由三部分组成：即主电路, 驱动电路和控制电路。

交直流变换部分（AC/DC）为不可控整流电路；逆变部分（DC/AC）由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路，采用双极性调制方式。

输出经LC 低通滤波器，滤除高次谐波，得到高频率的正弦波（基波）交流输出。

2.1 控制电路
控制电路是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM波。

Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM 波，再经触发器CD4528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波，作为主电路中两对开关管IGBT的控制信号。

控制电路还设置了过流保护接口端STOP，当有过流信号时，
STOP呈低电平，经与门输出低电平，封锁了两路SPWM信号，使IGBT 关断，起到保护作用。

图7 控制电路
原理：是由两片集成函数信号发生器ICL8038为核心组成，其中一片8038产生正弦调制波Ur，另一片用以产生三角载波Uc，将此两路信号经比较电路LM311异步调制后，产生一系列等幅，不等宽的矩形波Um，即SPWM波。

Um经反相器后，生成两路相位相差180度的±PWM波，再经触发器MC14528延时后，得到两路相位相差180度并带一定死区范围的两路SPWM1和SPWM2波。

2.2 驱动电路
驱动电路作为控制电路和主电路的中间环节。

主要任务是将控制电路产生的控制器件通断的信号转化为器件的驱动信号。

它可以完成电气隔离的功能，由于全桥电路的4 个管子的驱动信号并不都是共地
的,为此需要将控制信号进行隔离。

另外,控制电路的电压等级低,而主电路电压等级高,为了避免干扰,也必须进行电气隔离。

本实验中使用了目前广泛应用的一种集成驱动芯片IR2110。

IR2110驱动功率器件，采用自举驱动方式，悬浮沟道设计使其能驱动母线电压小于600V的功率管。

它可以仅用一个供电电源来实现对全桥电路4个管子的驱动，避免了以往桥式驱动中多独立电源的麻烦，还可以和主电路共地。

由于MOS管通常导通时间要小于截止时间，这样在交替导通的瞬间往往容易发生桥路短路现象，改进的办法是在驱动臂上并联二极管1N4148来加速电流回吸，以起到加速截止的作用，使MOS管的截止加快。

电路如下：
图8 驱动电路
2.3 主电路
采用单相桥式逆变电路,共用到4 个开关器件,采用了目前应用最多的全控型电力电子器件之一的IGBT。

在电路中，为了防止MOS管在开关的瞬间，尖锋电压导致MOS管被
击穿，在桥路中加入了起缓冲嵌位作用的二极管，电阻和电容。

电路如下：
图9 主回路电路
3 仿真结果
3.1仿真环境
本次设计中用Altium designer画出原理图，仿真则主要用Matlab 软件来仿真，用示波器观察整流和逆变的输出波形图，评估整个系统的功能。

3.2仿真模型使用模块提取的路径与其单数设置
离散PWM发生器模块Discrete PWM Generator提取路径是：Simulink\SimPowerSystems\Power Electronics\Discrete Control Blocks\Discrete PWM Generator 信号终结模块Terminator提
取路径是:
Simulink\Commonly Used Blocks\Terminator 交流电源模块:“Phase”初相角0°,“Frequency”频率50Hz,“Sample time”采样时间0(默认值0表示该交流电源为连续源),“Peak amplitude”当变频输出频率为100Hz时置为600V×2,当变频输出频率为50Hz 时置为50V×2。

滤波电感L1：选Series RLC Branch模块，将参数“Inductance(H)”置为80e-3。

图10电感L1参数设置
滤波电感L2；选Series RLC Branch模块，将参数“Inductance(H)”置为30e-3。

图11电感L2参数设置
滤波电容C1：选Series RLC Branch模块，将参数“Capacitance(F)”置为1800e-6。

图12 电容C1参数设置
滤波电容C2：选Series RLC Branch 278模块，将参数
“Capacitance(F)”置为320e-6。

图13 电容C2参数设置不可控的整流桥Universal bridge的参数设置如下：
图14 Universal bridge的参数设置
3.3 具体仿真结果
3.3.1仿真电路图
单相整流—逆变电路的仿真模型如下图所示，由图可知，单相220V、50Hz交流电源经单相不可控整流环节，进行LC滤波后即为中间直流环节。

再进入PWM逆变，又一次LC滤波后，形成所需的交流信号。

图15 仿真原理图
3.3.2整流滤波输出电压计算与仿真
运用matlab 对交流电源与经过桥式整流之后的电压信号进行了
仿真之前，对两电压的波形进行理论的分析：
在单相桥式全控整流电路中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，
VT2和VT3组成另一对桥臂，在2U 正半周，若4个晶闸管均不导通，
负载电流为零，输出电压U 也为零，VT1、VT4串联承受电压2U ，设
VT1和VT4漏电阻相等，则各承受2U 的一半。

若在触发角α处给VT1
和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源α端经VT1、R 、
VT4流回电源另一端。

当2U 过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1
和VT4关断。

晶闸管承受的最大正向电压和最大反向电压的值分别为
22U 22U 。

在2U 负半周，仍在触发延迟角α处触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，其电流电压情况与正半周情况类似。

并且按照此种
规律循环往复的工作下去，在此种原理下可以计算得出以下公式。

桥式整流输出电压：
21cos 0.92d U U α+= 由于经过滤波之后，电压会上升，其实际值接近350V 。

两信号的
matlab 仿真波形记录如下：
图16 整流滤波输出电压图
由上图可以看出整流输出的是脉动的直流电压波形，通过滤波电
路，将其变成纹波较小的直流电压。

3.3.3逆变输出电压计算与仿真
电压型全桥逆变电路的原理图在上面的基础电路中已经给出，它
共有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。

把桥臂1和4作
为一对，桥臂2和3作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两队交替
导通180度，其输出电压：
0411sin sin 3sin 535d U U t t t ωωωπ⎛⎫=+++ ⎪⎝⎭
其中，基波的幅值1o m U 和基波有效值1o U 分别为：
14 1.27d o m d U U U π=
= 1220.9d
o d U U U π== 由于输出电压由开关管的开通与关断频率决定，所以输出电压为
无数的宽度极小的矩形波组成，在matlab中，逆变电路输出电压频率有PWM脉冲触发器参数设置。

其参数设置如下图：
图17 PWM脉冲触发器参数设置
在采样理论中有一个重要的结论：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，冲量即指窄脉冲的面积。

这里所说的效果基本相同，是指环节的输出相应波形基本相同。

如果把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波部分面积相等就能得到相应的脉冲序列，这就是PWM波形。

可以看出，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。

图18 逆变输出电压
由图可知，输出电压频率为400Hz的交流电压，波形与理论分析结果一致，可得，此交流变换器，即交流变频仿真得到了正确的结果。

4 小结心得
通过一个星期的查阅资料，仿真实验使我认识到必需加强对知识的理解，不能停留在肤浅的了解阶段，这次基础强化训练使我获得了十分宝贵的经验，对于将来的我来说一定是非常巨大的财富。

这次基础强化训练让我有机会学习书本上没有的知识，增长了我的见识。

同时，这次基础强化训练，也使我体会到了实践精神的重要性，理论上的成立还要实践来检验是否符合实际，只有把理论和实际结合起来才能有真正的收获。

此外，这次的基础强化训练，使我对团结合作有了更深的理解，在做仿真实验时，大家在一起讨论，加深了我们对理论知识的理解，能够迅速解决问题，我们因此认识到团队合作的精神尤为重要。

5 参考文献
【1】高吉祥. 模拟电子线路设计北京：电子工业出版社，2007．【2】曾素琼. EDA技术在数字电路设计中的探讨成都：实验科学与技术，2005.
【3】赵景波. MATLAB控制系统仿真与设计北京:机械工业出版
社,2010.
【4】杨荫福. 电力电子装置与系统北京：清华大学出版社，2006.【5】金海明. 电力电子技术北京：北京邮电大学出版社，2005.【6】黄智伟．全国大学生电子设计竞赛系统设计北京：北京航空航天大学出版社，2005.
【7】James H. McClellanSchool of ECE Georgia Tech. Little Bits of MATLAB
本科生能力拓展训练成绩评定表
指导教师签字：
年月日。