电力电子课程设计---单相桥式晶闸管有源逆变电路设计

课程设计说明书

学院：信息与通信工程学院

专业：自动化

题目：单相桥式晶闸管有源逆变电路设计

（反电势阻感负载）

2011年12月31日

课程设计任务书

一、绪论

1.逆变技术介绍：

逆变技术的原理早在1931 年就有人研究过，从1948 年美国西屋电气公司研制出第一台3KHZ 感应加热逆变器至今已有近60 年历史了，而晶闸

管SCR 的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件，到了20 世纪70 年代，可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（BJT）的问世使得逆变技术得到发展应用。到了20 世纪80 年代，功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅极晶体管（IGBT）、MOS 控制晶闸管（MCT）以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化，大容量化创造了条件。进入80 年代后，逆变技术从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高速器件，提高开关频率方向发展。逆变器的体积进一步减小，逆变效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。

2.软件介绍：

NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。

二、原理概述

在电力电子技术中，把直流电能变换成为交流电能的过程称为逆变。

当交流侧为供电电源时称为有源逆变。要使负载侧反过来通过变流器向交流电源供电（即能量反传递）而且电流流向不变，则在负载侧必须存在一个直流电源E（电动势），这个电源可以是电池，也可以是直流发电机或直流电动机运行在发电状态，这个电源的极性与整流电压极性相反。两个电源之间的能量交换必须使这两电源同极性相连接。这样，欲使负载中直流电源的能量反流回交流电源中去，则必须要求变流器能产生一个与原整流

电压U

αd 极性相反的电压，称之为逆变电压U

βd

，且U

βd

βd

为逆变电压

的平均值。由于希望在能量交换中的能量损失尽可能地小，因此回路中的电阻R均较小，这样U

βd

较接近于E。

综上所诉，有源逆变本质上是触发角大于90度的整流，有源逆变的拓扑结构与整流一模一样，只是当触发角大于90度时整流电路的功率方向发生了变化。为了实现逆变功能，有源逆变电路必须满足两个条件：（1）负载侧存在一个直流电源E，由它提供能量，其电势极性与变流器的整流电压相反，对晶闸管为正向偏置电压；（2）变流器在其直流侧输出应有一个与

原整流电压极性相反的逆变电压U

βd ，其平均值U

βd

给交流电源。

三、参数计算题目要求：

电源电压：交流50V/50Hz

逆变功率：P=200W

反电势：E=70V

逆变角：β=35°

计算：

输入电压有效值U

2

=50V

∵ U

d =

π

1

wtdwt

U

a

sin

2

2

a

⎰+π和β

α+=π得U

d

=0.9

2

U cos(π—β)

I d =

R

E-

Ud=

R

14

.

33

P=|E I

d |－I2

d

R和P=200W

∴U d=-36.86V I d=5.43A R=6.10Ω晶闸管的选取：

额定电压：22U =70.71V ，取2～3倍的电压安全储备，并考虑晶闸管电压安全系列取额定电压为200V 。

额定电流：查表可得K f =I VT ÷I d =2÷2，I VT =K d f I /1.57=2.41，取2倍电流安全储备并考虑晶闸管原件额定电流系列取额定电流为5A 。

控制电路设计：

∵ 电源频率f=50HZ,周期T1=

f

1

=20ms 触发电路周期T2=T1=20ms

触发角α=180 -β=180 -35 =145

∴ D1，D3触发时间为：t 1=

360145T2=8.06ms

D2, D4触发时间为：t 2=t 1+

21

T2=18.06ms

四、实验原理图及其分析

实验理论图

实验原理图

原理图分析：

负载侧存在一个直流电源E=70V（电动势），由它提供能量，其电势极性与单向桥式整流电压相反，对晶闸管为正向偏置电压。在0°<α<145°时，D1、D3导通，145°<α<325°时，D2、D4导通，如此循环。

变流器在其直流侧输出了一个与原整流电压极性相反的逆变电压

U

βd =36.86V，其平均值U

βd

控制电路原理图

控制电路原理：

控制电路采用脉冲信号发生器，作为晶闸管的触发信号，其参数如上图所

示。其中D1，D3触发时间为：t

1=

360

145

T=8.06ms，D2,D4触发时间为：

t

2=t

1

+

2

1

T=18.06ms，且控制电路周期和交流电源周期相同，使得两组晶闸管交

替触发，实现逆变。