交流交流变频器设计

交流/交流变频器设计

1.绪论

1.1课程设计的目的

电力电子是电气专业的专业课，具有很强的实践性和工程背景，电力电子课程设计的目的在于培养学生综合运用电力电子的知识和理论分析和解决设计问题，使学生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法，提高学生调查研究、查阅文献及正确使用技术资料、标准、手册等工具书的能力，理解分析、制定设计方案的能力，设计计算和绘图能力，实验研究及系统调试能力，编写设计说明书的能力

1.2课程设计的任务和要求

本次设计任务是：设计一个交流/交流变频器

本次课程设计的的要求是在输入端输入380V，50HZ的三相交流电，在输出端输出100V，1200HZ的单相交流电，变换形式采用两级变换：AC/DC,DC/AC。对电路进行完整的设计，并画出出完整电路图。

2.方案设计

2.1总体结构框图

根据电路设计要求，本次设计的交流/交流变频器需要采用两级变换，即先采用三相整流电路AC/DC，把380V的三相交流电转换成直流电，再采用逆变电路DC/AC，把直流电转换为单相交流电输出。

结构框图如图2-1所示：

图2-1总体结构框图

2.2三相整流滤波电路（AC/DC）

整流电路的作用是将交流电转换成近似直流电。当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时，应采用三相整流电路。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路。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。

三相半波可控整流电路。该整流电路在控制角α＜30°时，负载电流处于连续和断续的临界状态，各相导电120°。如果α＞30°，当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断。此时下一相晶闸管虽承受正向电压，但没有触发脉冲，改晶闸管关断。这种情况下负载电流断续，各晶闸管导通角为90°。

三相桥式全控整流电路。由共阴极组和共阳极组六个晶闸管组成。在带阻感负载时可得到连续的输出电压电流。

根据设计要求以及两种整流电路的特性可以看出本次课程设计的三相整流电路应选择三相桥式全控整流电路。滤波电路采用负载并联电容。

2.2.1三相整流滤波电路的设计

根据上述分析，设计方案采用三相桥式全控整流电路。

电路图如图2-1所示：

图2-1三相桥式全控整流滤波电路

2.2.2三相桥式全控整流电路工作原理

在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行控制的，控制角都是α。由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流电压为三相半波时的两倍。很显然在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的最大反向电压，可比三相半波线路中的晶闸管低一半。

三相桥式全控整流电路在α=0°时的输出波形图如图2-2所示：

图2-2三相桥式全控整流电路在α=0°时的输出波形

2.2.3三相桥式全控整流电路定量分析

根据三相桥式全控整流电路的工作特点，整流输出电压Ud 的波形在一个周期内脉动六次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，可得到整流输出电压连续时的平均值

为:αωωπππcos 34.2)(sin 63/1223

U t td U U a d ==⎰+ 2.3逆变电路（DC/AC ）

与整流相对应，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。

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。本设计的输入是三相50Hz 电源，而要得到的是1200Hz 交流电，故用直流-交流变频。直流-交流变频通常采用PWM 技术。

2.3.1逆变电路的设计

根据上述分析，设计方案采用PWM 逆变电路。

电路图如图2-3所示：

图2-3PWM 逆变电路

2.3.2PWM 逆变电路的原理

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。

图2-3-2中，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。这些脉冲宽度相等，都等于π/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，就得到图2-4下半部分所示的脉冲序列，这就是PWM 波形。

图2-4用PWM波代替正弦半波

根据PWM控制的基本原理，如果已知逆变电路的正弦波输出的频率、幅值和半个周期内的脉冲数，PWM波形中各个脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算的结果控制各个开关的器件的通断，就可以的到所需要的PWM波形。这种方法称之为计算法。

可以看出，计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。

与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接收调制的信号作为载波，通过信号波的调制的到所期望的PWM波形。

本次设计PWM逆变电路的控制就采用调制法。

3.设计总电路

3.1设计总电路图

设计总体电路图如图3-1所示：

图3-1设计总体电路图

从电路图可以看出，本次设计先采用AC/DC 的三相整流电路，把380V ，50Hz 的三相交流电变成直流电，再采用DC/AC 的PWM 逆变电路，把直流电变成100V ，1200HZ 的单相交流电输出。此外还有LC 串联的滤波电路，其作用为对输出的交流电进行滤波。

3.2参数设定

本设计的参数要考虑载波的频率，滤波电路中电容的参数选择。

3.2.1载波频率的设定

由于设计要求输出频率为1200Hz 的交流电，所以调制频率，载波频率应为调制频率的N 倍，即。N 越大，最后输出的交流电谐波分量越少，但是如果N 过大，载波频率会过高，使开关器件难以承受。同时，为了使PWM 正负周镜对称，N 应取奇数。综合考虑，N 取9。所以载波频率为：Hz Nf f r c 1080012009=⨯==

3.2.2滤波电路参数设定

本设计采用LC 串联滤波。一般截止频率为载波频率的1/5，即。

根据公式:LC f t π21

= 021Z f C t π= t

f Z L π20= 其中Zo 为负载阻抗。根据公式可得L 、C 的参数。