电力电子课程设计IGBT单相电压型全桥无源逆变电路阻感负载Word文件下载.docx
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2.输出功率:
300W
3.输出电压波行1KHz方波,脉宽
4.电阻负载
根据课程设计题目和设计条件,说明主电路的工作原理、计算选择元器件参数。
设计内容包括:
1.IGBT电流、电压额定参数选择
2.IGBT控制电路的设计
3.设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕:
1.根据设计题目要求的指标,通过查阅有关资料分析其工作原理,确定各器件参数,设计电路原理图;
2.利用MATLAB仿真软件绘制主电路结构模型图,设置相应的参数。
3.用示波器模块观察和记录电源电压、控制信号、负载电压的波形图。
4.主要参考文献:
[1].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009
[2].张润和.电力电子技术及应用.北京大学出版社.2008.8
[3].曲学基,曲敬铠,于明杨等.电力电子整流技术及应用.电子工业出版社.2008.4
[4].何此昂,周渡海.变压器与电感器设计方法及应用实例.人民邮电出版社.2011.2
[5].洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.2006
[6].美WillianmShepherd,沈经,张正南译.电力变流器电路.机械工业出版社.2008.10
5.设计成果形式及要求:
1.电路原理图及各器件参数计算
2.MATLAB或其他仿真软件仿真
3.编写课程设计报告。
6.工作计划及进度:
2013年12月16日~12月19日设计电路计算参数
12月20日~12月23日对设计的电路进行MATLAB或其他仿真软件仿真
12月24日~12月27日编写课程设计说明书,答辩或成绩考核
系主任审查意见:
签字:
年月日
1引言
本次课程设计的题目是IGBT单相电压型全桥无源逆变电路设计(阻感负载),根据电力电子技术的相关知识,单相桥式逆变电路是一种常见的逆变电路,与整流电路相比较,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,逆变电路在现实生活中有很广泛的应用。
2工作原理概论
2.1IGBT的简述
绝缘栅双极晶体管(Insulated-gateBipolarTransistor),英文简写为IGBT。
它是一种典型的全控器件。
它综合了GTR和MOSFET的优点,因而具有良好的特性。
现已成为中、大功率电力电子设备的主导器件。
IGBT是三端器件,具有栅极G、集电极C和发射极E。
它可以看成是一个晶体管的基极通过电阻与MOSFET相连接所构成的一种器件。
其等效电路和电气符号如下:
图2-1IGBT等效电路和电气图形符号
它的开通和关断是由栅极和发射极间的电压
所决定的。
当UGE为正且大于开启电压UGE时,MOSFET内形成沟道,并为晶体管提供基极电流进而是IGBT导通。
由于前面提到的电导调制效应,使得电阻
减小,这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。
当山脊与发射极间施加反向电压或不加信号时,MOSFET内的沟道消失,晶体管的积极电流被切断,使得IGBT关断。
2.2电压型逆变电路的特点及主要类型
根据直流侧电源性质的不同可分为两种:
直流侧是电压源的称为电压型逆变电路;
直流侧是电流源的则称为电流型逆变电路。
电压型逆变电路有以下特点:
直流侧为电压源,或并联有大电容,相当于电压源。
直流侧电压基本无脉动,直流回路呈现低阻抗。
由于直流电压源的钳位作用,交流侧输出电压波形为矩形波,并且与负载阻抗角无关。
而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同。
当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用。
为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。
又称为续流二极管。
逆变电路分为三相和单相两大类。
其中,单相逆变电路主要采用桥式接法。
主要有:
单相半桥和单相全桥逆变电路。
而三相电压型逆变电路则是由三个单相逆变电路组成。
2.3IGBT单相电压型全桥无源逆变电路原理分析
单相逆变电路主要采用桥式接法。
它的电路结构主要由四个桥臂组成,其中每个桥臂都有一个全控器件IGBT和一个反向并接的续流二极管,在直流侧并联有大电容而负载接在桥臂之间。
其中桥臂1,4为一对,桥臂2,3为一对。
可以看成由两个半桥电路组合而成。
其基本电路连接图如下所:
图2-2电压型全桥无源逆变电路的电路图
由于采用绝缘栅晶体管(IGBT)来设计,如图2-2的单相桥式电压型无源逆变电路,此课程设计为阻感负载,故应将RLC负载中电容的值设为零。
此电路由两对桥臂组成,V1和V4与V2和V3两对桥臂各导通180度。
再加上采用了移相调压法,所以VT3的基极信号落后于VT1的90度,VT4的基极信号落后于VT2的90度。
V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏,互补。
uo为矩形波,幅值为Um=Ud/2,io波形随负载而异,感性负载时,图2-3-b,V1或V2通时,io和uo同方向,直流侧向负载提供能量,VD1或VD2通时,io和uo反向,电感中贮能向直流侧反馈,VD1、VD2称为反馈二极管,还使io连续,又称续流二极管。
在阻感负载时,还可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压,这种方式称为移相调压。
移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。
在单相桥式逆变电路中,个IGBT的栅极信号仍为180度正偏,180度反偏,并且V1和V2的栅极信号互补,V3和V4的栅极信号互补,但V3的基极信号不是比V1落后180度,而是只落后θ(0<
θ<
180).也就是说,V3、V4的栅极信号不是分别和V2、V1的栅极信号同相位,而是前移了180-θ。
这样,输出电压u0就不再是正负各180度的脉冲,而是正负各为θ的脉冲,由于输入为DC100V,输出幅值也是100V,θ=90°
,则输出电压有效值为50V。
各IGBT的栅极信号uG1~uG4及输出电压u0、输出电流i0的波形如下图所示。
图2-3θ如图所示
3系统总体方案
3.1.确定各器件参数,设计电路原理图
2.输出功率:
3.输出电压波行1KHz方波,脉宽θ=90°
4.阻感负载
计算内容:
T=1/f=1/1000=0.001s
由于V3的基波信号比V1落后了90°
(即1/4个周期)。
则有:
t3=0.001/4=0.00025s,t1=0s
t2=0.001/2=0.0005s,t4=0.00075s
100*θ/180°
=100V*90°
/180°
=50V(输出电压)
100V*X/0.001s=50V得:
X=0.0005s
设在t1=0.0005s时刻前V1和V4导通,输出电压u0为Ud=100V,t1时刻V3和V4栅极信号反向,V4截止,而因负载电感中的电流i0不能突变,V3不能立刻导通,VD3导通续流。
因为V1和VD3同时导通,所以输出电压为零。
到t2时候V1和V2栅极信号反向,V1截止,而V2不能立刻导通,VD2导通续流,和VD3构成电流通道,输出电压为-Ud。
到负载电流过零并开始反向时,VD2和VD3截止,V2和V3开始导通,u0仍为-Ud。
t3时刻V3和V4栅极信号再次反向,V3截止,而V4不能立刻导通,VD4导通续流,u0再次为零。
以后的过程和前面类似。
这样,输出电压u0的正负脉冲宽度就各为θ=90°
。
改变θ,就可以调节输出电压。
有效电压:
U。
=U/2=100/2=50V
R=Ud2/P=25/3=8.33Ω
输出电流有效值:
Io=P/Uo=6A
则可得电流幅值为:
Imax=12A,Imin=-12A
电压幅值为:
Umax=100V,Umin=-100V
晶闸管额定值计算,电流有效值:
Ivt=Imax/4=3A。
额定电流In额定值:
In=(1.5-2)*3=(4.5-6)A。
最大反向电压:
Uvt=100V
则额定电压:
Un=(2—3)*100V=(200-300)V
输出电压定量分析:
uo成傅里叶级数:
基波幅值:
基波有效值:
所以,IGBT承受的最大反向电压:
UFM=(2~3)×
Ud=(200~300)V,
因此选用电压为200V的IGBT.
阻抗值的确定:
f=1000Hz
ω=2πf=2*3.14*1000=6280
ωL/R=tanθ=
可知:
L=0.0046H。
电源端恒压电容C1的值为100nf。
4触发电路的设计
IGBT晶体管触发电路的作用是产生符合要求的触发脉冲,保证晶体管在需要的时刻由阻断转为导通。
晶体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。
该主电路对触发电路的要求有以下几点:
1)触发脉冲必须有足够的功率,保证在允许的工作温度范围内,对所有合格的元件都可靠触发。
2)触发脉冲应有足够的宽度。
3)触发脉冲的相位应能够根据控制信号的要求在规定的范围内移动。
4)触发脉冲与主电路电源电压必须同步。
如下图所示,为了使IGBT稳定工作,一般要求双电源供电方式,即驱动电路要求采用正、负偏压的两电源方式,输入信号经整形器整形后进入放大级,放大级采用有源负载方式以提供足够的门极电流。
为消除可能出现的振荡现象,IGBT的栅射极间接入了RC网络组成的阻尼滤波器。
此种驱动电路适用于小容量的IGBT。
图4-1有正负偏压的直接驱动电路
5主电路设计及参数选择
5.1电路仿真图
在本次设计中,主要采用单相全桥式无源逆变电路(阻感负载)作为设计的主电路。
由于软件上的电源等器件都是理想器件,故可将直流侧并联的大电容直接去掉。
由以上工作原理概论的分析可得其主电路仿真图如图5-1所示:
图5-1单相电压型全桥无源逆变电路(阻感负载)的主电路
图5-2VT1的触发电平参数设置
图5-3VT2的脉冲信号
图5-4VT3的脉冲信号
图5-5VT4的脉冲信号
图5—6阻感负载
图5-7电源电压、输出电压波形图
图5-8输入电流Id的波形
图5-9用示波器模块观察和记录电源电压、控制信号、负载电压的波形图
说明:
如图所示,分别为负载电压、电源电压、控制信号的波形图。
打开新建模型窗口,将所需元件模块从模块库中拖入新建模型窗口并改名,设定有关参数后将各模块库连接组成仿真模型,如下图5-9所示,设置好各模块参数,点击下拉菜单仿真(Simulation)按钮,仿真参数(SimulationParameters)命令设定有关仿真参数,设定停止时间(StopTime)为0.1秒,仿真算法选择可变步长(Variable-step)积分算法函数其,他参数用默认值。
然后点击启动仿真按钮,则开始仿真,双击显示模块(scope)就能显示其信号波形。
图5-10触发电压波形图
从上到下依次为VT1,VT2,VT3,VT4的触发电压,幅值为5V。
6心得体会
通过本次课程设计,加深了我对课程《电力电子技术》理论知识的理解,特别是有关逆变电路方面的知识。
同时也培养了以下几点能力:
第一:
提高了自己完成课程设计报告水平,提高了自己的书面表达能力。
具备了文献检索的能力,特别是如何利用Intel网检索需要的文献资料。
第二:
提高了运用所学的各门知识解决问题的能力,在本次课程设计中,涉及到很多学科,包括:
电力电子技术、电路原理等,学会了如何整合自己所学的知识去解决实际问题。
第三:
深刻理解了单相全桥逆变电路的原理及应用。
参考文献
【1】李先允主编电力电子技术北京:
中国电力出版社,2006
【2】佟纯厚主编电力电子学南京:
东南大学出版社,2000
【3】王兆安,黄俊主编电力电子技术(第4版)北京:
机械工业出版社,2004
【4】黄俊王兆安主编电力电子交流技术(第3版)北京:
机械工业出版社,1994
【5】石玉王文郁主编电力电子技术题解与电路设计指导北京:
机械工业出版社,2000
【6】洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社.2006
致谢
对本次课题的初步了解是在《电力电子》课堂上,在此,真心感谢高丽珍老师,在此课程设计期间,我不仅学到了许多新的知识,而且也开阔了视野,提高了自己的设计能力。
其次,我要感谢帮助过我的同学,他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。
同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。
最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。
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- 电力 电子 课程设计 IGBT 单相 电压 型全桥 无源 电路 负载