1、学 号： 0121011350329课 程 设 计题 目 交流/交流变频器设计学 院 自动化学院专 业 电气工程及其自动化班 级 电气 1003 班姓 名 申廷进指导教师 吴 勇2013 年 6 月 28 日课程设计任务书学生姓名： 申廷进 专业班级： 电 气 1003 指导教师： 吴 勇 工作单位： 自动化学院 题 目: 交流/交流变频器设计初始条件：输入三相交流电：380V，50HZ。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、输出单相交流电，100V，1200HZ。2、采用两级变换：AC/DC,DC/AC。3、设计出完整电路图。时间安排：课程设计
2、时间为两周，将其分为三个阶段。第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的 20%。第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。约占总时间的 40%。第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的 40%。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要目前国际形势纷乱复杂、能源危机日益突出，能源瓶颈已经逐渐成为了制约国民经济持续发展的主要因素之一，迫切需要提高工农业生产中的能源利用率。本课程设计正是基于目前我国交流电气传动系统的现状，设计了一台电压源型通用变频器。随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流
3、变频调速技术得到了迅速发展，其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽泛的调速范围，完善的保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可，在运行的安全可靠、安装使用、维修维护等方面，也给使用者带来了极大的便利。因此，研究交直交变频调速系统的基本工作原理和作用特性意义十分重大。本文研究了变频调速系统的基本组成部分，主回路主要有两部分组成：将工频电源变换为直流电源的“整流器”；将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。使用 Altium Designer 进行电路设计，通过试验对该交 直交变频器的基本工作原理、工作特性及作用有更深的认识，也对谐波对于交直交变频器的影响有了一定的了解。关键词：交
4、直交变频，整流，逆变，Altium Designer 设计目录1 绪论 .11.1 课程设计的目的 .11.2 课程设计的任务和要求 .12 方案设计 .22.1 总体结构原理图 .22.2 整流滤波电路 .22.2.1 整流滤波电路设计图 .22.2.3 整流滤波电路工作原理 .32.2.4 整流滤波电路定量分析 .52.3 逆变电路设计 .52.3.1 SPWM 控制技术的原理 .52.3.2 电压型逆变电路的特点及主要类型 .72.3.3 逆变电路设计 .82.3.4 逆变电路工作过程和波形分析 .83 Altium Designer 设计总电路图 .104 心得体会 .11参考文献 .
5、12武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书1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要求：（1）输入 380V，50HZ 的三相交流电
6、（2）输出 100V，1200HZ 单相交流电（3）采用 AC/DC,DC/AC 两级变换，设计出完整的电路图武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书22 方案设计2.1 总体结构原理图根据设计要求，本次设计的交流/交流变换器需要采用两级电路，即先采用AC/DC 的整流电路，把 380V 的三相交流电变成直流电，再采用 DC/AC 的变电路，把直流电变成单相交流电输出。结构原理图如图 2-1 所示：输 入380V， 50HZ三 相 交 流 电 AC/D三 相 整流 电 路 DC/A单 相 逆变 电 路 输 出 单 相10V， 120HZ交 流 电图 2-1 总体结构原理图2.2 整流滤波电
7、路三相桥式整流电路。该整流电路是由一组共阴极和一组共阳极电路串联而成的。三相桥式的整流电压为三相半波的两倍。三相桥式整流电路在任何时候都有两个晶闸管导通，而且这两个晶闸管中一个是共阴极组的，一个是共阳极组的，他们同时导通，形成导电回路。晶闸管承受的最大反向电压和方案一中一样，均为线电压的峰值，但是晶闸管承受的最大正向电压为相电压峰值的一半。2.2.1 整流滤波电路设计图根据设计的方案，采用三相桥式全控整流电路。电路图如图 2-2 所示：习惯将其中阴极连接在一起的 3 个晶闸管（VT1、VT3、 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的 3 个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习
8、惯上希望晶闸管按从 1 至 6 的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书3共阴极组中与 a、b、c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与 a、b、c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。 VT14652C三AB图 2-2 三相桥式全控整流电路2.2.3 整流滤波电路工作原理=0 o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也
9、是线电压的交点。在分析 ud 的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点 n 为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压 ud1 为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压 ud2 为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压 ud = ud1ud2 是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压 ud 为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输
10、出整流电压 ud 波形为线电压在正半周的包络线。由于负载端接得有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势 Li，它的极性事武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书4阻止电流变化的。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。电感的这种作用使得电流波形变得平直，电感无穷大时趋于一条平直的直线。通过触发脉冲的控制，六个晶闸管按 VT1VT2VT3VT4VT5VT6 的顺序导通，相位依次相差 60；共阴极组按 VT1VT3VT5 的顺序导通，相位依次相差 120；共阳极组按 VT4VT6VT2 顺序导
11、通，相位也是依次相差 120；同一相的上下两个桥臂，即 VT1 和 VT4，VT3 和 VT6，VT5 和 VT2 导通相差180。通过改晶闸管变触发角，整流输出的波形也随之改变。当带电阻性负载时，三相桥式全控整流电路的 角移相范围为 120；当带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的 角移相范围为 90。三相桥式全控整流电路在 时的输出波形图如图 2-3 所示：0武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书5图 2-3 三相桥式全控整流电路在 =0时的输出波形图2.2.4 整流滤波电路定量分析根据三相桥式全控整流电路的工作原理，整流输出电压的波形在一个周期内脉动六次，而且每次的波形相同，结合图
12、2-3，对三相桥式全控整流电路的定量分析只须针对一个脉波进行计算即可。阻感性负载时，由于电流连续，故有整流输出电压平均值为： cos34.2)(sin6312UtdUd 电阻性负载时，由于电流可能断续，故有以下两种计算方法：当 时，有60 cos34.2)(sin6312tdd 当 时，有 ） ）（ 1.)(i232UtUd2.3 逆变电路设计与整流电路相比较，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。在不加说明时，逆变电路一般指无源逆变。逆变电路在现实生活中有很广泛的应用。交流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个
13、支路的转移，这称为换流。换流是实现逆变的基础。通过控制开关器件的开通和关断来控制电流通过的支路，这就是实现换流的基本原理。换流有多种方式，其中主要分为器件换流、电网换流、负载换流和强迫换流四种方式。采用电压型全桥逆变电路。在电压型逆变电路中，直流电源是交流整流后，由大电容滤波后形成的电压源。此电压源的交流内阻抗近似于零，他吸收负载端得谐波无功功率。逆变电路工作时，输出电压幅值等于输入电压的方波电压。武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书62.3.1 SPWM 控制技术的原理SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）控制技术就是在 PWM 的基础上，改变
14、了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按照正弦规律排列，这样波形经过适当的滤波就可以做到正弦波输出。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 2-4 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 /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。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 波形和正弦半波是等效的。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 2-4 用 PWM 波代替正弦半波根据 PWM 控制的基本原理，如果给出了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逆变电路中各个开关的器件的通断，就可以的到所
