单相桥式整流逆变电路的设计及仿真..

辽宁工业大学

电力电子技术课程设计(论文)题目: 单相桥式整流/逆变电路的设计及仿真

院(系）: 电气工程学院

专业班级: 自动化1１1班

学号: 1１030２0３0

学生姓名:

指导教师：（签字）起止时间：20１3.12.30-2014.1.１０

课程设计（论文）任务及评语

院(系)：电气工程学院教研室：自动化

注:成绩：平时２0% 论文质量６0% 答辩20％以百分制计算

摘要

整流电路是把交流电转换为直流电的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。逆变电路是把直流电变成交流电的电路，与整流电路相对应。无源逆变电路则是将交流侧直接和负载连接的电路。

此次设计的单相桥式整流电路是利用二极管来连接成“桥”式结构，达到电能的充分利用,是使用最多的一种整流电路。无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载,即将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。

关键词:交直流转换；桥式整流；无源逆变电路；

第１章绪论 (1)

第2章课程设计的方案?

２

2.1概述?2

２.２系统组成方案 (2)

2.２．1单相桥式整流电路的结构 (2)

2.2．２单相桥式无源逆变电路的结构 (3)

第３章主电路设计?4

3.1单相桥式整流主电路 (4)

3.1.1单相桥式整流主电路图?

3.1.２工作原理?

3.2单相桥式无源逆变电路主电路?5

３.２.1单相桥式整流电路主电路图?

3.2.2工作原理?

第4章控制电路设计 (7)

4.1单相桥式整流电路控制 (7)

4.1．1触发电路?

４.１.2保护电路 (8)

４.２单相桥式无源逆变电路控制电路?9

4.２.1驱动电路?

4.2．2保护电路 (10)

第５章MATＬAB仿真 (12)

5.1单相桥式整流电路的仿真?2

5.2单相桥式无源逆变电路的仿真 (15)

第6章课程设计总结................................................. 1７参考文献?

第1章绪论

整流电路就把交流电转换为直流电的电路。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。2０世纪70年代以后,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,其作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。另外，还有采用全控型器件的电路，其主要控制方式为PWM脉宽调制式,后来,又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路(PIC），随着全控型电力电子器件的发展，电力电子电路的工作频率也不断提高。同时，电力电子器件的开关损耗也随之增大，为了减小开关损耗，软开关技术便应运而生，零电压开关（ZVS)和零电流开关(ＺＣＳ）把电力电子技术和整流电路的发展推向了新的高潮。

逆变电路与整流电路相对应，是把直流电变成交流电的电路。当交流侧接在电网上,即交流侧接有电源时,称为有源逆变;而无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载,即将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛,是构成电力电子技术的重要内容。另外，逆变电路输出电压基波方均根值随外加控制信号电压的大小作连续调节。逆变电路的基本功能固然是将直流电能改变成所需频率的交流电能，但含逆变电路的工业特殊交流电源,除了必须具备变频功能之外，还要求其出端电压在一定范围内连续可调。例如:交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。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。再例如,为了防止交流电动机磁路饱和,用于变频调速的电源输出电压需要与工作频率同步调节,以保持U／f值为常数（其中U 为电源输出基波电压方均根值,ｆ为工作频率)。为了适应不同工件和工艺规范的需要,用于感应加热的电源输出功率需要在一定范围内连续可调(相当于电源输出电压可调)。为了在电网和负载波动条件下维持输出电压恒定,各种恒压电源(如不停电电源等）必须具备输出电压快速调节的功能等等。

第2章课程设计的方案

2.1概述

本次设计主要设计单相桥式整流电路和单相全桥无源逆变电路。这两个电路在电力电子这门课程中算是比较简单的电路，但同时也是基础型的电路。这次设计不仅可以更直观的了解电路的工作情况和各个器件的工作原理,使自己对电力电子知识的掌握更加清晰、牢固。同时可以通过对比来分辨两个电路的不同作用。

整流电路要求输入单相电网220V,输出电压0~1０0V,电阻性负载，，R=２0欧姆,通过设计整流电路并按照要求参数进行仿真，可以得到相应的波形。逆变电路要求单相全桥无源逆变，输出功率200W，输出电压１0０Hｚ方波,应采用无源方波逆变电路，通过对参数的正确设置，就可以仿真出所求波形。

2.2系统组成总体结构

2.2.1单相桥式整流电路的结构

单相桥式整流电路在输入单相电源后经过变压器带动驱动电路使晶闸管处于通状态来控制整流电路的通断,整流电路与负载相连得到整流后的波形，保护电路在整个过程中保证电路的正常运行，防止过压或过流情况的发生。

图2.１单相桥式整流电路的结构

2.2.2单相全桥无源逆变电路的结构

无源逆变是指逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载,即将直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。直流侧与电源相接,通过滤波电路得到需要的电压范围,整流电路将直流电压转换成交流电,输出给负载，控制电路全程逆变控制电路的通断。

图2.2 单相桥式无源逆变电路的结构

第3章主电路设计

3.1单相桥式整流电路主电路

3.1.1单相桥式整流主电路图

图3.1 单相桥式整流主电路图

3.1.2工作原理

如上图所示,晶闸管VＴ1和ＶT2组成一对桥臂，晶闸管VＴ4和ＶT3组成另一对桥臂。当u2为正半周时,在ωt＝α瞬间给VＴ１和ＶT4以触发脉冲,则电流i2从a→ＶT1→Rｄ→VT４→b,ＶT２和VＴ3均承受反向电压而关断;在电源电压ｕ2的负半周期时，仍在控制角α时刻触发VT2和VＴ3，电流i2从ｂ→ＶT３→R ｄ→ＶT２→a，如此一个个周期周而复始地重复、循环。

由于单相桥式整流电路直流电压在一个周期内有两个波头,故整流电压平均值可按下式计算:

()2

/cos 129.0)sin 22(Ud 0

αωωπ

+==?U t d t U

当α=0°时,晶闸管全导通,相当二极管的不可控整流，Ud=0.9U2为最大值；当α=90°时,U d =０，为最小值,可见，其移相范围为90°。

对电路来说,晶闸管的选取会影响到电路的功能和输出,因此,晶闸管的参数的选取十分重要,决定晶闸管性能的主要参数有:主要电压参数包括断态重复峰值电压，反向重复峰值电压，反向击穿电压,通态平均电压和断态电压临界上升率。主要电流包括通态平均电流,断态平均电流,维持电流，掣住电流和浪涌电流等。

因此，出于对电路输出的考虑,选取KP1型晶闸管,其主要参数为：通态正向平均电流It 为１av ，断态正反向重复峰值电压Ｕｄrn ，Ｕd ｒrm 为50～１6０V,门极触发电压V ｇt 为≤２．5Ｖ，门极触发电流I ｇt 为 ≤2０ｍA 。

根据以上参数可求得晶闸管承受的最大正、反向电压都是2Ｕ２。

流过每个晶闸管的电流平均值和有效值公式分别为

d Id Id v

I 5.0Idvt 22==

ππ

Id Id Id v 2

122Idvt =

ππ

3.2 单相桥式无源逆变电路主电路

3.2.1 单相桥式无源逆变主电路图

图３.2 单相桥式无源逆变主电路图

3.2.2工作原理

单相桥式无源逆变电路如上图所示,从图中可看出,它由两对桥臂组合而成,ＶT1和VT4构成一对导电臂，VT2和VT3构成另一对导电臂,两对导电臂交替导通18０度。其工作过程如下：

ｔ=0时刻以前，VＴ2、ＶT3导通,VT１、ＶT4关断,电源电压反向加在负载

上，Uo =-Ud。

在ｔ=0时刻，负载电流上升到负的最大值,此时关断VT2、VＴ3，同时驱动VT1、VT4，由于感性负载电流不能立即改变方向,负载电流经ＶD1、VＤ４续流，此时,由于VD1、VD４导通，VT１、VT4受反压而不能导通。负载电压Ｕo=+Ud。

在t=t1时刻,负载电流下降到0,VD1、VD4自然关断，VＴ1、VT4在正向电压作用下开始导通。负载电流正向增大，负载电压0ｕ=+Uｄ。

在ｔ=t２时刻负载电流上升到正的最大值,此时关断ＶT1、VT４,并驱动VT2、VT3，同样,由于负载电流不能立即换向，负载电流经VD２、VD3续流，负载电压0u=－Uｄ。

在ｔ= ｔ3时刻,负载电流下降到0,ＶＤ2、VD3自然关断,VT2、VT3开通，负载电流反向增大时，0ｕ=－Ud。

在ｔ＝ t4时刻，负载电流上升到负的最大值,完成一个工作周期。

从图２-２知,单相全桥逆变电路的输出电压为方波，定量分析时,将０u展开成傅立叶级数,得