交流变换器装置设计.docx

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1、武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书交流变换器装置设计1原理简述1.1 设计要求本次设计要求对输入的单相交流 220V/50HZ,采用AC/DC DC/AC变换,输出220V/400Hz 的单相交流电，并设计出完整的电路图。1.2 设计方案在所给的要求中，要求输入的是单相交流 220V/50HZ,通过AC/DC DC/AC变换，输出 的是220V/400Hz的单相交流电，这属于交-直-交变频。因此需要先对输入电压进行整流， 然后通过电容滤波后，再采用电压型单相桥式PW顺变电路，利用调制电路设置信号波的频率400Hz调制信号设置成5000Hz的SPWME弦波，最后利用LC滤波电路将得到的

2、交流 方波变成正弦波。最终得要的就是 220V, 400Hz的交流电，满足设计的要求。整体的设计 系统框图如图一所示。10220V/50HZ整流电路图1-1整体系统框序2部分所用芯片简介2.1 DAC0832DAC083宏采样频率为八位的D/A转换器件.DAC0832内部结构资料：芯片内有两级输 入寄存器,使DAC0832M备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需 要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要 相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈 电阻可通过RF端引用片内固有电阻，还可以外接。该片

3、逻辑输入满足TTL电压电平范围, 可直接与TTL电路或微机电路相接。20 Ucc19 ILLAGND13J WRaDAC083217 XFER16DiLc 714 DeU ref12 Ia2DGND 1011 lai图3-1单相桥式全控整流电路2.2 CD4040CD4040是12位二进制用行计数器，所有计数器位为主从触发器。计数器在时钟下降 沿进行计数，CR为高电平时，对计数器进行清零。由于在时钟输入端使用斯密特触发器, 对脉冲上升和下降时间无限制。所有输入和输出均经过缓冲。3电路设计3.1 整流电路设计3.1.1 电路图设计在交流电路整流中，用了单相桥式全控整流电路，电路图如图3-1所示,

4、图3-1单相桥式全控整流电路3.1.2 参数计算在电路中，取 R=5C, U=220V a =300。Ud =0.9U cos： =0.9* 220* cos300 = 171.47VId =Ud /R =171.47/5 =34.29A品闸管承受最大反向电压为：2U2 -311V流过每个晶闸管的电流有效值：Ivt = Id / .2 =24.25A故品闸管的额定电压：UN =(2 3)* 311 = 622 933V故品闸管的额定电流为：I N =(1.5 2)*24.25A/1.57 =23 31A3.1.3 原理说明在电源电压u2正半周期间，VT1、VT4承受正向电压，若在触发角a处给V

5、T1、VT4 加触发脉冲，VT1、VT4导通，电流从电源a端经VT1、负载、VT4流回电源b端。当 u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。在电源电压u2负半周期间，仍在触发延迟角a处触发VT2和VT3, VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经过 VT3 R VT2流回电源a端。至U u2过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。此后又是VT1和VT4导通，如此循环的工作下去。该电路的移向范围是0冗。另外，由于该整流电路带的是反电动势负载，因而不是正半轴的任意时刻都能开通晶闸管的，要开通 品闸管必须在交流电瞬时值大于 E的时候去触发。提前触发的话，晶闸管会在 E的作用 下

6、承受反向电压，无法导通。3.2 单相逆变主电路设计开关管Ti 丁4是IGBT,其规格为50A/600V。电感L1是4个IGBT的缓冲电路，它还能 够抑制二极管反向恢复引起的短路电流；关断缓冲电路由电阻 R电容C和二极管D并联 网络组成；C2折算到变压器Tmi的原边后与L2一起构成交流滤波输出电路，变压器用作电 路隔离和升压的作用。系统在开机、关机控制时利用开关 S来实现的。其中开关的两个触头用于切除或置入充电 电阻RQ 一个触头用于启动和关闭控制系统。3.3 控制系统设计控制系统中采用了数模结合的SPWIK制电路，它由数字分频电路、三角波形成电路、 调节器、标准正弦波形成电路及 PW册成电路等

7、组成。系统的电压调节是为了稳定电压， 电流调节是为了限制输出电流。系统对输出波形采用开环控制，直接将幅值受控的标准正 弦波和三角波比较。3.3.1 数字分频电路图3-2是数字分频电路，Y是石英晶体振荡器，它有稳定的振荡频率，频率稳定度可以达到可以到达万分之一。该电路选用振荡频率为1.8432MHz的晶振，它和 Ri、Ci、C2组成频率信号产生电路，得到 1.8432MHz的频率信号，在经过数字电路 CD4017 CD4040 处理，输出两路频率信号。CD401配十进制计数器，第7脚的Q3计数端引至第15脚的复 位端可以实现3分频。CD404C串行的二进制计数器，9脚Q1可以实现2分频，2脚的

8、Q6可以得到2的6次方即64分频。1.8432MHz的频率，分频后三角波频率为 9.6KHz,标 准正弦的扫描频率为102.4kHz。图3-2数字分频电路3.3.2 标准正弦波形成电路标准正弦波的产生是利用数字电路实现的，具电路原理如图3-3所示。在EPRO味存放的数据（十六进制）是这样得到白将一个周期的单位正弦波分成N等分，每一点的数据在计算机上事先离散算好再存放进去。由于写入的数据只能是正值， 单位正弦波和图2-5中Uref的波形一致，幅值为1的正弦波。这里将一个周期的正弦波 分成N=256份。正弦扫描频率引入数字电路CD4040,CD4040勺输出是一组地址扫描信号送到 EPROM6 地

9、址线上，EPROM273件存放的数据便依次送到 D/A转换器DAC0832它将这些数据转换成 断续的模拟信号，经过一个小电容C1（0.1 pF以下）滤波，得到连续模拟信号Uref,峰峰值由 IO1端引入的给定电压UC决定，电路中UC来自调节器的卒U出。经运放 LF356处理，可以获 得正负对称、幅值为UC的标准正弦波SINE要产生的标准正弦波的频率 f1=400Hz,那么 扫描频率应为fh=f1 XN=400X 256Hz=102.4kHz,和前面分频电路得到的频率一致。正弦波的频率由稳定度相当高的晶振分频得到，对一个已经写好数据的EPRO出改变 正弦扫描频率，可以改变标准正弦波频率。图3-3

10、标准正弦波发生电路3.3.3 SPWM形成电路本装置SPW帔成电品&如图3-4所示，正弦信号SINE和三角载波信号TR来自前级电 路;TL084是运算放大器，-TR由它接成的反向器得到。电路中大量使用了芯片LM311，它是由DIP8封装的快速电压比较器，不仅可以作为比较器，还可以利用它的特点作脉冲封锁。 它的应用方法是:8脚、4脚分别接芯片电源的正、负端;2脚、3脚分别是同相、反相输入；1 脚是低电平设定（可接电源负或地），它的电压值决定了 LM311输出的低电平值;7脚为输出 端，逻辑判断为“高电平”时，集电极开路（OC门特性），因此,7脚必须有上拉电阻同正电源 连接，否则，没有高电平输出。

11、图中的R1、R2、R3 R4等都是上拉电阻；5、6脚用来调节输 入平衡（可不用）,6脚还可以用作选通，如果LM311的6脚接低电平，具输出恒为高电平，这 个特点往往用来设置脉冲封锁。LOCK勺低电频送该系统设置PWM9号低电平有效，即PWM&号为低电平时，驱动电路产生驱动脉冲， IGBT导通。LOC劭保护电路输出的脉冲封锁信号；在电路出现故障时，到后级各个LM311的6脚，使所有PWMfe高电平，封锁驱动脉冲图3-4 SPWM波形成电路3.3.4 驱动电路驱动50A/600V的IGBT选用东芝公司生产的光电耦合器 TLP25Q它是具有驱动能力的 快速光耦。TLP250最大输入电流为20mA最大

12、输出电流为1.5A,可以用它驱动50A的IGBT 或者MOSFET芯片工彳电压10V35V , 一般取20V。TLP250的8、5脚接隔离控制电源，1、 4脚为空脚，6、7脚并用输出。2、3脚为控制信号输入端，内部发光二极管导通后，经光 电耦合，推挽输出+15V驱动信号。当发光二极管阻断时，芯片通过 5V稳压管Dz的稳压作 用，为开关器件门级提供-5V反向偏置电压。原理图如图3-5所示，LM311的输出接到TLP250 的3脚，TLP250的2脚通过电阻R接地。TCC图3-5 TLP250组成的驱动原理图3.3.5 辅助电源设计在桥式逆变电路中，一个桥臂上下两管驱动电源应各自独立，两个桥臂的上

13、管无共地点，下管可以共地。采用单端反激式开关电源作为辅助电源提供三组20V电源和正负12V电源。3组20V电源分别作为4个IGBT的驱动模块电源，正负12V电源给控制系统芯片供 电。图3-6单端反激电源变压器PT既是一个变压器又是一个线性电感，T饱和导通时其等效阻抗近似为零，如 果外加电压Ui恒定，流过绕组N1的电流ii线性增长，由于绕组 N1和N2是反极性的，二 极管D截止，副边没有电流，导通期间的能量储存在初级电感里；当开关管截止时，副边 绕组感应电动势使二极管导通，通过输出电容和负载释放磁场能量。在开关管截止期间， N1上感应电压和电源电压U1 一起加在开关管T的CE结上，开关管T承受的

14、电压：N1(3-1)(3-2)Uce =Ui U 07TlN2在连续工作模式下，& =Toff =(1-D)T ,输出电压的表达式:Uo _ N2* DUi Ni 1 - D武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书4系统电路图系统电路图如下所示:5小结与体会本次课程设计的任务是将220V/50Hz的交流电通过A C-D CAC变换成 220V/400Hz的交流电。本次设计用到了许多以前所学的知识， 但是由于以前学的知识有很 大一部分已经忘记了，所以就只有把书拿出来重新看看。在设计SPW册成电路时，用了一些我们没有学过的芯片，通过网上和书本上查资料，自己已尽力的将这些芯片的原理和 怎么使用弄懂。本次设计，将理论上的知识应用到实践中去，自己从中收获了很多。从本 次课程设计中，我也发现了我很多的不足，在知识上欠缺太多了，本来很多学过的，但在 应用的时候却一头雾水，不知道从何下手。在以后的学习生活中，我将会努力的去提高自 己，让自己在知识和应用能力方面有所进步。13参考文献1王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社2杨荫福，段善旭，朝泽云，电力电子装置及系统，清华大学出版社3康华光，电子技术基础（模拟部分），高等教育出版社4康华光，电子技术基础（数字部分），高等教育出版社5李宏，电力电子设备用器件与集成电路应用指南，机械工业出版社