武汉理工大学07电力电子单相交流变换器课程设计章达(2)

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

小功率产品，而在变速恒频风力发电系统所需要的高压大功率双向变频器，成熟产品不多。 国外各大品牌的变频器生产商，起步较早，初步形成了系列化的产品，如ABB公司的ACS-1000系列，Simense公司的SIMOVERT MV系列，AB公司的Power Flex 7000系列等，其控制系统也己实现全数字化。ABB公司的ACS-1000系列采用了IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors）器件，功率范围为315KW-5000KW，输出电压范围为2.3 kV-4 kV，采用电压型三电平结构，并提供有源前端( AFE，Active Front End)技术，可以实现能量双向流动。SIMENSE公司的SIMOVERT MV系列采用最新的HV-IGBT(High-Voltage Insulated Gate Bipolar Transistor)器件，输出电压范围为2.3 kV-6 kV，电压源型三电平结构并提供有源前端( AFE，Active Front End)技术。AB公司的Power Flex 7000系列采用6.SKV 800A/1500A的SGCT (Symmetrical Gate Commutated Thyristors)器件，功率范围为150KW-6770KW，输出电压范围为2.3 kV-6 kV，无需熔断器，有12脉冲整流和PWM整流两种整流方式，提供AFE有源前端技术，可以实现能量的双向流动。（此处引自百度文库<国内外变频器的发展现状>)

1.4 单相交流AC-DC-AC变换电路方案

基于单相交流变换器的基本组成电路，由于本次设计是50Hz变换为400Hz的单相交流变换：整流电路可选择的有单相桥式不可控整流，单相桥式半控整流，单相桥式全控整流，关于整流后滤波电路的选择，有电容滤波，电感滤波，LC滤波；对于逆变电路，单相桥式晶闸管逆变，单相桥式IGBT逆变等，其控制方式可以有调频式（PFM）和调脉宽式（PWM)逆变。（此部分参考于李爱文《现代逆变技术及其应用》）

由于交-直-交变频电路的整流电路常常采用最简单的二极管整流电路，因此交-直-交变频电路的核心部分就是逆变电路。正因如此，发达国家常把交-直-交变频器称为逆变器。（此处引自王兆安《电力电子技术》）而整流电路选择二极管整流电路，是由于多数逆变器（特别是PWM逆变器）其本身是可以调压的，所以可采用最简单的二极管整流电路。（此处参考于刘凤君《现代整流技术及应用实例》）

综合，以上介绍，本次设计所采用的最优方案单相桥式不可控整流，并采用电容滤波，逆变电路运用基于PWM控制的单相桥式IGBT逆变，滤波采用LC滤波。

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2 单相交流AC-DC-AC变换器基本电路设计

2.1 整流电路

（1）单相桥式不可控整流电路

单相桥式不可控整流电路如图1，输出电压为全波，主要用于单相交流输入整流和高电压，小电流输出的高频变换输出整流电路。（此处引自李爱文《现代逆变技术及其应用》）

图 1 单相桥式不可控整流电路 图 2 输入电压与整流输出电压波形

其输出电压平均值为：V0?0.9Vi，式中Vi表示输入电压有效值。

而单相桥式全控整流电路既可控软启动，又可用于调压，但是四只晶闸管驱动比较麻烦，因此本次设计方案采用单相桥式全控整流电路。下面仅给出单相桥式全控整流电路图，如图3，其输出电压平均值为：V0?0.9Vi(1?cos?)/2。

图 3 单相桥式全控整流电路

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整流器件的选择：采用普通二极管，因为其反向恢复时间比较长，主要用于工频整流和小功率变频整流（1kHz以下）。整流桥模块可选择反向重复峰值电压URRM于500~1800V，正向压降UF1.0~1.6V,浪涌电流IFSM为1500~1800A的普通二极管单相整流桥。可参考IXYS公司典型的二极管模块参数。（此处参考于刘凤君《现代整流技术及应用实例》）由于二极管为非线性元件，其阻值是变化的。 （2）电容滤波的单相不可控整流电路

对于整流滤波电路，根据负载的情况选择电容C值，使 RC?电源的周期。整流滤波电路及电压输出波形如图4，图5：

3~5T2,其中T为交流

图 4 电容滤波单相不可控整流电路 图 5 滤波电压输出波形

3~5T，本次设计的交流电压源频率为250Hz[电压有效值为220V（输出电压峰值为311V)]，空载时，R??,放电时间常数无穷大，

整流滤波电容器件参数的选择，根据公式 RC?输出电压最大，V0?2Vi?311V。由于电路存在整流阻抗（二极管），其阻值取20Ω，带入数据计算则整流电容需满足C?1500*10?6F。

在实际应用时，需考虑所给电容的耐压值，是否满足所需的电容大小，如本次设计若需要8000μF的滤波电容（一般材料为电解电容）耐压值为500V以上一般可以达到本次设计要求，如果没有8000微法的电容，我们可以对实际可提供的电容进行串并联得到，同时也可以改善电容的耐压性能，如可将2个4000微法的电容并联或者将2个16000微法的电容串联等很多方法可以得到设计所需大小的电容。

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2.2 逆变电路

（1）单相桥式IGBT逆变电路

整个逆变电路是交-直-交变频器的核心部分，本部分电路采用单相桥式PWM控制的IGBT逆变电路，实现了电压的频率变换，使输出电压变频可满足设计要求。选择IGBT作为主电路开关器件的原因是逆变电路容量，一般几百kVA以上大容量和超大容量主要开关器件以GTO为主，几kVA到几百kVA至MW的大中容量逆变器，开关器件以IGBT为主，这个容量等级的逆变器最多，应用也最普遍。而几kW以下的逆变器开关器件主要以VMOSFET为主。还有一些新型的开关器件如SIT等由于成品率低，制作工艺复杂价格昂贵，短时间难以推广应用。（此处参考自许广锡《变频器世界》）所以，综合考虑，本次设计采用应用最普遍的IGBT逆变器开关元件。其基本电路如图6：

图 6 单相IGBT逆变桥式电路 （2）电压型PWM控制电路

采用PWM方式脉冲形成基本电路，反馈量即输出电压的一定比值，用给定电压与反馈电压的误差信号来调节PWM脉冲的宽度，一般的电压型PWM逆变控制系统其结构框图设计为：

Vref Vc δ V0 误差放大器 PWM IGBT逆变桥 LC滤波 （调节器）

输入锯齿波

反馈回路

KB 图 7 电压型PWM逆变控制系统结构图

图中，误差放大器可根据控制系统要求选择P，PI,PD,PID等不同形式；PWM环节输出为脉冲占空比，??K1VC；LC为输出低通滤波器，不同控制系统，LC参数有很大差别；输

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出电压反馈回路中，KB?R2/(R1?R2)，R1、R2的拓扑结构如图8所示：

图 8 输出电压反馈电路

对于控制调节器的选择，根据其性能不同来进行选择：一般控制系统精度要求不太高可选择比例（P）调节器；控制系统精度要求高，动态响应不用太快可选择比例积分（PI）调节器；控制系统精度要求不高，动态响应要求很快的系统可用比例微分（PD）调节器；而比例积分微分（PID）调节器用于控制系统精度要求高，动态响应要求很快的系统。本次设计可采用比例微分（PD）调节器控制。其电路形式如图9：

图 9 比例微分调节器

对于PWM的空占比δ，由控制调节器根据反馈情况来调节其大小，一般占空比取临界值0.5以上或0.5以下（参考于陶显芳《开关电源设计技巧》）采用异步调制，由公式载波比N?fc/fr，fc为载波频率，fr为信号波频率，由于本次设计所需逆变后的交流电压输出频率为400Hz，所以可以将占空比δ取0.7~0.9之间，载波频率可以取1000Hz以上，信号波频率需400Hz。

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