电力电子课程设计（单相全桥逆变电路）.doc

课程设计指导员将评分表项目评为优秀（100>x≥90）良好（90>x≥80）中（80>x≥70）通过（70>x≥60）失败（x <60）评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习态度15认真的学习态度，严格的科学作风，严格保证设计时间并按照任务书中指定的时间表执行所有工作. 学习态度较认真，科学作风良好，能成功完成任务书规定的学习态度，遵守组织纪律，基本保证了设计时间，完成所有工作学习的态度是可以接受的，能遵守组织纪律，能按时完成学习草率的任务，纪律松散，工作作风不严密，不能保证设计时间和进度技术水平和动手能力25设计合理，理论分析且计算正确，实验数据准确，具有较强的实践动手能力，经济分析能力和计算机应用能力，较强的文献综述能力，合理的引文能力，调查研究非常合理，可信的设计合理，理论分析和计算正确，实验数据更准确，实际实用能力强，经济分析能力强，计算机应用能力强，文献引证，调查研究合理，设计可信，理论分析计算基本正确，实验数据更准确，一定的动手能力. 主要文献引用，调查和研究较为可靠，设计基本合理，理论分析和计算没有错误，实验数据没有错误，设计不合理，理论分析和计算中存在原理错误，不可靠实验数据，实际动手能力差，文献引用，调查和研究存在很大问题，创新10有重大改进或独到见解，并具有一定的实用价值. 有重大的改进或新颖的见解，实用的性别或新的见解仍存在一些改进. 一些想法. 旧文件（计算书，图纸）. 写作质量50严谨的结构，强大的逻辑，清晰的水平，准确的语言，流利的文字，完全满足标准化的要求，书写整齐或使用计算机打印；图纸十分整齐，结构清晰合理，逻辑性强，文章层次清晰，语言准确，文字流畅，符合标准化要求，文字整齐，计算机打印；写作简洁明了，结构合理全桥逆变电路参数，层次清晰，文字直观，基本符合规范要求，写作相对简洁；图纸整齐，清晰，结构基本合理，逻辑基本清晰，文字仍然流畅，勉强达到标准化要求；图纸比较整齐，内容混乱，结构不清楚，文字不清楚，错别字很多，达不到规范要求；图纸不是整齐清晰的. 指导老师评价等级: 指导老师签名: 重庆大学本科生课程设计任务的日期，课程设计主题，单相交流调压电路器件设计学校，自动化学院，自动化等级2005已知参数和设计要求: 已知参数: 输入参数交流输入电压UA，UB，UC输出参数输出负载电压Uo设计要求设计主电路，设计触发电路和保护电路，得出主表达式电路晶闸管参数，绘制主电路，触发电路和保护电路的电路图.

学生应完成的工作: 阐明自己课程设计的设计目的，设计内容和设计要求，阐明要设计的设备（或电路）的主要技术数据（例如输入要求，要达到的输出目标）已实现，设备容量的大小以及设备应具有的功能）；通过图书馆和英特尔网络广泛搜索和阅读设计主题方向的文献资料；确定适合您自己的课程设计的主电路计划；完成主电路中电力电子设备的参数计算；完成控制电路和保护电路设计（绘制电路图）；编写课程设计说明. 当前数据收集（包括指定的参考资料）: [1]王兆安，黄军. 电力电子技术. 机械工业出版社. 2008. [2]周守昌. 电路原理. 高等教育出版社. 238-239. [3]索宇. 串联补偿逆变器电路的电压累积研究. 济宁师范学院学报. 2007 [4]杨家昌，陆五一，张洪亮. 使用TCA785转换晶闸管触发电路. 2006年. 课程设计工作计划: 17周星期一-老师讨论课程设计的目的，任务，要求和注意事项；星期二十七周-完整的文献搜索，并根据阅读和分析检索到的文献确定课程设计的总体计划（包括主要技术数据）；周三十七个星期-主电路设计；星期十七周-控制电路和保护电路设计；星期五进行17周的整理，编写课程设计论文. 任务发布日期2007年12月29日完成日期2008年1月3日完成指导老师（签名）学生（签名）说明: 学院，和年级的全名，例如: 光电子工程，测量与控制技术学院，2003.

概述本课程设计的主要目的是设计一个输出电压可调的串联谐振单向全桥逆变器电路，然后将其用于工件的感应加热，感应加热电源等. 单相这次设计的全桥逆变器电路由四个晶闸管组成，将直流电压Ud转换为中频方波电压，并将其添加到负载电路中. 负载电路是由感应线圈和补偿电容器组成的串联振荡电路，用于感应加热工件，流经电感器的电流接近正弦波形. 可控硅的导通由TCA785组成的触发电路产生的触发脉冲触发. 通过相移调整主电路输出电压脉冲的宽度. 由于晶闸管逆变器器件在逆变器过程中会产生过电压和过电流，因此为单相交流电压调节电路设计了一组保护电路. 在主电路设计中，根据主电路的输入和输出参数确定每个电力电子设备的参数，并选择设备，以使设计的主电路能够满足要求的技术指标并完成设计. 相应的功能. 关键字: 单相全桥逆变器电路，晶闸管，触发电路，保护电路，电压累加目录1引言..................................... ................................................... ..... 1 1.1提出的问题……………………………………………………………………1.2技术规格和设计要求…… ……………………..11.2.1技术指标……………………..………………………………..11.2.2设计要求……………… ..12串联谐振单相全桥逆变器电路的设计..1 2.1主电路及其工作原理………………..…………………….1 2.2串联谐振逆变器电路的电压累积………………………….33计算主回路功率电子设备参数………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………6 ……………………74触发电路设计……………………………………………………85保护电路设计…………………………………………………… .................................... .10 5.1过电压保护................................................. ................................ 10 5.1过电流保护................. ................................................................................... 106总结………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ............................. 11.参考资料.................. ................................................... ................................................... ...................................... 121引言1.1提出的问题随着工件加热设备的温度控制精度的不断提高，工厂中，普通的加热设备已无法满足要求.

因此，设备的加热原理需要改进. 本次设计的串联谐振单相全桥逆变器电路的负载电路是由感应线圈和补偿电容器组成的串联振荡电路，对工件进行感应加热，其功能不同于一般单相全桥逆变器电路与其他电路的触发电路相比，它具有更好的性能和更好的晶闸管导通和关断控制. 1.2技术规格和设计要求1.2.1技术规格（1）输入参数: 三相交流电压，（2）输出参数: 交流电压1.2.2设计要求串联谐振单相全桥逆变器的晶闸管额定电压设计电路3. 电流表达式的推导. 触发电路设计. 保护电路设计. 主电路，触发电路和保护电路的电路图. 图2.串联谐振单相全桥逆变器电路的设计. 2.1主电路及其工作原理. 结构如图1所示. 它由一个三相晶闸管全控整流桥，平滑电感器，滤波电容器，单相全控桥逆变器电路，续流二极管和串联谐振逆变器负载组成. 三相可控硅全控整流桥将正弦工频交流电整流为脉动直流电. 可以通过调节直流电压来调节负载电流. 此处，平滑电感起着切断直流路径的作用. 图1串联谐振单相全桥逆变器电路需要恒定电压源来供电，因此需要一个大的滤波电容器. 当其足够大时，输入电压可以视为恒定电压. 在电路开始工作之前，电容器会通过电网存储能量，从而启动逆变器电路.

由四个晶闸管组成的单相全控桥式逆变器电路将直流电压逆变为中频方波电压，并将其添加到负载电路中. 负载电路是由感应线圈和补偿电容器组成的串联振荡电路，用于感应加热工件. 流经电感的电流接近正弦波形. 与并联换向逆变器电路的强制换向工作模式不同，串联补偿逆变器电路利用自然换向实现工作晶闸管之间的转换. 它通过正极端子流入，流经SCR1，串联振荡负载和SCR4，然后从负极端子流出. 此时，补偿电容器C的左侧充有正负电压. 第二阶段: 由于电流波形为正弦波，当电流变为负值时，电流流过与SCR1和SCR4在同一桥臂上的续流二极管D1和D4，并将背压加到SCR1和SCR4. 关闭SCR1，SCR4. 第三阶段: 一段时间后，当SCR1和SCR4完全关闭时，我们同时触发晶闸管SCR2和SCR3. 此时，将正压施加到晶闸管SCR2和SCR3的两端，因此它们可以立即导通. 电容器C通过续流二极管D1，可控硅SCR2电路和续流二极管D4，可控硅SCR3电路放电. 当电容器C的放电完成时，没有电流流过续流二极管D1和D4. 整个回路的电流为: 正极流入，通过SCR2，串联振荡负载SCR3，负极流出.

电容器C开始反向充电，向左负右正电压充电. 第四阶段: 当电流再次变为负值时，电流将继续流过续流二极管D2和D3. 同时，向SCR2和SCR3施加背压以使晶闸管SCR2和SCR3截止. 第五阶段: 当SCR2和SCR3关闭时，我们触发SCR1和SCR4，电容器C通过D2和SCR1电路以及D3和SCR4电路放电. 当电容器C的放电完成时，没有电流流过续流二极管D2和D3. 整个环路的电流为: 正极流入SCR1，串联振荡负载SCR4，负极流出. 电容器C开始充电，为左侧的正负电压充电. 以后重复以上过程. 由以上分析可知，无论是否有触发脉冲，两个工作晶闸管都会自动关断，另外两个晶闸管只有在前两个晶闸管关断后才会被触发，因此串联补偿逆变器电路自然换向过程. 2.2串联谐振逆变器电路的电压累积要讨论串联补偿逆变器电路的电压累积，首先必须从其等效电路分析入手: 图2串联补偿逆变器电路的等效电路图2串联补偿逆变器电路的等效电路图要分析其工作原理在此过程中，我们首先计算并分析一个简单的串联逆变器电路，如图2所示，它是炉体，补偿电容器和炉电感的等效电阻. 是输入电流. 输入电压. 电路方程为: （1）引入各种电压表达式，有: （2）对（2）进行拉普拉斯变换，可以得到: （3）简化并得到: （4）特征方程为: （5）当时，式（5）的解是一个衰减解，RLC环路不能形成振荡，不能满足工作需要.

因此全桥逆变电路参数，有必要满足: 即将（4）代入: （6）对（6）执行拉普拉斯逆变换，并代入初始条件: ，可用: （7）（8） t1，C上的电压: （9）在此，我们假设工作晶闸管在电流过零时进行转换，也就是说，如果负载电路未经过反并联二极管续流，则工作晶闸管可以立即关闭. 同时，另外两个晶闸管被触发. 然后可以通过代入（9）来获得充电时间. 第一轮充电后，电容器C的电压为: （10）第二轮充电时，初始值条件发生变化: （11）类似地，列出等式: （12）在第二轮充电后可以得出在一轮充电中，电容器C的电压为: （13）类似地，我们可以在第n轮充电后（即在第n个半波之后）获得谐振电容器C.电压为: （14）当电路达到稳态时，将有: （15）此时稳态电容器C上的电压为: （16）电感器L上的电压为: （17）从以上分析可以看出，串联补偿逆变器电路具有电压累积，并且谐振电容器上的电压对于每个半波都有一个叠加过程，直到逆变器电路在稳定状态下工作为止. 电容器C和电感器L上的电压将逐渐增加，最终的稳态电压将是电源电压的3-5倍. （在上面的计算中，我们将负载的等效电路等效为等效电阻R和感应线圈L串联，只是为了证明谐振电容器上的电压累积过程. 不容易找到方程式的解.

因此，我们假设等效电阻与电感串联，以简化计算过程. ）这是串联补偿逆变器电路的第一个特性: 电压累积. 从串联补偿逆变器电路的工作原理来看，串联补偿逆变器电路的第二个特点是: 自然换向. 在每个电流反向之后，使用续流二极管为工作晶闸管增加反向压力以将其关闭. 最多只有两个晶闸管处于工作状态. 因为这是自然的换向过程，所以没有临界阻尼现象会影响串联补偿逆变器电路的启动，这是串联补偿逆变器电路的一个优点. 3主电路电力电子设备参数的计算3.1主电路电阻，电容和电感的值基于主电路中串联谐振的条件. 可以得出，当感抗等于容抗时，即主电路具有串联谐振. 3.2晶闸管额定值的计算矩形波的振幅值扩展为傅立叶级数: 其中基波的振幅和基波的有效值分别为: 晶闸管两端的电压波形一个周期是: 前半个周期电压为0，而后半个周期电压为晶闸管两端承受的电压的有效值: 晶闸管承受的最大电压为: 因此，晶闸管的额定电压可以通过以下公式计算得出: （7）晶闸管电流有效值: 在公式中，晶闸管的额定电流为: 4触发电路设计晶闸管触发电路的功能是生成满足以下条件的栅极触发脉冲: 要求，以确保晶闸管在要求的时间从阻塞变为导通. 晶闸管触发电路通常包括: 控制其触发时间的相位控制电路，触发脉冲的放大和输出电路.

在本文的晶闸管转换器件中，为了使主电路正常工作，触发电路必须与其正确且可靠地匹配. 因此，有必要设计合理的触发电路. 本次设计的主电路采用的控制方法为相移调压，即通过相移法调节输出电压脉冲的宽度，以实现主电路的调压功能. 主电路对触发电路有以下要求: 1）触发脉冲必须具有足够的功率，以确保在允许的工作温度范围内可靠地触发所有合格的组件. 2）触发脉冲应具有足够的宽度. 3）触发脉冲的相位应能够根据控制信号的要求在指定范围内移动. 4）触发脉冲必须与主电路电源电压同步. 5）触发电路和主电路之间必须有电气隔离. 根据主电路的设计，触发电路输出的触发信号用于控制每个晶闸管的导通. 根据上述主电路对触发电路的要求，设计了（3）所示的触发电路. 这里使用TCA785触发电路. 该电路包括脉冲形成和放大，锯齿波形成，脉冲相移，同步和脉冲相位控制. 它可以有效地控制晶闸管的导通和截止，从而可以有效地控制逆变器输出电压和电流的大小. 5保护电路的设计由于晶闸管转换器的工作，不可避免会发生过电流和过电压. 因此，有必要增加相应的保护电路. 5.1过电压保护主电路的过电压保护措施有: 电阻电容保护，压敏电阻保护和浪涌过电压保护.

电阻和电容保护分为交流侧电阻和电容保护以及设备侧电阻和电容保护. 对于晶闸管关断期间产生的尖峰形瞬态过电压保护，使用了器件侧的电阻电容保护. 在增加电阻和电容之后，当晶闸管关断时，变压器电流可以通过RC续流并减小，从而抑制了过电压. 各种过压保护电路如图（5）所示. 图5过电压保护电路5.2过电流保护可用于过电流保护的电器有: 快速熔断器，交流断路器，直流快速熔断器. 图（4）显示了这些过电流保护措施及其在电路中的位置. 图4过电流保护电路图如图4所示，交流断路器，快速熔断器，直流快速熔断器均串联连接在主电路中. 6总结本次设计的串联谐振单向全桥逆变器电路的输出电压是可调的，可用于工件的感应加热，感应加热电源等. 该串联谐振单向全桥的最大特点是逆变器电路是: 在原始的单相全桥逆变器电路的基础上，将直流电压Ud逆变为中频方波电压，并添加到负载电路中. 负载电路从由原始电阻和电感组成的电路变为由感应线圈和补偿电容器组成的串联振荡电路，以感应加热工件，并且流经电感器的电流接近正弦波. 该设计的另一个特点是: 触发电路. 与普通的单结晶体管构成的触发电路和晶体管构成的触发电路相比，本设计采用了由TCA785构成的脉冲触发电路，同步更可靠，脉冲输出均匀性更好，相移范围更广，其输出脉冲宽度可以自由调节.

7经验和经验通过本课程设计，我加深了对“电力电子技术”课程的理论知识的理解，尤其是有关逆变器电路的知识. 同时，他还培养了以下能力: 首先，他提高了课程设计报告的写作水平，提高了书面表达能力. 具有检索文档的能力，尤其是如何使用Intel网络检索所需的文档. 第二: 提高利用所学知识解决问题的能力. 在此课程设计中，涉及许多学科，包括: “电力电子技术”，“电路原理”，“高级数学”等，学习了如何整合您所学的知识来解决实际问题. 第三: 深刻理解单相全桥逆变器电路的原理和应用[1]王兆安，黄军. 电力电子技术. 机械工业出版社. 2008. [2]周守昌. 电路原理. 高等教育出版社.238-239. [3]索宇. 串联补偿逆变器电路的电压累积研究. 济宁师范学院学报. 2007 [4]姜思敏，姚鹏义，胡蓉. Protel电路设计课程. 清华大学出版社. 2003年. [5]杨家昌，陆五一，张洪亮. 使用TCA785转换晶闸管触发电路. 2006.

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