正弦波逆變器的設計

1、第一章概述電力系統(tǒng)變電站和調(diào)度所的繼電保護和綜合自動化管理設備 有的是單相交流供電的，其中有一部分是不能長時間停電的。普 通UPS設備因受內(nèi)置蓄電池容量的限制，供電時間比較有限，而 直流操作電源所帶的蓄電池容量一般都比較大，所以需要一套逆 變電源將直流電逆變成單相交流電。電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管(SCR)、可關斷晶閘管(GTO)、晶體管(BJT)、絕緣柵晶體管(IGBT)等階段。目前 正向著大容量、高頻率、易驅動、低損耗、模塊化、復合化方向 發(fā)展，與其他電力電子器件相比，IGBT具有高可靠性、驅動簡單、 保護容易、不用緩沖電路和開關頻率高等特點，為了達到這些高 性能，采用了許多用于集成電

2、路的工藝技術，如外延技術、離子 注入、精細光刻等。IGBT最大的優(yōu)點是無論在導通狀態(tài)還是短路狀態(tài)都可以承受 電流沖擊。它的并聯(lián)不成問題，由于本身的關斷延遲很短，其串 聯(lián)也容易。盡管IGBT模塊在大功率應用中非常廣泛，但其有限的 負載循環(huán)次數(shù)使其可靠性成了問題，其主要失效機理是陰極引線 焊點開路和焊點較低的疲勞強度，另外，絕緣材料的缺陷也是一個 問題。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，正弦波輸出變壓變頻電源 已被廣泛應用在各個領域中，與此同時對變壓變頻電源的輸出電 壓波形質量也提出了越來越高的要求。對逆變器輸出波形質量的 要求主要包括兩個方面：一是穩(wěn)態(tài)精度高；二是動態(tài)性能好。因 此，研究開發(fā)既簡單乂具

3、有優(yōu)良動、靜態(tài)性能的逆變器控制策略, 已成為電力電子領域的研究熱點之一。在現(xiàn)有的正弦波輸出變壓變頻電源產(chǎn)品中，為了得到SPWM 波，一般都采用雙極性調(diào)制技術。該調(diào)制方法的最大缺點是它的4 個功率管都工作在較高頻率（載波頻率），從而產(chǎn)生了較大的開關 損耗，開關頻率越高，損耗越大1。本文針對正弦波輸出變壓變 頻電源SPWM調(diào)制方式及數(shù)字化控制策略進行了研究，以 TMS320F240數(shù)字信號處理器為主控芯片，以期得到一種較理想的 調(diào)制方法，實現(xiàn)逆變電源變壓、變頻輸出。第二章設計總體思路2.1總體框架圖電力系統(tǒng)變電站和調(diào)度所的繼電保護和綜合自動化管理設備有的 是單相交流供電的，其中有一部分是不能長時間

4、停電的。普通UPS 設備因受內(nèi)置蓄電池容量的限制，供電時間比較有限，而直流操 作電源所帶的蓄電池容量一般都比較大，所以需要一套逆變電源 將直流電逆變成單相交流電。逆變電源的工作原理與UPS有以下兩點區(qū)別：1）逆變電源不需要與交流電網(wǎng)鎖相同步，因為其負載可以瞬間停電(兒秒以內(nèi))。2)逆變電源的輸入直流電壓為180285V,而UPS內(nèi)登電池電壓為12V 或 24V。12.2局部電路可采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，稱為移相調(diào)壓。 各柵極信號為180。正偏，180。反偏，且V|和V2互補，V3和V4 互補關系不變。W的基極信號只比W落后q(0<q<180°), V3、 V4

5、的柵極信號分別比V2、W的前移180°-q, u。成為正負各為q的 脈沖，改變q即可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。bl圖電壓型逆變電路的特點(1) 直流側為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側電壓基本無脈動(2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同(3) 阻感負載時需提供無功。為了給交流側向直流側反饋的無 功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。直流電源為電流源的逆變電路電流型逆變電路。一般在直 流側串聯(lián)大電感，電流脈動很小，可近似看成直流電流源。交流 側電容用于吸收換流時負載電感中存貯的能量。電流型逆變電路主要特點：(1) 直流側串大電感，相當于電流源。(2) 交流輸出電流為矩形波，輸出電圧

6、波形和相位因負載不同 而不同。(3) 直流側電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關器件反并 聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應用較多。換流 方式有負載換流、強迫換流。VT1VT4是橋式電路的4個臂，由 電力電子器件及輔助電路組成。VT1、VT4閉合，VT2、VT3斷開時, 負載電壓u。為正VT1、VT4斷開，VT2、VT3閉合時，u。為負，把直 流電變成了交流電。改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電 頻率。a)1圖2.2.2電流型逆變電路及其波形電阻 感負載旳tl前: tl時;io M 量向電瀝 增大。2.2.3全彳tuHr寸位也相同。阻不能立刻反向。攵,負載電感能5 io才

7、反向并圖，濾去諧波，獲得交流電；控制電路完成對H橋中開關管的 控制，并使輸出交流電的電壓、頻率和波形定。如圖，Vd是直流電壓源，S1S4是4個IGBT開關管，L和C 是濾波電感和濾波電容，用于濾除逆變系統(tǒng)中的高次諧波。RL和 RC是濾波電感和濾波電容的等效串聯(lián)阻抗。z是負載，負載可以 是純阻性也可以是非線性等。圖 2.2.4對逆變器的控制主要包括對SPWM的控制(即H橋開關管開關 方式)和對SPWM脈寬的控制二部分。SPWM的控制方式可分為單極 性和雙極性二種。在傳統(tǒng)的單極性或雙極性控制方式中，開關管 均工作在高頻條件下，這樣雖然可以得到較理想的正弦輸出電壓 波形，但也產(chǎn)生了較大的開關損耗，且

8、頻率越高，損耗越大。SPWM的生成原理及波形如圖，頻率為3 c)相交來獲得SPWM 波，因此，基波頻率為調(diào)制波的頻率，基波幅值與調(diào)制比M(M=Us/Uc) 成正比關系，諧波含量少。正弦逆變器常釆用SPWM控制，利用調(diào) 制波控制輸岀波形頻率，調(diào)整M來控制輸出電壓幅值。工作時，H 橋中SI、S4在前半周期內(nèi)以圖2中的SPWM信號閉合，S2、S3斷 開；在后半周期內(nèi)SI、S4斷開，S2、S3以SPWM信號閉合。故在 整個周期內(nèi)H橋輸出波形如圖1(b)所示。這樣，對該波形進行濾 波，即可獲得頻率為as。，幅值正比M與調(diào)制比M的正弦交流電2.3正弦波輸出變壓變頻電源調(diào)制方式隨著逆變器控制技水的發(fā)展.電壓

9、型逆變器出現(xiàn)了多種的壓、 變頻控制方法。U前釆用較多的是正弦脈寬調(diào)制技術即sPwM控 制技術。在正弦波逆變電源數(shù)字化控制方法中，口前國內(nèi)外研究得比 較多的主要有數(shù)字PID控制、無差拍控制、雙環(huán)反饋控制、重復 控制、滑模變結構控制、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。本文所 釆用的是外環(huán)為平均值環(huán)、內(nèi)環(huán)為瞬時值環(huán)的雙環(huán)控制策略。內(nèi) 環(huán)通過瞬時值控制獲得快速的動態(tài)性能，保證變壓變頻電源輸出 電壓畸變率較低，外環(huán)使得變壓變頻電源在各個頻率段的輸出電 壓具有較高的精度，并使用DSPTMS320F240全數(shù)字的控制實現(xiàn)。單相全橋式電壓型SPWM逆變器電路拓撲結構圖如圖 SPWM正弦脈寬調(diào)制可分為雙極性調(diào)制方式、

10、單極性調(diào)制方式和 單極性倍頻調(diào)制方式。圖 2.3.1單極性調(diào)制方式的特點是在一個開關周期內(nèi)兩只功率管以較 高的開關頻率互補開關，保證可以得到理想的正弦輸出電壓：另 兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上 減小了開關損耗。但乂不是固定其中一個橋臂始終為低頻（輸出基 頻），另一個橋臂始終為高頻載波頻率），而是每半個輸出電壓周 期切換工作，即同一個橋臂在前半個周期工作在低頻，而在后半 周則工作在高頻，這樣可以使兩個橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡， 對于選用同樣的功率管時，使其使用壽命均衡，對增加可靠性有 利。雙極性調(diào)制方式的特點是4個功率管都工作在較高頻率（載 波頻率），雖然能得到正弦輸

11、出電壓波形，但其代價是產(chǎn)生了較大 的開關損耗。單極性倍頻調(diào)制方式的特點足輸出SPWM波的脈動頻率是單極 性的兩倍，4個功率管都工作在較高頻率（載波頻率），因此，開關 管損耗與雙極性相同。3種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分析用MathcAD可推導出3種不同調(diào)制方式下逆變器輸出電壓各 次諧波有效值與頻率的關p/門+ /“門欠 r 2nr)2門寸單極才生調(diào)制疔式SS=、釜幺仃）Xwin （2）3 ）對單極寸生倍頻調(diào)制方犬"Z)=4"、；2 TT/；W才n2A - I2 對單極性調(diào)制方式如上公式（2）對單極性倍頻調(diào)制方式如上公式（3）式中：H為調(diào)制比：N為載波比；fO為正弦波輸出變

12、頻變壓電源的輸出電圧頻率?？刂齐娐丰娪胷 TMS320F240數(shù)F信號處理器，主要任務是在 定時中斷內(nèi)完成變壓變頻控制。控制程序山主程序和一個定時中 斷程序組成，主程序主要完成讀取給定電壓，過流判斷，平均值 外環(huán)計算等功能。定時中斷程序完成采樣輸出電壓，實時計算出 下個開關周期輸出的脈寬。3種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓未經(jīng)濾波前，單極性調(diào)制方式 及雙極性調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分量主要集巾在升關頻 率及其倍頻附近，且單極性調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分量 比雙極性要小。單極性倍頻調(diào)制方式下輸出電壓的諧波分量主要 在2倍升關頻率及4倍開關頻率附近。選擇WPW逆變器的輸出L C濾波器的轉折頻率為

13、開關頻率的I / IO, LC濾波器對開關頻率及 其倍頻附近的諧波具有明顯的衰減作用。第三章主電路設計3.1有工頻變壓器的逆變電源主電路設計有工頻變丿玉器的逆變電源主回路基本工作過程可以理解，可 以把它設計成以IGBT為開關管的橋式逆變電路形式，如圖3.1所 示。電源為180V285VDC,四個開關管分別為Trl,Tr3,Tr2,Tr4.圖中，TriTr4為IGBT開關管，C1為串聯(lián)耦合（去耦）電容, 防止變壓器因單相偏磁而飽和，T為隔離升壓變圧器，C2為輸出濾 波電容，L為輸出濾波電感。3.2參數(shù)設計變壓器輸出220VAC的峰值為311V,考慮到變壓器副邊繞組電圧峰 值設為315V,原邊在考

14、慮去耦電容C1的壓降后，最低電壓時為 170V,所以變壓器的匝比n為n二N2/N1二315V/170V 1.85電源輸出功率也就是變圧器的輸出功率Po=1000W。設變丿E器的效 率 nr=95%,則原邊效率Pl=Po/rrl060Wo因為變壓器是變換SPWM電壓波形，其基波(50Hz)的成分相當大, 所以我們可以選擇400Hz的硅鋼C型鐵芯，其Ke二0. 9, Bnrl. 2T, Kc可 選為0. 3, j=3A/mm2=3*10(2*3)A/m2 ,所以鐵芯面積乘積為AeAc= 1200 (1+0. 95)/0. 95*4. 44*50*0. 9*0. 3*3*10 (2 *3)*1. 2

15、心1. 14*10(2 +3) (m2+2 )=1140cm2可以選取CD型400Hz硅鋼鐵芯。查出截面積Ae,求出有效面積Se二Ae*Ke,然后就可以山下面的兩 個公式先求出原邊匝數(shù)，再求出副邊匝數(shù)。Nl=Vlmax/(KfSeBm)N2=Nl/n導線截面：副邊S2=I2/j二5. 5/31. 8(mm2),選1. 2mm漆包線兩 股并繞；原邊S1 二Il/j二Ni2/J二 1. 87*5. 5/33. 43(mm2),01. 2mm漆包 線三股并繞。最高電壓為285V,所以開關管的耐壓可選為600Vo開關管的 峰值電流：Im=3Ilm=3*5. 5*1. 8731 (A)選IGBT的電流定

16、額為40A。13.3無工頻變壓器的逆變器主電路設計我們知道，無工頻變圧器的逆變電源實際上包含兩部分：一套 DC/DC和一套SPWM逆變器。DC/DC的設計這里我們不討論。所以, 這里只討論SJPWM逆變主電路，其電路形式如圖33所示。圖3.3電源350V,各個管子分別為Tri, Tr3, Tr2, Tr4.3.3.2參數(shù)設計開關管逆變器允許輸出峰值電流為逆變電源控制電路的核心是SPWM發(fā)生器。SPWM的實現(xiàn)包 括分立電路、集成芯片和單片機實現(xiàn)。它們的電氣性能和成本有 所不同，各有自己的優(yōu)勢和不足之處。逆變電源SPWM電路的調(diào)制 頻率固定為50Hz不變，為了降低成本，我們這里用分立電路組成, 如

17、圖4. 1所示圖4. 1正弦波發(fā)生器和三角波發(fā)生器分別見下兩圖RC橋式正弦波振蕩電路原理如圖8-2所示，圖中集成運放A作為放 大器，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡組成選頻網(wǎng)絡，同時也作為振蕩器的正反饋 網(wǎng)絡，Rl、Rf組成電壓負反饋以起到穩(wěn)定和改善輸出波形的作用。圖41. 1圖中R1=R2,C1=C2o苴中R1和R2為同軸雙聯(lián)電位器的阻值，C2和C 2為波段開關電容的數(shù)值。通過改變R 2和C2的值就可以改變輸出正弦 波的頻率oRC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡震蕩頻率fO=1/2nRC三角波產(chǎn)生電路R JOO K12I Milr3 io KnR. 2 KnV V =金 15V1圖 4. 1.2Cl=O.lp ,C2=O.lp

18、,Rl=l 00k,R3= 10k,R4=2k,Rf= 1M.R=100k.以標準的正弦波信號為參考，將輸出電壓的反饋信號與之相 比較，經(jīng)山IC1及其外圍電路組成的PI型誤差放大器調(diào)節(jié)后得到一 個控制信號，送到IC2去調(diào)制三角波，既可得到SPWM波形。IC3 和IC4分別為正負值比較器，它們的輸出信號分別IC5和IC6,從而 將SPWM交替地分成兩路，各自放大后驅動相應的開關管對，控制 主回路完成SPWM逆變。需要注意的是，驅動電路要將每一路信號 分成相互隔離的兩路，分別驅動處于對角位置上的兩只開關管。以上控制電路的特點是不僅能控制正弦波輸出的有效值，還 能調(diào)節(jié)輸出電壓的瞬時值，優(yōu)化波形，減小

19、諧波失真，提高帶負 載能力。4.2控制局部電路放大電路說明因為所設汁的控制電路輸出的波形信號是比較微弱的。完全不 能直接的驅動IGBT的導通。所以我們必須要設計一個放大器來對PWM信號進行放大在輸出的。其實放大器的選擇乂很多種選法， 具體是選擇什么樣的型號是根據(jù)自己所設訃的系統(tǒng)的質量和精度 的要求來選用的。在這里我采用的是FET差分式放大電路。如下圖的所示的為恒流源的JFET差分放大電路。漆黑中JFET T1、T2是差分對管，BJTT3、T4及R1、R2、R3組成恒流源電路，用于 抑制共模信號，該電路是單入一單出查封放大電路，其差模電壓 增益為A怔二竺=式中的為T1、Vid 2、八+5VUiI

20、GBT驅動器接線圖IGBT驅動說明采用三菱公司的專用混合集成驅動器。這種驅動器 同一系列的不同型號其引腳和接線基本相同，只是適用 被驅動器件的容量和開關頻率以及輸入電流幅度值等參 數(shù)有所不同?；旌霞沈寗悠鲀?nèi)部具有退飽和和檢測和 保護環(huán)節(jié)。當發(fā)生過電流時能快速響應但慢速關斷 IGBT,并向外部電路給出故障信號。第五章總結與心得這次實習我學到了很多。在摸索該如何設計電路使之實現(xiàn)所 需功能的過程中，培養(yǎng)了我的設計思維，增加了實際操作能力。 在體會設計的艱辛的同時，更讓我體會到成功的喜悅和快樂。通過這兩個星期的課程設計，從開始任務到查找資料，到設 計電路圖，到最后的實際接線過程中，我學到了課堂上學習不到 的知識。上課時總覺得所學的知識太抽象，沒什么用途，現(xiàn)在終 于認識到了它的重要性。平時上課老師講的