18KVA單相逆變電源設(shè)計(jì)

1、 題目： 18KVA 單相逆變器設(shè)計(jì)與仿真 院 系 ： 電氣與電子工程學(xué)院 專業(yè)年級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化2010級(jí) 姓 名： 鄭海強(qiáng) 學(xué) 號(hào)： 1010200224 同組同學(xué)： 鐘祥鑼 王敢 方騫 2013年11月20號(hào)單相逆變器設(shè)計(jì)一.設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容要求設(shè)計(jì)一個(gè)輸入為150V的直流電壓，輸出容量為18KVA，輸出電壓為300V單相交流電的逆變器。1.2 參數(shù)要求1、輸出電壓：AC單相300V2、輸出頻率：100Hz3、輸出功率：18KVA4、負(fù)載功率因數(shù)：,滯后5、負(fù)載短時(shí)過(guò)載倍數(shù)：1.56、輸入電壓：直流DC333V二.設(shè)計(jì)方案介紹 系統(tǒng)原理框圖如下圖所示保護(hù)電路150V

2、 DC供電觸發(fā)電路逆變主電路工頻變壓器濾波器300V AC 方案簡(jiǎn)述將直流電變成交流電的電路叫做逆變電路。根據(jù)交流側(cè)接在電網(wǎng)和負(fù)載相接可分為有源逆變和無(wú)源逆變，所以本次設(shè)計(jì)的逆變器設(shè)計(jì)為無(wú)源逆變。換流是實(shí)現(xiàn)逆變的基礎(chǔ)。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷，來(lái)控制電流通過(guò)的支路這是實(shí)現(xiàn)換流的方法。直流側(cè)是電壓源的為電壓型逆變器，直流側(cè)是電流源的為電流型逆變器，綜上本次設(shè)計(jì)為電壓型無(wú)源逆變器。三.主電路原理圖及主要參數(shù)設(shè)計(jì)3.1 主電路原理圖如圖1所示 圖 13.2輸出電路和負(fù)載計(jì)算3.2.1 負(fù)載側(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算負(fù)載側(cè)的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，根據(jù)圖2相關(guān)經(jīng)計(jì)算結(jié)果如下： 圖2 負(fù)載側(cè)電路結(jié)構(gòu)圖1. 負(fù)載電

3、阻最小值：=1.0時(shí)，R=/；=0.8時(shí)，R=/(2. 負(fù)載電感最小值： =/(2)=8.3/()=0.01323. 濾波電容：取濾波電容的容抗等于負(fù)載電感感抗的2倍，則：=1/(2)=1/(210032)=95.92取電容為100,將10個(gè)10的AC電容進(jìn)行并聯(lián)，= 1/(2)=1/=15.9 4.濾波電抗L的計(jì)算選取主開(kāi)關(guān)器件工作頻率=N=32100=3200Hz由于移相原因，輸出線電壓的開(kāi)關(guān)頻率變?yōu)椋?=6400HZ取濾波電路固有諧振頻率=1/(2)=/6=533.3Hz則：= 1/（4）= 1/(4100)=880實(shí)選用 L=900uH由此 特征阻抗 3.2.2 逆變電路輸出電壓1.

4、濾波電路輸入端電壓(無(wú)變壓器時(shí))逆變電路的輸出與后續(xù)電路的連接電路如圖3所示，有圖3可以得到如下的計(jì)算結(jié)果。 圖3 逆變電路輸出電路 圖4空載時(shí)的矢量圖空載時(shí): 空載時(shí)的矢量圖如圖4所示，由圖4可得：。這說(shuō)明空載時(shí)輸出電路是升壓的。額定負(fù)載時(shí)：額定負(fù)載時(shí)，當(dāng)和的矢量圖分別如圖5 和圖6所示。 圖5 時(shí)的矢量圖 圖6 時(shí)的矢量圖：， 。這說(shuō)明時(shí)，即使?jié)M載，輸出電路也是升壓的。：， ，負(fù)載最重時(shí)本設(shè)計(jì)中，負(fù)載最重為過(guò)載150%時(shí)，功率因數(shù)最低為0.8，此時(shí)：，可見(jiàn)輸出電路此時(shí)降壓比較嚴(yán)重。2. 逆變電路輸出正弦電壓計(jì)算單相橋式電路輸出電壓為：?？紤]要保留“死區(qū)”間隔(圖7所示)以及開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)有

5、壓降，因而輸出電壓實(shí)際只能達(dá)到：。其中：；為“死區(qū)”間隔引起的壓降系數(shù): , 則: 本設(shè)計(jì)中取，則：，考慮整流濾波電路的壓降后，實(shí)際取為：。則三相逆變電路輸出線電壓為：實(shí)際取為：。圖7 死區(qū)“間隔”示意圖3.2.3逆變電路和輸出電路之間的電壓匹配：逆變電路和輸出電路之間的電壓匹配采用電源變壓器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8所示。由前面的計(jì)算可知輸出電路輸入端最高電壓，逆變電路輸出線電壓，在逆變電路和輸出電路之間加入電源變壓器。設(shè)變壓器的變比為，原副方各參數(shù)的矢量圖如圖9所示：以副方輸出電壓為基準(zhǔn)矢量，變壓器原方電壓,付方電流如圖示（滯后），原方電流。圖8 電壓匹配電路圖由，可得：，和，由矢量圖可得：，考慮

6、變壓器內(nèi)阻和激磁等原因，調(diào)整變比和原方電流：。故，取實(shí)際的變比為0.7533，。將電感折算到原邊得：3.2.4 開(kāi)關(guān)器件的選取1 電流參數(shù)：開(kāi)關(guān)器件中電流有效值：，開(kāi)關(guān)器件中電流峰值：在連續(xù)情況下安全裕量選為2，則：，在過(guò)載情況下安全裕量選為1.5，則：3.3 變壓器和交流電抗器設(shè)計(jì)計(jì)算在實(shí)際加工制造前還進(jìn)行各種機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算，為制造提供依據(jù)。主要是變壓器的額定功率、初級(jí)線圈電流、鐵心的截面積、各線圈的匝數(shù)、線圈所用導(dǎo)線的直徑和核算鐵心窗口面積等幾方面。1.計(jì)算變壓器的額定功率：變壓器輸出功率為：(單相為)，輸入功率為： 那么可按下式求得近似值： 變壓器的額定功率：2、計(jì)算電流（），式中K

7、一般選1.11.2。3、計(jì)算變壓器鐵心凈截面積及粗截面積鐵心凈截面積：式中系數(shù)K一般選在 1.01.5 之間。由于硅鋼片之間的絕緣和空隙，實(shí)際鐵心截面積略大于計(jì)算值，應(yīng)為：式中一般；冷軋硅鋼帶的。根據(jù)算出的求硅鋼片中間舌寬 a國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可查手冊(cè)得到選擇 a=120mm 。鐵心疊厚b的計(jì)算取，在12之間。窗高系數(shù)取為2.3，所以。4、計(jì)算各線圈的匝數(shù)：確定每伏匝數(shù)（）由可得經(jīng)過(guò)計(jì)算得初級(jí)：實(shí)際取為56匝。次級(jí)：實(shí)際取為90匝。5、計(jì)算各線圈導(dǎo)線直徑導(dǎo)線電流：原邊：，副邊：6、校核鐵心窗口面積變壓器線圈繞在框架上，每層線圈之間一般均有絕緣層。線圈厚度、絕緣層厚度和框架厚度的總和應(yīng)小于選用鐵心窗口寬度

8、原副邊導(dǎo)線帶絕緣尺寸大概為和。原邊每層匝數(shù)：；副邊每層匝數(shù)：；四：控制系統(tǒng)和輔助電路設(shè)計(jì)4.1逆變部分的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)逆變部分采用的控制策略是數(shù)字PID和重復(fù)控制相結(jié)合的綜合控制策略。數(shù)字PID控制用于保證較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，重復(fù)控制用于保證輸出電壓的波形質(zhì)量。其控制框圖如圖12所示。那么該控制系統(tǒng)將兼具良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，通過(guò)控制參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，就可以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。 圖9 逆變部分控制系統(tǒng)框圖1、重復(fù)控制器的設(shè)計(jì)重復(fù)控制器控制框圖如圖12 所示 圖10 重復(fù)控制器控制框圖周期延遲正反饋環(huán)節(jié)對(duì)逆變器輸出電壓的誤差進(jìn)行逐工頻周期的累加。補(bǔ)償器C(z)的作用是抵消二階LC濾波器的諧振峰值，使重復(fù)控

9、制系統(tǒng)穩(wěn)定。C(z)的表示形式為： 式中，重復(fù)控制器的增益，超前環(huán)節(jié)，濾波器濾波器是為了抑制系統(tǒng)的高頻干擾，削除被控對(duì)象的諧振峰值，使其在諧振點(diǎn)處有較大的幅值衰減，且具有零相移、零增益特性。因此濾波器可以由二階低通濾波器和零相移陷波器組成。2數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)數(shù)字PID控制器的控制原理基本上與模擬PID控制相同。數(shù)字PID控制正弦波逆變電源系統(tǒng)的原理如圖10 所示。為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,系統(tǒng)中用了前饋補(bǔ)償。PID控制器可表示為式中，稱為比例系數(shù)，稱為積分系數(shù)，稱為微分系數(shù)。 圖11 數(shù)字PID控制框圖比例調(diào)節(jié)器的作用是對(duì)偏差瞬間作出快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控

10、制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)，比例系數(shù)越大，控制越強(qiáng)，但過(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分調(diào)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差，但它也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。微分調(diào)節(jié)的作用是在過(guò)程開(kāi)始時(shí)強(qiáng)迫過(guò)程加速進(jìn)行，過(guò)程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。4.2保護(hù)電路設(shè)計(jì) 保護(hù)電路分為欠壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)。 欠壓保護(hù)電路如圖7所示，它監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓狀況，如果蓄電池電壓低于預(yù)設(shè)的10.8V，保護(hù)電路開(kāi)始工作，使控制器SG3524的腳10關(guān)斷端輸出高電平，停止驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。圖7中運(yùn)算放大器的正向輸入端的電壓由R1和R3分壓得到，而反向輸入端的

11、電壓由穩(wěn)壓管箝位在7.5V，正常工作的時(shí)候，由三極管V導(dǎo)通，IR2110輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)晶閘管正常工作，實(shí)現(xiàn)逆變電源的設(shè)計(jì)。當(dāng)蓄電池的電壓下降超過(guò)預(yù)定值后，運(yùn)算放大器開(kāi)始工作，輸出跳轉(zhuǎn)為負(fù)，LED燈亮，同時(shí)三級(jí)管V截止，向SG3524的SD端輸出高電平，封鎖IR2110的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此時(shí)沒(méi)有逆變電壓的輸出。 圖12. 欠壓保護(hù)電路圖 過(guò)流保護(hù)電路如圖8所示，它監(jiān)測(cè)輸出電流狀況，預(yù)設(shè)為1.5A。方波逆變器的輸出電流經(jīng)過(guò)采樣進(jìn)入運(yùn)算放大器的反向輸入端，當(dāng)輸出電流大于1.5A后，運(yùn)算放大器的輸出端跳轉(zhuǎn)為負(fù)，經(jīng)過(guò)CD4011組成的RS觸發(fā)器后，使三級(jí)管V1基級(jí)的信號(hào)為低電平，三級(jí)管截止，向IR20

12、11的SD1端輸出高電平，達(dá)到保護(hù)的目的。 圖13. 過(guò)電流保護(hù)電路圖4.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)4.3.1 MOSFET介紹 MOSFET是一種電壓控制的單極性器件，它是由金屬氧化物和半導(dǎo)體組成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所以也叫絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。應(yīng)用VMOSFET工藝，生產(chǎn)出了大功率的產(chǎn)效應(yīng)管，并在逆變電路中得到廣泛應(yīng)用。功率場(chǎng)效應(yīng)管簡(jiǎn)稱VMOSFET,或VMOS，作為開(kāi)關(guān)器件，其常態(tài)是阻斷狀態(tài)，即VMOS都是增強(qiáng)型MOSFET。MOSFET分為N溝道和P溝道兩類。N溝道VMOS的導(dǎo)通電流的方向是從漏極D到源極S；P溝道MOS的導(dǎo)通方向是從源極S到漏極D。VMOS管的工作原理是，源極S接零電位，漏極D接正電位

13、，當(dāng)柵極接正電壓時(shí)，由于電荷感應(yīng)，在P區(qū)感應(yīng)出電子，電子的累積便形成N溝道。源極S和漏極D之間便產(chǎn)生了電流。因此，柵極G上的電壓的大小，決定了源極S與漏極D之間的電流大小。圖14. MOFET結(jié)構(gòu)圖和電氣圖4.3.2 SG3524及IR2110芯片介紹 SG3524采用DIP-16封裝，引腳排列如下圖4所示。各引腳功能如下：第1、2腳分別為誤差放大器的反相輸入端與同相輸入端。第3腳是振蕩器輸出端。第4、5腳依次是限流比較器檢測(cè)端。第6、7腳分別接定時(shí)電阻(RT)和定時(shí)電容(CT)。第8腳為接地端。第9腳為誤差放大器的頻率補(bǔ)償端。第l0腳為關(guān)斷電路控制端改變此腳電位就可控制PWM的通斷。第11、14腳為輸出管EA、EB的發(fā)射極。第l2、l3腳為輸出管的集