正弦波逆變器的設(shè)計(jì)

1、第一章 概述電力系統(tǒng)變電站和調(diào)度所的繼電保護(hù)和綜合自動化管理設(shè)備有的是單相交流供電的，其中有一部分是不能長時(shí)間停電的。普通UPS設(shè)備因受內(nèi)置蓄電池容量的限制，供電時(shí)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(guān)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(qū)動、低損耗、模塊化、復(fù)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(qū)動簡單、保護(hù)容易、不用緩沖電路和開關(guān)頻率高等特點(diǎn)，為了達(dá)到這些高性能，采用了許多用于集成電路的工藝技術(shù)，

2、如外延技術(shù)、離子注入、精細(xì)光刻等。 IGBT最大的優(yōu)點(diǎn)是無論在導(dǎo)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(guān)斷延遲很短，其串聯(lián)也容易。盡管IGBT模塊在大功率應(yīng)用中非常廣泛，但其有限的負(fù)載循環(huán)次數(shù)使其可靠性成了問題，其主要失效機(jī)理是陰極引線焊點(diǎn)開路和焊點(diǎn)較低的疲勞強(qiáng)度，另外,絕緣材料的缺陷也是一個(gè)問題。 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，正弦波輸出變壓變頻電源已被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，與此同時(shí)對變壓變頻電源的輸出電壓波形質(zhì)量也提出了越來越高的要求。對逆變器輸出波形質(zhì)量的要求主要包括兩個(gè)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)既簡單又具有優(yōu)良動、靜態(tài)性能的逆變器控制

3、策略，已成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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(shù)。該調(diào)制方法的最大缺點(diǎn)是它的4個(gè)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(guān)損耗，開關(guān)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(jìn)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(shí)現(xiàn)逆變電源變壓、變頻輸出。第二章 設(shè)計(jì)總體思路2.1總體框架圖驅(qū)動電路SPWM控制電路濾波電路輸出220V交流電調(diào)頻電路輸入180250V直流電逆變電路 升壓電路電力系統(tǒng)變電站和調(diào)度所的繼電保護(hù)和綜合自

4、動化管理設(shè)備有的是單相交流供電的，其中有一部分是不能長時(shí)間停電的。普通UPS設(shè)備因受內(nèi)置蓄電池容量的限制，供電時(shí)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(diǎn)區(qū)別：1）逆變電源不需要與交流電網(wǎng)鎖相同步，因?yàn)槠湄?fù)載可以瞬間停電（幾秒以內(nèi)）。2）逆變電源的輸入直流電壓為180285V，而UPS內(nèi)置電池電壓為12V或24V。12.2局部電路電壓型逆變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180º正偏，180º反偏，且V1和V2互補(bǔ)，V3和V4互補(bǔ)關(guān)系不變。V3

5、的基極信號只比V1落后q ( 0<q <180º)，V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180º-q，uo成為正負(fù)各為q 的脈沖，改變q 即可調(diào)節(jié)輸出電壓有效值。圖2.2.1電壓型逆變電路電壓型逆變電路的特點(diǎn)(1) 直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動(2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同(3) 阻感負(fù)載時(shí)需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。電流型逆變電路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(cè)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(cè)電容用于吸收換流時(shí)負(fù)載電感

6、中存貯的能量。電流型逆變電路主要特點(diǎn)：(1) 直流側(cè)串大電感，相當(dāng)于電流源。(2) 交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。(3) 直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)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(yīng)用較多。換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。VT1VT4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。VT1、VT4閉合，VT2、VT3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正VT1、VT4斷開，VT2、VT3閉合時(shí)，uo為負(fù)，把直流電變成了交流電。改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖2.2.2 電流型逆變電路及其波形電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形

7、相同，相位也相同。阻感負(fù)載時(shí)，io滯后于uo，波形也不同（圖2.2.2b）。t1前：S1、S4通，uo和io均為正。t1時(shí)刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負(fù)，但io不能立刻反向。io從電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時(shí)刻降為零，之后io才反向并增大。 全橋正弦逆變器 圖示出單相全橋逆變器的原理電路及波形。其中H橋和濾波電路完成直流到交流的變換,濾去諧波，獲得交流電；控制電路完成對H橋中開關(guān)管的控制，并使輸出交流電的電壓、頻率和波形定。如圖所示，Vd是直流電壓源，S1S4是4個(gè)IGBT開關(guān)管，L和C是濾波電感和濾波電容，用于濾除逆變系統(tǒng)

8、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(fù)載，負(fù)載可以是純阻性也可以是非線性等。 圖 全橋逆變主電路圖 對逆變器的控制主要包括對SPWM的控制(即H橋開關(guān)管開關(guān)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(guān)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(guān)損耗，且頻率越高，損耗越大。 SPWM的生成原理及波形如圖所示。由于采用正弦波調(diào)制波(Ussintst)與三角波載波(幅值為Uc的正三角波，頻率為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)

9、制比M(M=Us/Uc)成正比關(guān)系，諧波含量少。正弦逆變器常采用SPWM控制，利用調(diào)制波控制輸出波形頻率，調(diào)整M來控制輸出電壓幅值。工作時(shí)，H橋中Sl、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)S1、S4斷開，S2、S3以SPWM信號閉合。故在整個(gè)周期內(nèi)H橋輸出波形如圖1(b)所示。這樣，對該波形進(jìn)行濾波，即可獲得頻率為s。，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2.3.1正弦脈寬調(diào)制技術(shù)隨著逆變器控制技水的發(fā)展電壓型逆變器出現(xiàn)了多種的壓、變頻控制方法。目前采用較多的是正弦脈寬調(diào)制技術(shù)即sPwM控制技術(shù)。在正弦波逆變電源數(shù)字化控制方法

10、中，目前國內(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(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。本文所采用的是外環(huán)為平均值環(huán)、內(nèi)環(huán)為瞬時(shí)值環(huán)的雙環(huán)控制策略。內(nèi)環(huán)通過瞬時(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)。單相全橋式電壓型SPWM逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖所示。圖中S1S4的通斷由正弦脈寬調(diào)制產(chǎn)生的信號來控制。SPWM正弦脈寬調(diào)制可分為雙極性調(diào)制方式、單極性調(diào)制方式和單極性倍頻調(diào)制方式。圖單極性調(diào)制方式單極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是在一個(gè)開

11、關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開關(guān)頻率互補(bǔ)開關(guān)，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(guān)損耗。但又不是固定其中一個(gè)橋臂始終為低頻(輸出基頻)，另一個(gè)橋臂始終為高頻載波頻率)，而是每半個(gè)輸出電壓周期切換工作，即同一個(gè)橋臂在前半個(gè)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(gè)橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對于選用同樣的功率管時(shí)，使其使用壽命均衡，對增加可靠性有利。雙極性調(diào)制方式  雙極性調(diào)制方式的特點(diǎn)是4個(gè)功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，雖然能得到正弦輸出電壓波形，但其代價(jià)是產(chǎn)生了較大的開關(guān)損耗。單極性倍頻調(diào)制方式單極性倍頻

12、調(diào)制方式的特點(diǎn)足輸出SPWM波的脈動頻率是單極性的兩倍，4個(gè)功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，因此，開關(guān)管損耗與雙極性相同。2.4 3種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分析用MathcAD可推導(dǎo)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(guān)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：M為調(diào)制比；N為載波比；      f0為正弦波輸出變頻變壓電源的輸出電壓頻率。 控制電路采用r TMS320F240數(shù)寧信號處理器，主要任務(wù)是在定時(shí)中斷內(nèi)完成變壓變頻控制?？刂瞥绦蛴芍鞒绦蚝鸵粋€(gè)定時(shí)中斷程序組成，主程序主要完成讀

13、取給定電壓，過流判斷，平均值外環(huán)計(jì)算等功能。定時(shí)中斷程序完成采樣輸出電壓，實(shí)時(shí)計(jì)算出下個(gè)開關(guān)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(guān)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(guān)頻率及4倍開關(guān)頻率附近。選擇WPWM逆變器的輸出LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為開關(guān)頻率的II0，LC濾波器對開關(guān)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(shè)計(jì)3.1有工頻變壓器的逆變電源主電路設(shè)計(jì)電路形式有工頻變壓器的逆變電源主回路基本工作過程可以理解，

14、可以把它設(shè)計(jì)成以IGBT為 開關(guān)管的橋式逆變電路形式，如圖3.1所示。圖3.1有工頻變壓器的逆變電源主回路電源為180V285VDC，四個(gè)開關(guān)管分別為Tr1,Tr3,Tr2,Tr4.圖中，Tr1Tr4為IGBT開關(guān)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為隔離升壓變壓器，C2為輸出濾波電容，L為輸出濾波電感。3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)逆變變壓器變壓器輸出220VAC的峰值為311V，考慮到變壓器副邊繞組電壓峰值設(shè)為315V，原邊在考慮去耦電容C1的壓降后，最低電壓時(shí)為170V，所以變壓器的匝比n為       &

15、#160;                  n=N2/N1=315V/170V  1.85        電源輸出功率也就是變壓器的輸出功率Po=1000W。設(shè)變壓器的效率r=95%，則原邊效率P1=Po/r1060W。因?yàn)樽儔浩魇亲儞QSPWM電壓波形，其基波（50Hz）的成分相當(dāng)大，所以我們可以選擇400Hz的硅鋼C型鐵芯，其Ke=0

16、.9,Bm=1.2T,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          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=Ae*Ke，然后就可以由下面的兩個(gè)公式先求出原邊匝

17、數(shù)，再求出副邊匝數(shù)。                        N1=V1max/(KfSeBm)                        

18、                       N2=N1/n                          

19、0;      導(dǎo)線截面：副邊S2=I2/j=5.5/31.8(mm²),選1.2mm漆包線兩股并繞；        原邊S1=I1/j=Ni2/J=1.87*5.5/33.43(mm²),1.2mm漆包線三股并繞。開關(guān)管最高電壓為285V，所以開關(guān)管的耐壓可選為600V。開關(guān)管的峰值電流：Im=3I1m=3*5.5*1.8731(A)          &

20、#160;              選IGBT的電流定額為40A。3.3 無工頻變壓器的逆變器主電路設(shè)計(jì)電路形式我們知道，無工頻變壓器的逆變電源實(shí)際上包含兩部分：一套DC/DC和一套SPWM逆變器。DC/DC的設(shè)計(jì)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3.3所示。  圖3.3電源350V，各個(gè)管子分別為Tr1,Tr3,Tr2,Tr4.3.3.2 參數(shù)設(shè)計(jì).1 開關(guān)管逆變器允許輸出峰值電流為    

21、;                Im=3Iom=3*5.5A=16.5A                      所以開關(guān)管的電流定額可以選為600V。我們可以選30A，600V，TO-247封裝的IGBT管。.2 LC濾波&

22、#160;   L為工頻電感，電感量可選為12mH。為減小噪聲，選閉合鐵芯，C為工頻電容，可以選CBB61-10µF-250VAC。第四章 控制電路設(shè)計(jì)4.1總控制電路主電路在上面已經(jīng)介紹過了。這里主要介紹逆變控制電路。 逆變電源控制電路的核心是SPWM發(fā)生器。SPWM的實(shí)現(xiàn)包括分立電路、集成芯片和單片機(jī)實(shí)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

23、運(yùn)放A作為放大器，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成選頻網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也作為振蕩器的正反饋網(wǎng)絡(luò)，R1、Rf組成電壓負(fù)反饋以起到穩(wěn)定和改善輸出波形的作用。 圖圖中R1=R2,C1=C2。其中和R2為同軸雙聯(lián)電位器的阻值，C2和為波段開關(guān)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 。RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)震蕩頻率f0=1/2RC三角波產(chǎn)生電路圖C1=0.1µ,C2=0.1µ,R1=100k,R3=10k,R4=2k,Rf=1M,R=100k.以標(biāo)準(zhǔn)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)由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(gè)控制信號，送到IC2去調(diào)

24、制三角波，既可得到SPWM波形。IC3和IC4分別為正負(fù)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(qū)動相應(yīng)的開關(guān)管對，控制主回路完成SPWM逆變。需要注意的是，驅(qū)動電路要將每一路信號分成相互隔離的兩路，分別驅(qū)動處于對角位置上的兩只開關(guān)管。以上控制電路的特點(diǎn)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(shí)值，優(yōu)化波形，減小諧波失真，提高帶負(fù)載能力。4.2 控制局部電路放大電路設(shè)計(jì) 差分驅(qū)動放大電路放大電路說明因?yàn)樗O(shè)計(jì)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(qū)動IGBT的導(dǎo)通。所以我們必須要設(shè)計(jì)一個(gè)放大器來對PWM信號進(jìn)行放大在輸出的。

25、其實(shí)放大器的選擇又很多種選法，具體是選擇什么樣的型號是根據(jù)自己所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的質(zhì)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，BJT T3、T4及R1、R2、R3組成恒流源電路，用于抑制共模信號，該電路是單入單出查封放大電路，其差模電壓增益為AVD2 = 式中為T1、驅(qū)動電路 IGBT驅(qū)動器接線圖IGBT驅(qū)動說明采用三菱公司的專用混合集成驅(qū)動器。這種驅(qū)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(qū)動器件的容量和開關(guān)頻率以及輸入電流幅度值等參數(shù)有所不同。混合集成驅(qū)動器內(nèi)部具有退飽和和檢測和保護(hù)環(huán)節(jié)。當(dāng)