電力電子課程設計正弦波逆變器設計匯總

1、湖南工程學院課 程 設 計課程名稱: 電力電子技術 課題名稱: 正弦波逆變器的設計 專 業(yè): 電氣工程及其自動化班 級: 電氣119 x 學 號: 20110101XXXX 姓 名: xx 指導教師: 謝衛(wèi)才 楊青 2014年 2 月 23 日湖南工程學院課程設計任務書 課程名稱： 電力電子技術 題 目：正弦波逆變器的設計 專業(yè)班級：電氣工程1191 學生姓名：xx 學號：xx 指導老師：謝衛(wèi)才, 楊 青 審 批： 任務書下達日期 2014年 2 月23日設計完成日期 2014年 3月9日 設計內容與設計要求一.設計內容：1. 分析逆正弦波逆變器的結構及功能2. 介紹正弦波逆變器技術要求和主回

2、路3. 正弦波逆變器主電路設計(主電路的選用依據和原則, 主電路的設計及分析, 主開關的選用依據和原則, 元器件定額及選型)4. 正弦波逆變器控制電路設計及選型二、設計要求：1、思路清晰，給出整體設計和電路圖；2、給出具體設計思路和電路；3、寫出設計報告； 主要設計條件1. 正弦波逆變器輸入電源是直流電壓DC180-285V, 輸出電壓是單相交流AC220V, 50HZ;輸出功率1000W.2.提供設計要求,提供實驗室. 說明書格式1 課程設計封面；2 任務書；3 說明書目錄；4 正文5 總結與體會；6. 參考文獻7、課程設計成績評分表 進 度 安 排 1: 課題內容介紹和查找資料； 2 :

3、總體電路設計和分電路設計； 3 : 寫設計報告，打印相關圖紙；4. 答辯 參 考 文 獻1、 電力電子技術2. 現代逆變技術及其應用3. 交流電機變頻調速技術目 錄第1章 正弦波逆變器的概念第2章 總體設計思路2.1正弦波逆變器的設計要求2.2總體框架圖2.3主電路形式選擇2.4有工頻變壓器的逆變電源2.5無工頻變壓器的逆變電源第3章 正弦波逆變器主電路及參數設計3.1有工頻變壓器的逆變電源主電路形式及參數3.11電路形式3.1.2參數設計3.2無工頻變壓器的逆變器主電路設計及參數3.2.1電路形式3.2.2參數設計第4章 正弦波逆變器控制電路設計第5章 正弦波逆變器輸出變頻調制方式5.1正弦

4、脈寬調制技術5.2 SPWM正弦脈寬調制方式5.2.1單極性調制方式5.2.2雙極性調制方式5.3 三種調制方式下逆變器輸出電壓諧波分析總結附錄第1章 正弦波逆變器的概念什么是逆變器？所謂逆變器，是指整流器的逆向變換裝置。其作用是通過半導體功率開關器件（例如GTO,GTR,功率MOSFET 和IGBT等）的開通和關斷作用，把直流電能換成交流電能，它是一種電能變換裝置逆變器。特別是正弦波逆變器，其主要用途是用于交流傳動，靜止變頻和UPS電源。逆變器的負載多半是感性負載。為了提高逆變效率，存儲在負載電感中的無功能量應能反饋回電源。因此要求逆變器最好是一個功率可以雙向流動的變換器，即它既可以把直流電

5、能傳輸到交流負載側，也可以把交流負載中的無功電能反饋回直流電源。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)既簡單又具有優(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。在現有的正弦波輸出變壓變頻電源產品中，為了得到SPWM波，一般都采用雙極性調制技術。第2章 總體設計思路2.1正弦波逆變器的設計要求（1）電力系統(tǒng)變電站和調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

6、不能長時間停電的。普通UPS設備因受內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。（2）正弦波逆變器輸入電源是直流電壓DC180-285V, 輸出電壓是單相交流AC220V, 50HZ;輸出功率1000W2.2總體框架圖驅動電路SPWM控制電路濾波電路輸出220V交流電調頻電路輸入180250V直流電逆變電路 升壓電路2.3主電路形式選擇這種正弦波輸出逆變器的輸入電壓變化范圍較寬，為185285V,而其輸出則要求是穩(wěn)壓的。因此，該逆變電源的逆變電路必須有一個升壓的過程。這種逆變電源的主回路形式有下述兩種。2.4

7、有工頻變壓器的逆變電源 橋式逆變電路以SPWM方式工作，將185285VDC電壓逆變成有效值基本不變的SPWM波形，由工頻變壓器升壓得到220V交流電壓。這種電路方式效率比較高、可靠性較高、抗輸出短路的能力較強。但是，它響應速度較慢、波形畸變較重、帶非線性負載的能力較差，而且噪聲大。2.5無工頻變壓器的逆變電源逆變電路以PWM方式首先將185285VDC電壓逆變成高壓波，經高頻升壓變壓器升壓，再整流濾波得到一個穩(wěn)定的直流電壓，比如350VDC。這部分電路實際上是一套直流/直流變換器，既DC/DC或DCDC。然后，再由另一套逆變器以SPWM方式工作，將穩(wěn)定的直流電壓逆變成有效值稍大于220V的S

8、PWM電壓波形，經LC濾波后，就可以得到有效值為220V的50Hz交流電壓。第3章 正弦波逆變器主電路及參數設計3.1有工頻變壓器的逆變電源主電路形式及參數3.11電路形式有工頻變壓器的逆變電源主回路基本工作工作過程可以理解，可以把它設計成以IGBT為開關的橋式逆變電路形式，如圖1所示。 + TL C2C1 - 圖1有工頻變壓器的逆變電源主回路 電源為180V285VDC，四個開關管分別為Tr1、Tr3、Tr2、Tr4.圖中，Tr1Tr4為IGBT開關管，C1為串聯耦合電容，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。參數設計（1）.逆變變壓器變壓器輸

9、出220VAC得到峰值為311V，考慮到變壓器副邊繞組電壓峰值設為315V，原邊在考慮去耦電容C1的降壓后，最低電壓時為170V，所以變壓器的匝比n為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=1200W。設變壓器的效率r=95%，則原邊效率P1=Po/r1260W。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硅鋼C型鐵芯，其Ke=0.9，Bm=1.2T，所以鐵芯面積乘積為可選取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公式先求出原邊匝數，再求出

10、副邊匝數。N1=V1max/(KfSeBm)N2=N1/n導線截面：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。（2）開關管 最高電壓為285V，所以開關管的耐壓可選為600V。開關管的峰值電流：Im=3I1m=3×5.5×1.8731(A)3.2無工頻變壓器的逆變器主電路設計及參數電路形式我們知道，無工頻變壓器的逆變電源實際是包含兩個部分：一套DC/DC和一套SPWM逆變器，我們將在這里討論SPWM逆變主電路，其電

11、路形式如圖2所示。+LC-圖2單相SPWM逆變主電路電源350V，各個管子分別為Tr1、Tr3、Tr2、Tr4。參數設計（1）開關管逆變器允許輸出峰值為Im=3Iom=3×5.5A=16.5A所以開關管的電流定額可以選為600V。我們可以選30A，600V，TO274封裝的IGBT管。（2）LC濾波 L為工頻電感，電感量可選為12mH，為減小噪聲，選閉合鐵芯，如OD型硅鋼鐵芯(400Hz)或鐵粉芯鐵芯。C為工頻電容，可以選CBB61-10µF-250VAC。第4章 正弦波逆變器控制電路設計逆變電源控制電路的核心是SPWM發(fā)生器，SPWM的實現包括分立電路、集成芯片和單片機實

12、現。它們的電器性能和成本有所不同，各有各的優(yōu)勢和不足之處。逆變電源SPWM電路的調制頻率固定為50Hz不變，為了降低成本，在這里用分立電路組成，如圖3所示。圖3單相SPWM逆變電源控制電路放大第一路Tr1、Tr4輸出，第二路Tr2、Tr3輸出，IC3輸出正值比較，IC4輸出負值比較圖中，正弦波發(fā)生器和三角波發(fā)生器分別見下兩圖圖4正弦波發(fā)生器圖5三角波發(fā)生器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，經由IC1及其外圍電路組成的PI型誤差放大器調節(jié)后得到一個控制信號，送到IC2去調制三角波，即可得到SPWM波形。IC3和IC4分別為正負值比較器，他們的輸出信號分別為IC5和IC6，

13、從而將SPWM交替的分成兩路，各自放大后驅動相應的開關管，控制主回路完成SPWM逆變。需要注意的事，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個開關管。以上控制電路的特點是不僅能控制正弦波輸出的有效值，還能調節(jié)輸出電壓的瞬時值，優(yōu)化波形，減小諧波失真，提高帶負載能力。第5章 正弦波逆變器輸出變頻調制方式5.1正弦脈寬調制技術隨著逆變器控制技術的發(fā)展，電壓型逆變器出現了多種變壓，變頻控制方法。目前采用較多的是正弦脈寬調制技術既SPWM控制技術正弦脈寬調制法，是將每一正弦周期內的多個脈沖作自然或規(guī)則的寬度調制，使其依次調制出相當于正弦函數值的相位角和面積等效于正弦波的脈沖

14、序列，形成等幅不等寬的正弦化電流輸出。其中每周基波（正弦調制波）與所含調制輸出的脈沖總數之比即為波比。正弦脈寬調制的特點是脈寬調制以逆變器的功率器件的快速而有規(guī)律的開關，形成一系列有規(guī)則的矩形方波，以和期望的控制電壓等效。其特點是其波分量打，2N1次以下諧波得到有效的抑制，輸出電流接近正弦波在正弦波逆變電源數字化控制方法中，目前國內外主要研究的有數字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、模糊控制以及神經網絡控制等。本文采用的是外環(huán)為平均值環(huán)、內環(huán)為瞬時值環(huán)的雙環(huán)控制策略、內環(huán)同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

15、個頻率階段的輸出電壓具有較高的精度，并使用DSPTMS320F240全數字的控制實現。單相全橋式電壓型SPWM逆變器電路拓撲結構圖6所示。圖中S1S4的通斷由正弦脈寬調制產生的信號來控制。圖6主電路拓撲圖5.2 SPWM正弦脈寬調制方式。5.2.1單極性調制方式 單極性調制方式的特點是，在一個開關周期內兩只功率管比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，另兩只功率管比較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很多程度上減小了開關損耗。但又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

16、后半個周期則工作在高頻，這樣可以使兩個橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡。對于選用同樣的工作管時，使其使用壽命均衡，對增加可靠性有利。5.2.2雙極性調制方式雙極性調制方式的特點是4個功率管都工作在較高頻率（載波頻率），雖然能得到正弦輸出電壓波形，但其代價是產生了較大的開關損耗。5.23單極性倍率調制方式單極性倍率調制方式的特點是輸出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。5.3 三種調制方式下逆變器輸出電壓諧波分析5.3.1 單極性調制方式公式如下 5.3.2 雙極性調制方式公式如下5.3.3單極性倍頻調制方式公式如下 控制電路采用r TMS320F240數字信號處理器，主要任務是在定時中斷內完成變壓變頻控制?？刂瞥绦蛴芍鞒绦蚝鸵粋€定時中斷程序，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。三種調制方式下逆變器輸出電壓未經濾波前，單極性調制方式和雙極性調制方式下逆變器輸出電壓諧波分量主要集中在升關頻率及其倍頻附近，且單極性調制方式下逆變器輸出電壓諧波分量比雙極性要小。單極性倍頻調制方式下輸出電壓的諧波分量主要有2倍升關頻率及4