正弦波逆变器doc.docx

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第1章概述

电力系统变电站和调度所的继电保护和综合自动化管理设备有的是单相交流供电的，其中有一部分是不能长时间停电的。

普通UPS设备因受内置蓄电池容量的限制，供电时间比较有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比较大，所以需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。

随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。

对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：

一是稳态精度高；二是动态性能好。

因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。

逆变器，是指整流器的逆向变换装置，其作用是通过半导体功率开关器件（例如SCR,GTO,GTR,IGBT和功率MOSFET模块等）的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。

由于多数负载要求逆变器输出正弦波，因而正弦波逆变器用途最广泛。

正弦波逆变电源利用蓄电池的直流电作为输入，经逆变后输出纯净的正弦波交流电，输出电压和频率极为稳定并可长期连续工作，消除了直接使用市电带来的供电中断，电压不稳，杂音干扰和雷电侵入等不利因素，同时克服了小型ups供电时间短的致命缺陷，确保用电设备连续可靠的工作。

在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。

该调制方法的最大缺点是它的4个功率管都工作在较高频率（载波频率），从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。

本文针对正弦波输出变压变频电源SPWM调制方式及数字化控制策略进行了研究，以TMS320F240数字信号处理器为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变频输出。

第2章正弦波逆变器技术要求和主电路

2.1总体框架图

电力系统变电站和调度所的继电保护和综合自动化管理设备有的是单相交流供电的，其中有一部分是不能长时间停电的。

普通UPS设备因受内置蓄电池容量的限制，供电时间比较有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比较大，所以需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。

逆变电源的工作原理与UPS有以下两点区别：

1）逆变电源不需要与交流电网锁相同步，因为其负载可以瞬间停电（几秒以内）。

2）逆变电源的输入直流电压为180～285V，而UPS内置电池电压为12V或24V。

2.2逆变电源的设计要求和目标

1）输出电压：

输出为单相220VAC（有效值），频率为50Hz。

2）输出功率：

1000W，允许过载20%，既Pomax=1200W。

2.3主电路形式选择

这种正弦波输出逆变器的输入电压变化范围较宽，为180～285V，而其输出则要求是稳压的。

因此，该逆变电源的逆变电路必须有一个升压的过程。

这种逆变电源的主回路形式有下述两种。

2.3.1有工频变压器的逆变电源

桥式逆变电路以SPWM方式工作，将185～285VDC电压逆变成有效值基本不变的SPWM波形，由工频变压器升压得到220V交流电压。

这种电路方式效率比较高（可达90%以上）、可靠性较高、抗输出短路的能力较强。

但是，它响应速度较慢，波形畸变较重，带非线性负载的能力较差，而且噪声大。

2.3.2无工频变压器的逆变电源

逆变电路以PWM方式首先将185～285VDC电压逆变成高频方波，经高频升压变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的直流电压，比如350VDC。

这部分电路实际上是一套直流/直流变换器，即DC/DC或DC-DC。

然后，在由另一套逆变器以SPWM方式工作，将稳定的直流电压逆变成有效值稍大于220V的SPWM电压波形，经LC滤波后，就可以得到有效值为220V的50Hz交流电压。

第3章正弦波逆变器主电路设计

3.1有工频变压器的逆变电源主电路设计

3.1.1电路形式

有工频变压器的逆变电源主回路基本工作过程可以理解，可以把它设计成以IGBT为开关管的桥式逆变电路形式，如图3.1所示。

图3.1有工频变压器的逆变电源主回路

电源为180V～285VDC，四个开关管分别为Tr1,Tr3,Tr2,Tr4.

图中，Tr1～Tr4为IGBT开关管，C1为串联耦合（去耦）电容，防止变压器因单相偏磁而饱和，T为隔离升压变压器，C2为输出滤波电容，L为输出滤波电感。

3.1.2参数设计

1.逆变变压器

变压器输出220VAC的峰值为311V，考虑到变压器副边绕组电压峰值设为315V，原边在考虑去耦电容C1的压降后，最低电压时为170V，所以变压器的匝比n为

                         n=N2/N1=315V/170V ≈ 1.85       

电源输出功率也就是变压器的输出功率Po=1000W。

设变压器的效率ηr=95%，则原边效率P1=Po/ηr≈1060W。

因为变压器是变换SPWM电压波形，其基波（50Hz）的成分相当大，所以我们可以选择400Hz的硅钢C型铁芯，其Ke=0.9,Bm=1.2T,Kc可选为0.3，j=3A/mm²=3*10（²*³）A/m²，所以铁芯面积乘积为

AeAc=1200（1+0.95）/0.95*4.44*50*0.9*0.3*3*10（²*³）*1.2

         ≈1.14*10ˉ（²+³）（m²+²）=1140cm²

可以选取CD型400Hz硅钢铁芯。

查出截面积Ae，求出有效面积Se=Ae*Ke，然后就可以由下面的两个公式先求出原边匝数，再求出副边匝数。

                       N1=V1max/（KfSeBm）                     

                       N2=N1/n                            

   导线截面：

副边S2=I2/j=5.5/3≈1.8（mm²）,选Φ1.2mm漆包线两股并绕；

        原边S1=I1/j=Ni2/J=1.87*5.5/3≈3.43（mm²）,Φ1.2mm漆包线三股

并绕。

2.开关管

最高电压为285V，所以开关管的耐压可选为600V。

开关管的峰值电流：

Im=3I1m=3*5.5*1.87≈31（A）                       

选IGBT的电流定额为40A。

3.2无工频变压器的逆变器主电路设计

3.2.1电路形式

我们知道，无工频变压器的逆变电源实际上包含两部分：

一套DC/DC和一套SPWM逆变器。

DC/DC的设计这里我们不讨论。

所以，这里只讨论SPWM逆变主电路，其电路形式如图3.2所示。

 图3.2无工频变压器的逆变电源主回路

电源是与一套直流/直流变换器连接，取350V，各个管子分别为Tr1,Tr3,Tr2,Tr4.电感、电容组成LC滤波电路。

3.2.2参数设计

1.开关管

逆变器允许输出峰值电流为

                   Im=3Iom=3*5.5A=16.5A                      

所以开关管的电流定额可以选为600V。

我们可以选30A，600V，TO-247封装的IGBT管。

2.LC滤波电路

L为工频电感，电感量可选为1～2mH。

为减小噪声，选闭合铁芯，C为工频电容，可以选CBB61-10µF-250VAC。

第4章正弦波逆变器输出变频调制方式

当载波为三角波或锯齿波，调制波为正弦波时，不含相对于调制波的低次谐波。

当载波为三角波或锯齿波时，基波的幅值和调制度M成正比，即是线性关系。

当载波为三角波时，输出的脉宽调制波脉冲的上升沿和下降沿都被控制，称为双边调制，而像锯齿波那样只控制一个变化沿的控制方式称为单边调制从包含的谐波来看，双边调制性能较好。

根据设计要求，应以正弦波为调制波，以三角波为载波来输出期望的正弦波，故应采用正弦波脉宽调制技术，即SPWM调制技术。

在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目前国内外研究得比较多的主要有数字PID控制、无差拍控制、双环反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等。

本文所采用的是外环为平均值环、内环为瞬时值环的双环控制策略。

内环通过瞬时值控制获得快速的动态性能，保证变压变频电源输出电压畸变率较低，外环使得变压变频电源在各个频率段的输出电压具有较高的精度，并使用DSPTMS320F240全数字的控制实现。

4.1SPWM正弦脉宽调制方式

SPWM正弦脉宽调制可分为双极性调制方式、单极性调制方式和单极性倍频调制方式。

4.1.1单极性调制方式

单极性调制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：

另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。

但又不是固定其中一个桥臂始终为低频（输出基频），另一个桥臂始终为高频[载波频率），而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。

4.1.2双极性调制方式

 双极性调制方式的特点是4个功率管都工作在较高频率（载波频率），虽然能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。

4.1.3单极性倍频调制方式

单极性倍频调制方式的特点足输出SPWM波的脉动频率是单极性的两倍，4个功率管都工作在较高频率（载波频率），因此，开关管损耗与双极性相同。

第5章正弦波逆变器控制电路

5.1总控制电路

逆变电源控制电路的核心是SPWM发生器。

SPWM的实现包括分立电路、集成芯片和单片机实现。

它们的电气性能和成本有所不同，各有自己的优势和不足之处。

逆变电源SPWM电路的调制频率固定为50Hz不变，为了降低成本，我们这里用分立电路组成，如图5.1所示

图5.1

产生正弦波和三角波的方法有很多，如模拟法、数字法、数字模拟混合法等，其中我们采用模拟方法来得到需要的波形。

模拟方法：

模拟方法多用线性积分电路产生三角波，用文氏桥振荡器或RC振荡器产生正弦波，然后经过比例放大器控制其幅值

正弦波发生器和三角波发生器分别见下两图5.1.1、5.1.2。

图5.1.1正弦波发生器

C1=0.08µ，R1=10k,C2=0.08µ,R2=1.8k,R3=1.8k,R6=180k,R4=1.6k,R5=1.6k

图5.1.2三角波发生器

以标准的正弦波信号为参考，将输出电压的反馈信号与之相比较，经由U1A及其外围电路组成的PI型误差放大器调节后得到一个控制信号，送到U2A去调制三角波，既可得到SPWM波形。

U3A和U4A分别为正负值比较器，它们的输出信号分别给U5A和U6A，从而将SPWM交替地分成两路，各自放大后驱动相应的开关管对，控制主回路完成SPWM逆变。

需要注意的是，驱动电路要将每一路信号分成相互隔离的两路，分别驱动处于对角位置上的两只开关管。

以上控制电路的特点是不仅能控制正弦波输出的有效值，还能调节输出电压的瞬时值，优化波形，减小谐波失真，提高带负载能力。

5.2控制局部电路

5.2.1放大电路设计

恒流源的JFET差分驱动放大电路

因为所设计的控制电路输出的波形信号是比较微弱的。

完全不能直接的驱动IGBT的导通。

所以我们必须要设计一个放大器来对PWM信号进行放大在输出的。

其实放大器的选择又很多种选法，在这里我采用的是FET差分式放大电路。

第6章总结与心得

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，又如何完成一件事情。

在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。

学会了合作，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

从开始任务到查找资料，到设计电路图，到最后的仿真过程中，我学到了课堂上学习不到的知识。

当遇到一不了的问题，跟同伴一起商量、合作，或许能收到事半功倍的效果。

不管学什么，一定要打好基础，学好、学精通，但光有理论还是不行的，还得能为己所用;更重要的是要培养了独立思考和设计的能力，增强对知识应用的信心，相信会对今后的学习工作和生活有非常大的帮助，并且提高了自己的动手实践操作能力，使自己充分体会到了在设计过程中的成功喜悦。

虽然这个设计做的不是很完美，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益;最后,也是我感触比较深的一点,这次课程设计中遇到很多困难,让自己犯愁过,彷徨过,急躁过,可当自己很快调整好心态,从跌倒的地方爬起来继续,最后取得成功,不止是成功后的喜悦,也是一次锻炼!

总的来说这个设计还是比较顺利的，在这里要感谢老师的指导，也感谢同学们的帮助。

虽然课程设计结束了，不过学习电力电子知识的过程还没有终结，探索学习的奥妙，培养学习的兴趣，养成良好的学习习惯对我们来说才是最重要的，学习不仅仅是学习书本知识，不是为了学习本身而去学习，方法很重要，以后要更加努力，多搞一些实际性的东西，做对自己有用的事。

参考文献

1、王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社

2、李爱文张承慧.现代逆变技术及其应用