200W逆变电源初步设计.docx
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200W逆变电源初步设计
某知名大学
电力电子技术课程设计（论文）
题目：
200W逆变电源初步设计
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
学号：
学生：
指导教师：
起止时间：
2014-12-29至2015-1-9
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
电气
学号
学生
专业班级
课程设计（论文）题目
200W逆变电源初步设计
课程设计（论文）任务
课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数
实现功能
将12V直流电变成频率50HZ电压220V的交流电，解决没有交流电源的情况下交流电气设备的用电问题。
设计任务
1、方案的经济技术论证。
2、升压斩波电路设计。
3、逆变电路设计。
4、通过计算选择器件的具体型号。
5、控制电路设计。
6、绘制相关电路图。
7、进行matlab仿真。
8、完成设计说明书。
要求
1、文字在4000字左右。
2、文中的理论分析与计算要正确。
3、文中的图表工整、规。
4、元器件的选择符合要求。
技术参数
1、输入DC12V。
2、输出交流电频率50HZ。
3、具有过流保护。
4、输出功率大于200W。
5、输出交流电压220V。
6、具有输入过压、输出过压保护。
进度计划
第1天：
集中学习；第2天：
收集资料；第3天：
方案论证；第4天：
主电路设计；第5天：
选择器件；第6天：
确定变压器变比及容量；第7天：
确定平波电抗器；第8天：
触发电路设计；第9天：
总结并撰写说明书；第10天：
答辩
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
逆变是利用晶闸管电路把直流电转变成交流电的过程。
逆变分为有源逆变和无源逆变，交流侧接负载的为无缘逆变，交流侧接电网上时成为有源逆变。
逆变电源是将小电压直流电经过升压，再经过逆变变成有适合功率的交流电，以解决没有交流电源的情况下交流电气设备的用电问题。
升压过程用升压斩波电路，也叫boost变换器。
是通过控制全控型器件IGBT晶闸管的导通时间来控制输出直流电压大小。
本设计是将给定12V直流电转变为频率50HZ，电压220V的交流电，在直流部分首先采用升压斩波电路将直流电压提升到约100V左右，为下一步逆变提供适当裕量，第二步逆变部分，控制晶闸管导通周期为0.02S，以保证输出交流电压频率固定为50HZ，晶闸管采用脉冲触发控制。
经实验仿真验证，本设计最终输出电压为幅值为310V（±5V），输出功率大于200W，周期为0.02S的正弦波，且波形无明显失真，系统整体性能良好，满足设计要求。
关键词：
逆变电源；升压斩波；无源逆变；脉冲触发
第1章绪论
逆变电源技术概况
电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。
目前所用的电力电子器件均由半导体制成，故也称为电力半导体器件。
电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源以及变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究的就是电源技术。
在实际的电源系统中，有时需要把直流电转换成交流电供负载使用，这种把直流电变回交流电的过程就是逆变。
在已有的很多种电源中，如蓄电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变。
逆变将使发电方式产生一次大变革，使用氢能源与再生能源的高效低污染燃料电池发点方式将成为主题发电方式。
因此，逆变技术在新能源的开发与利用领域具有至关重要的地位。
逆变技术不仅应用在逆变电源方面，还广泛应用于其他领域
1.交流电机变频调速：
采用逆变技术将市电电网电压变换成幅值可调、频率可调的交流电供给交流电机，以调节电动机的转速。
2.UPS电源系统：
在许多领域中被广泛用的计算机、通讯设备、检测设备等都需要采用UPS电源。
3.电动汽车：
随着起初数量的不断增加，排放气体对环境造成污染越来越严重，已经成为空气污染的主要来源。
各大汽车公司均投入巨资积极研发电动汽车。
不管采用蓄电池还是用燃料电池，都要将直流电转换成交流电来供给电动机使用。
随着时代的发展，新的科技不断出现，逆变技术也将不断趋于成熟，逆变技术的应用也将大大扩展。
本文设计容
课题完成的设计任务及功能
实现功能
将12V直流电变成频率50HZ电压220V的交流电，解决没有交流电源的情况下交流电气设备的用电问题。
具体设计容
首先对设计要求做进一步分析。
设计要求输入12V直流电压，输出220V，50HZ的交流电压，明确了设计的目的。
整理设计方案，进行方案对比论证，从经济性、可靠性、安全性等方面考虑确定最终设计方案。
作出设计框图，按照实际电子元器件耐压值、额定电流等技术参数对设计方案再次修正。
将整体电路拆分成独立的单元电路直流变直流（DC—DC）升压斩波电路、直流变交流（DC—AC）逆变电路，以便设计仿真。
分别对单元电路进行MATLAB仿真，根据仿真图形失真度对设计参数再次修正，直到仿真波形图失真度满足设计围为止。
对仿真数据进行分析，总结。
完成实验报告。
第2章逆变电源电路设计
200W逆变电源总体设计方案
方案一
直流变直流部分采用升压斩波电路（BoostChopper），即通过控制晶闸管导通对电感进行充放电来对负载电压进行抬升，其输出电压为
（2-1）
期中T为晶闸管导通周期，
为晶闸管关断时间，E为输入直流电压小。
逆变部分采用单相全桥电压型逆变电路，其输出电压有效值为
（2-2）
此方案升压电路通过控制脉冲触发电路改变输出直流电压大小，容易实现。
逆变部分由于采用电压型逆变电路，因为直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。
而本设计要求交流侧输出交流电为220V的交流电以供交流电气设备用电。
与设计要求不符。
方案二
直流变直流部分依然采用升压斩波电路（BoostChopper），逆变部分采用单相全桥电流型逆变电路，其输出电压为
（2-3）
式中
输入直流电压，
为功率因数。
此方案由于是电流型逆变电路，因此输出交流侧电流波形为矩形波，电压波形与负载阻抗角有关。
当负载接谐振电路时，控制功率因数可得到接近正弦波的波形。
综合考虑两个方案，方案一不能得到正弦波电压，方案二能得出正弦波电压，因此选方案二作为本设计的最终设计方案。
构建设计方案图
图2.1设计方案框图
具体设计方案如下
具体电路设计
2.2.1主电路设计
升压斩波电路设计
升压斩波电路由全控型器件晶闸管、二极管和电感等构成。
具体电路如下图2.2所示。
图2.2升压斩波电路
如图2.2所示，晶闸管V选用全控型器件IGBT，利用脉冲控制其开通和关断从而使其控制电感的充电和放电。
电路中电感L值很大，当可控开关处于通态时，电源向电感充电，充电电流基本恒定不变，同时电容向负载供电，因为电容很大，所以输出电压也基本恒定。
当可控开关处于断态时，电源和电感同时向负载供电。
二极管控制电流单方向流动。
电路工作波形理论值如下图2.3所示
图2.3直流斩波电路工作波形
图2.3中，
门极输入电流，用来控制晶闸管导通与关断，
电流波形。
设晶闸管导通时间为
，此阶段电感L上存储能量为EI
，当晶闸管截止时，电感放电并和电源E向负载和电容供电，电路处于稳态时，电感充放电能量相等，即
（2-4）
化简可得
（2-5）
由公式可得，当输入电压12V时，调节晶闸管导通时间即可得到输出有一定幅值的直流电压。
电流型逆变电路设计
直流侧电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。
理想的电流源并不常见，因此可以通过在直流电源侧串联一个大的电感，利用大电感中电流脉动很小的特性，近似将直流电源看作电流源。
每个桥臂串联了电感，使得电流变化连续。
为了得到正弦波输出电压，在负载侧接RLC并联谐振电路，调节负载电容和电阻可以得到稳定的正弦波电压。
具体逆变电路如下图2.4所示。
图中
是晶闸管，利用脉冲触发电路对其进行控制；
是极大的电感，为了得到连续的直流电流
，在每个桥臂上都串有适合的小电感。
输出电压从谐振电路两端引出，其理论工作波形如下图2.5所示。
图2.5逆变电路工作波形图
波形分析：
和
是加在晶闸管电路两端的触发脉冲信号，由图2.5可见，在一个周期里，1,4和2,3晶闸管触发相位正好相反。
为输出电流波形，由于是电流型逆变电路，因此输出电流为矩形波，与负载性质无关，有相位延迟，晶闸管1,4和2,3轮流导通，导通时间各为半个周期。
和
之间是晶闸管换流时间，在此期间由于续流电感的存在，四个晶闸管同时导通，分别在上下两个回路形成续流电流，因此脉冲宽度要适当，以免造成短路故障。
晶闸管承受最大电压为电源电压的一半。
输出电压为正弦波交流电。
该电路换流方式为负载换流。
控制电路设计
本设计大量采用晶闸管，对于晶闸管要设计触发电路来控制晶闸管导通，触发脉冲要保证晶闸管可靠导通，其幅度要足够，所以要有强触发环节，具体设计电路如下图2.6所示
图2.6晶闸管触发电路
图2.6中，脉冲电流控制Q1的导通，间接控制Q2的导通，Q2导通后，VCCm经变压器和电阻R2到地形成闭合回路，积蓄在脉冲变压器T1上的能量向负载输送。
导通后，由于二极管和R4组成的电路限制T1两端电压，所以变压器原边电压很快就回复的一定值并保持不变，输出电压也随之保持不变，在输出电压起始时刻有短暂的电压极大现象，称为强触发环节。
保护电路设计
电路保护分为过电压保护和过电流保护。
过电压产生的原因有：
1）操作过电压：
分闸、合闸等开关操作引起的过电压
2）雷击过电压：
由雷击引起的过电压
3）换相过电压：
由于晶闸管两端反并联的二极管在换相过后不能立即回复阻断能力而引起的。
4）关断过电压：
全控器件在高频工作下，在关断时，因正向电流的迅速降低在线路电感两端产生的电压。
本设计使用的虑晶闸管要考虑的耐压问题，主要是操作过电压和换相过电压。
晶闸管一旦超过额定电压，影响晶闸管性能和使用寿命，甚至会烧坏晶闸管，为了保护晶闸管，限制晶闸管两端的电压不超过额定电压，需要给晶闸管设计过压保护电路。
对于晶闸管的过电压保护，本设计采用并联RC串联电路吸收方案。
具体电路见下图2.7
图2.7RC阻容吸收回路
晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。
电路总是存在电感的（变压器漏感或负载电感），所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。
同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。
元器件型号选择
晶闸管参数计算与选择
本设计输出电压峰值为310V（±5V），而用于逆变的晶闸管两端电压也相对比较高，因此要选用耐压值较大的晶闸管来作为逆变电路的控制器件，经仿真测试晶闸管两端电压峰值达到270V左右，见下图2.8。
图2.8晶闸管两端电压波形
因此在选用晶闸管时考虑到阿安全裕量，应选择耐压值为2~3倍的峰值电压。
（2-6）
晶闸管流经电流波形如下图2.9
图2.9晶闸管流经电流波形
从图中可以看出，流经晶闸管的电流峰值约为7.5A。
考虑安全裕量，选择晶闸管时要选择额定容量为1.5~2倍的峰值电流。
（2-7）
综合以上对于晶闸管额定电压、额定电流的参数要求，为了保证电路的安全可靠，查阅电子器件书籍，选择晶闸管的型号为KP50A，其参数为通态电流50A,反向峰值电压100~2400V，反向峰值电流为12A.满足本设计需求，因此选择该晶闸管。
对于其过压保护电路中的电阻，电容选择，应满足如下条件
（2-8）
（2-9）
综上，选择电容为0.25mf,400V；电阻选择40Ω。
电阻、电容、电感参数计算与选择
结合仿真电路，选择升压电路中电感为
H，电阻为1000Ω，电容为
F。
逆变电路中的L1为1H，L2~L5为
H。
谐振电路中的电阻，电容，电感分别为900Ω，
，
H。
以保证电路工作可靠。
系统仿真
MATLAB仿真软件简介
MATLAB（矩阵实验室）是MATrixLABoratory的缩写，是一款由美国TheMathWorks公司出品的商业数学软件。
MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。
主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
优势特点
1）高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；
2）具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；
3）友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；
4）功能丰富的应用工具箱（如信号处理工具箱、通信工具箱等），为用户提供了大量方便实用的处理工具。
Simulink使用简介
Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。
其部由很多个元件库组成，它可以处理的系统包括：
线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。
在Simulink提供的GUI上，只需要对鼠标进行拖拉操作就可以构造出复杂的仿真模型。
在搭建模型时只需要从需要的元件库中将需要的元器件拖到模型窗口中即可，其外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。
这种Simulink模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统间的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。
用户还可以随时改变各器件的参数，实时观察系统行为的变化。
本设计为电力电子设计仿真，需要用到电力电子器件，如晶闸管、二极管、IGBT、电阻、电感、电容等，这些器件主要用到Simulink中的Simpowersystems元件库。
逆变电源仿真模型建立
根据主电路的设计图，在MATLAB中Simulink的模型构建平台上搭建逆变电源仿真模型。
升压斩波电路系统模型如下图2.10所示。
图2.10升压斩波电路系统模型
图中，DC为输入直流电压12V，L是大电感器，C是电容，R是负载电阻，IGBT是全控型器件，在IGBT上的g端口加脉冲触发电路控制晶闸管导通与关断，m口是测试端口，主要测试晶闸管流过电流和两端电压。
D是二极管，D的m口同样是测试口。
输出电压在R两端。
单相全桥电流型逆变电路模型如下图2.11所示
如图，V1~V4是晶闸管，需要用晶闸管触发电路来控制。
L0是大容量电感，用来限制电流脉动幅度，L1~L4是续流电感，其大小一样；AB中间是RLC串并联谐振电路，用来产生正弦波电压，DC是直流电源，是来自升压斩波电路输出端的电压。
输出正弦波电压在AB两端。
输入、输出过压保护电路模型如下图2.12所示
图2.12输入、输出过压保护电路模型
实现输入、输出过压保护功能，在每个晶闸管两端并联RC串联电路即可限制晶闸管两端电压，保证晶闸管不被损坏。
晶闸管触发电路系统模型如下图2.13所示
图2.13晶闸管触发电路波形
由图2.13中的波形可以看出，在一个周期，脉冲有极短时间电压在50V，在这段时间极高的电压可以保证晶闸管可靠导通。
逆变电源仿真波形及数据分析
对直流升压斩波电路模型进行仿真测试得到如下图2.14所示电路：
图2.14直流升压斩波电路仿真图
输入直流电压12V，调节脉冲宽度为60%。
用示波器观察输出电压，得到如下图2.15波形。
从仿真图2.15中可以看出，经过斩波，12V直流电变成71.7V（±0.1V）的直流电。
波形基本完整，幅值波动很小，无明显失真。
逆变电路模型进行仿真得到如下图2.16电路：
图2.16逆变电路仿真模型
在图2.16中，电源DC为升压后输出电压值，VT1和VT4加入周期为0.02S的触发脉冲信号，VT2和VT3加入与VT1延迟半个周期的脉冲信号。
在如图2.16中谐振电路位置加入示波器，观察示波器得到逆变输出波形如下图2.17所示
如图2.17，当输入电压DC为50V时，逆变输出电压为170V（±5V），逆变后波形为正弦波，波形完整，无明显失真。
可以看出负载谐振电路可以从不规则波形的电压中选择出正弦波波形的电压。
对Simulink中建立的逆变电源整体电路模型进行实际仿真得到如下图2.18所示电路图
在仿真图2.18中，输入电压为DC12V。
升压斩波电路晶闸管占空比为72%，其他器件参数不变。
分别用示波器观察R两端电压和谐振电路两端电压。
得到如下图2.19和图2.20波形图。
图2.20最终输出波电压形图
波形分析：
由图可见，升压电路在接上逆变电路后输出端电压出现明显的浮动，由原来的图2.5中的±0.1V变化到±10V，显然出现这样的现象与接入逆变电路有关，逆变电路的接入改变了升压电路负载的性质，使输出电压不再稳定。
输入直流电压，经过升压斩波电路、逆变电路，输出变成稳定频率50HZ（周期0.02S）、幅值310V（有效值220V）的交流电。
波形的产生是靠谐振电路电感充放电形成的。
其波形的完整性与谐振电路参数和直流侧的电感有关，调节谐振电路的电感和电阻能使波形峰值更加接近正弦波，但输出电压大小会出现明显上升，这样对晶闸管的要求就提高了；谐振电路中的电感使波形曲线出现一定弧度，调节它能得到不同形状的波形。
直流侧的大电感越大，输出电压越小，且波形会出现削顶，即出现方波电压。
因此调整好各元件的参数才能得出正确的波形。
第3章课程设计总结
本设计要求将输入的12V直流电压变成频率50HZ，电压220V的交流电。
根据所选择的方案进行设计，采用直流变直流斩波（boostChopper）电路首先将电压升压处理，以避免输入输出电压差值过大，影响器件的性能和使用寿命，也进一步简化了电路，略去了隔离电路。
接着讲得到的直流电进行逆变，逆变采用的是单相全桥电流型逆变电路，该逆变电路由于输入侧串有大的电感，因此输出电流为矩形波，而通过将负载接成谐振电路即可得到正弦波电压，调整负载电阻和电容可以改变输出电压大小，频率大小控制是通过改变晶闸管的导通周期来实现的，本设计要求输出频率为50HZ，因此设置晶闸管导通时间为0.02S，为保证输出正弦波的完整，也保证电路的安全可靠，晶闸管1,4正常导通，晶闸管2,3导通周期延后1,4半个周期（0.01S），从而避免了晶闸管1,4同时导通而出现短路故障。
在晶闸管两端并联RC吸收电路，能够保证晶闸管两端电压不会突变，从而保证不出现过压现象。
经过仿真测试，本设计完全符合设计要求，即输出220V交流电，功率大于200W。
设计仿真波形完整，无失真现象。
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