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交流变换器装置设计

摘要

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。

IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。

它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。

尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。

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[1]。

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。

关键词：

IGBT逆变器

目录

交流变换器装置设计1

1概论1

2方案比较论证2

2.1主电路方案选择2

2.2控制电路方案选择3

3电路详细设计4

3.1主电路设计4

3.1.1电路结构4

3.1.2器件选择4

3.2控制电路设计6

3.2.1单极倍频SPWM产生6

3.2.2主控电路原理框图7

4电路仿真9

5结论12

6参考文献13

交流变换器装置设计

1概论

近年来，随着各行各业的技术水平和操作性能的提高，它们对电源品质的要求也在不断提高。

为了高质量和有效地使用电能，许多行业的用电设备都不是直接使用交流电网提供的交流电作为电能源，而是根据用电设备的要求采用电力电子技术对电能进行变换，从而得到各自所需的电能形式。

而实现这一功能的装置就是交流变换器。

从结构上看，变频电源可分为直接变频和间接变频两大类。

直接变频又称为交一交变频，是一种将工频交流电直接转换为频率可控的交流电，中间没有直流环节的变频形式。

间接变频又称为交一直一交变频，是将工频交流电先经过整流器成直流电，再通过逆变器将直流电变换成频率可变的交流电的变频形式，因此这种变频方式又被称为有直流环节的变频方式。

其中，把直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路。

这种能量的变换对节能、减小环境污染、改善工作条件、节省原材料、降低成本和提高产量等方面均起着非常重要的作用。

交一交变频一般使用的开关器件是晶闸管，利用电网电压有自动过零并变负的特点，将晶闸管直接接在交流电源上，使晶闸管能自然关断。

其过程与可控整流器一样，不需要附加换流器件，方法简单，运行可靠。

但是这种方法使用晶闸管数量较多，主回路复杂，且输出频率受电源频率的限制，一般不能高于电网频率的1／2。

交一直一交变频是目前变频电源的主要形式。

本文所研究的变频电源即采用这种形式。

按照电压、频率的控制方式，交一直一交变频器一种主要结构是采用二极管全桥不控整流器整流、脉宽调制型（PWM）逆变器同时实现调压调频方式。

此时不可控整流提高了装置输入功率因数，减小了对电网的谐波污染，又因采用高开关频率的逆变器，输出谐波很小，性能优良。

本文所述的变频电源采用这种方案。

采用二极管不可控整流，以提高网侧电压功率因数，整流所得直流电压用大电容稳压，为逆变器提供直流电压，再经过逆变器，输出可变幅值可变频率的信号。

本文所研究的交流变频器可以分为四个功能模块：

整流电路、逆变电路、输出滤波器和控制电路。

整流电路是一个三相AC／DC变换电路，功能是把AC380V／50Hz的电源进行整流滤波后转换成稳定直流电源供给逆变电路。

该整流能对电网污染进行双向隔离，以提高整机的电磁兼容性能。

逆变电路是该电源的关键电路，其功能是实现DC／AC的功率变换，即在在控制电路的控制下把直流电源转换成单相SPWM波形供给后级滤波电路，形成标准的正弦波。

功率级采用全桥逆变结构，电源利用率高，整机工作效率高。

滤波电路是用来滤除干扰和无用信号，使输出为标准正弦波。

控制电路用于产生SPWM控制信号，还具有相关的过流，过压保护等功能。

2方案比较论证

2.1主电路方案选择

交交变频电路。

交交变频电路主要应用于大功率交流电动机调速系统，实际使用的主要是三相输出交交变频电路。

其原理图如图2-1所示。

图2-1交交变频原理图

图2-2不能再生反馈的电压型间接交流变流电路

电路由P组和N组反并联的晶闸管变流电路组成。

变流器P和N都是相控整流电路，P组工作时，负载电流为正，N组工作时，负载电流为负。

让两组变流器按一定的频率交替工作，负载就可得到该频率的交流电，改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率。

改变变流器工作时的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。

不难看出，且输出频率受电源频率的限制，一般不能高于电网频率的1／2。

交交变频电路是才用相位控制方式，因此其输入电流总是滞后于输入电压，需要电网提供无功功率，其功率因数较低。

交直交变频器。

间接交流变流电路由整流电路、中间直流电流和逆变电路构成。

图2-2所示的是不能再生反馈的电压型间接交流变流电路。

整流电路将380V/50Hz的交流变换成直流。

中间直流电流对直流进行滤波处理，必要时进行升压斩波，以提高逆变后能输出交流的最大幅值。

逆变电路的功能是将直流逆变为所需频率和幅值的交流，主要是应用SPWM技术控制逆变桥，产生交流电。

该方案具有功率因数高，对电网污染小等优点。

本文中采用这种间接变换电路实现题目要求。

2.2控制电路方案选择

DC—AC变换部分的控制技术是逆变电源的最关键部分，它在很大程度上决定了整个电源的性能。

传统的逆变电源采用模拟控制技术，该方法控制结构比较成熟，积累了大量的设计经验，而且相对成本较低，但是模拟控制存在着许多固有缺点：

（1）电源生产的一致性不好，产品升级困难，新型逆变电源的诞生，一般都伴随着大幅度硬件的更换；

（2）因采用大量的分散元件和电路板，导致硬件的成本偏高，系统的可靠性下降：

（3）设计周期长，调试起来复杂。

并且较难实现先进的复杂的控制算法。

近年来，数字化已经成逆变电源的发展方向。

随着高性能数字信号处理器DSP的出现和控制理论的普遍发展，使得逆变电源的控制技术朝着全数字化、智能化和网络化的方向发展。

逆变电源采用数字控制相对模拟控制，具有以下明显优点：

（1）控制电路结构简洁紧凑，大大简化了硬件电路的设计，提高系统抗干扰能力；

（2）设计和制造灵活，每台电源间的一致性好，一旦改变了控制方法，只需修改程序即可，无需变动硬件电路，大大缩短了设计研制周期；

（3）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得逆变电源的智能化程度更高，性能更完美；

可见，数字化是逆变电源发展的主要方向，然而，也存在着挑战。

原因是逆交电源是一个复杂的电力电子装置，是一个多变量、非线性、时变的系统，因此对它的控制存在着困难。

目前的困难主要来自于一下几个方面：

（1）逆变电源的输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号，它不同于一般的开关电源的常值控制。

在闭环控制下，给定信号与反馈信号的时间差就体现为明显的相位差。

这种相位差与负载是相关的，这就给控制器的设计带来了困难；

（2）逆变电源的输出滤波器对系统的模型影响很大，输入电压的波动幅度和负载的性质、大小的交化范围往往比较大，这些都增加了控制对象的复杂性，使得控制对象模型的高阶性、不确定性、非线性显著增加；

（3）对于数字式PWM，都存在～个开关周期的失控区间：

一般是在每个开关周期的开始或上一个周期之末来确定本次脉冲的宽度。

即使这时系统发生了变化，也只能在下一个开关周期对脉冲宽度做出调整。

当然，正是有着众多的优点，而问题又存在，才使得逆变电源的数字化控制在国内外引起了广泛的关注。

本文中的设计采用数字化方式控制，其核心控制芯片采用TI公司的TMS320f2182。

3电路详细设计

虽然通过了初级的方案论证，但由于不同电压等级、不同功率大小和应用范围的不同，方案的具体实现和器件的选择至关重要，因此有必要进行详细的论证设计。

3.1主电路设计

3.1.1电路结构

题目要求输入电压为三相380V/50Hz，输出为220V/400Hz，对功率，电流等没有明确要求，为设计方便，假设功率为2KW、电流等级为中等，用AC—DC—AC方案，，三相交流输入经不可控整和大电容滤波后，整流电压平均值为相电压的2.35～2.45倍，直流电压变化范围为514.8V～539V。

采用全桥逆变主电路结构和SPWM硬调制方式，逆变桥在最坏情况下，输出的最大电压基本有效值为：

如果考虑死区、开关管等引起的电压降为10%，则可得到327.7V。

改变调制比时，可满足输出电压要求，由于没有特殊要求，所以不使用隔离变压器。

3.1.2器件选择

（1）开关器件

开关管额定电压为

：

选用额定电压1200V的MOSFET。

最大输出情况下，电流有效值为

:

开关管额定电流:

考虑过电流情况，选20A。

（2）反并联二极管

额定电压：

最大允许的均方根正向电流：

二极管的额定电流为：

（3）缓冲电路

2KW逆变器的功率不大，选用一般的有能耗串并联缓冲电路即可。

（4）直流滤波电路

直流滤波电路的主要任务是滤出三相整流的6脉动波。

采用大电容滤波方式，三相全桥整流电路的输出电压和电流脉动频率为300Hz，整流电路向电容补充能量的时间间隔为3.3ms。

控制电容上电压波动幅值

在直流电压的0.5%～1%，

，逆变电路的平均输入电流为

，根据电容上电荷增量和电压增量的关系

可得

取4只6300uF/450V的电解电容串并联组合为900V、6300uF的滤波电容。

（5）输出滤波电路

输出滤波电路的作用是减少输出电压中的谐波，并保证基本分量的传输。

本设计中采用LC滤波。

由于单极倍频SPWM调制方式下的逆变桥输出中除了基波外还含有高次谐波，其中最低谐波阶次为

次，

为半周期内的单极性波头数，本装置开关频率选取为8KHz，

，最低次谐波频率为：

考虑死区的影响，一般选取输出滤波器的谐振频率为最低次谐波的1/5～1/10。

本设计中取其1/10，取电感为1mL可由下式计算出电容值

3.2控制电路设计

3.2.1单极倍频SPWM产生

单极倍频SPWM的产生原理如图3-1所示。

采用两个相反的正弦调制波

、

和一个三角载波

相比较，控制两个桥臂。

当

，T1导通，T2关断，当

时，T2导通，T1关断；当

，T3导通，T4关断，当

时，T4导通，T3关断。

单极倍频SPWM相对双极型SPWM而言，其输出电压脉动幅度低一倍，脉动频率高一倍，这样的特点有利于后级滤波。

图3-1单极倍频SPWM产生原理图

在本次设计中，采用软件方式产生SPWM波，由TM320F2812的事件管理器生成，并进行相应的死区设置。

3.2.2主控电路原理框图

控制器的核心为DSP，外加传感器和信号处理电路。

其中包括SPWM生成、短路保护、脉冲封锁、故障报警等。

DSP选用TI公司推出的32位定点DSP控制器TMS320F2812，是目前比较先进的处理器之一，其频率高达150MHz，大大提高了控制系统的控制精度和芯片的处理能力。

TI公司为它提供了浮点数学函数库，从而可以在定点处理器上方便实现浮点运算。

在高精度伺服控制、可变频电源，UPS电源等领域广泛应用，也是电机等数字化升级的最佳选择。

TMS320F2812DSP的两个优化过的事件管理器包括了脉冲宽度调制（PWM）产生器、可编程通用定时器等，该器件还包括了12为A/DC，吞吐量每秒可达16.7MB的采样，器双采样装置可以实现控制环路的同步采样。

片上标准通用串口可为主机、测试设备、显示器及其他组件提供简便的通信端口。

图3-2控制部分原理框图

根据任务要求和一般电源的设计方法，本设计的系统框图如图3-2所示。

在这次设计中，主要用到的DSP片上外设有事件管理器EVA、12位DAC和通用串行通信口。

用事件管理器EVA产生SPWM信号，载波的周期通过设置EVA的周期寄存器值为定值来确定，脉冲宽度的调节利用每次比较中断时重载比较寄存器的值，改变每次发生比较匹配的时间，从而改变脉冲的宽度。

设置定时器的中断启动ADC的转换，并在ADC的转换完成中断中完成事件管理器的比较寄存器值的计算和设置。

另外，系统中还设计了与上位机通信的通用串口，及常用的人际交互界面。

系统控制的程序流程图如图3-3所示。

图3-3系统主程序软件流程图

4电路仿真

用仿真方法不仅可以初步验证电路原理和参数的正确性，还能仿真实验极限条件下的特殊情况，从而有效减少电力电子装置的设计费用，缩短电力电子装置的设计周期，优化参数设计，提高装置可靠性。

Matlab中的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。

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提供的图形我们界面GUI上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可构造出复杂的仿真模型。

它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构。

从建模角度讲，这既适于自上而下（Top-down）的设计流程（概念、功能、系统、子系统、直至器件），又适于自下而上（Bottum-up）逆程设计。

从分析研究角度讲，这种SIMULINK模型不仅能让我们知道具体环节的动态细节，而且能让我们清晰地了解各器件、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。

在SIMULINK环境中，我们将摆脱理论演绎时需做理想化假设的无奈，观察到现实世界中很多非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响。

图4-1整流逆变部分仿真框图

三相整流逆变中的滤波电路如果和整流逆变产生的脉动电压发生谐振，不仅影响本电源的正常运行，还有可能威胁到三相电源的正常供电，这里用所设计参数用Matlab进行开环仿真，仿真电路图如图4-1所示。

仿真波形如图4-2所示。

图4-2交流变换器开环系统仿真波形

从开环系统的仿真图上可以看出，输出电压纹波较小，幅值在311V上下，证明LC滤波参数选择合理，整套方案切实可行。

其中的子系统部分为SPWM发生部分，为直接对其原理进行仿真分析，直接用三角载波和两路相位相差180度的正弦波相比较，子系统的框图如图4-3所示。

图4-3子系统框图

5结论

经过近两星期的努力，终于完成了本次课程设计。

其中包括方案的论证、电路的详细设计、最后的仿真分析，包括整流电路、逆变电路、输出滤波器的主回路等各个方面。

电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变换技术，将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。

变频技术作为电源技术的核心技术，集现代电子、信息和智能技术于一体。

新的器件和新的拓扑理论的出现使得变频电源技术日趋可靠、成熟、经济、适用。

论文详细阐述了系统设计的思想和实现过程。

但由于时间关系，对控制器的系统软件设计没能给出详细的设计过程和例程，系统软件设计分为人机接口程序和控制程序。

人机接口程序实现了实时电压电流数据及其波形显示，控制参数显示及在线修改等功能；控制程序实现了信号采样分析、PWM脉冲调制和触发、PI控制器等程序。

随着社会进步和科学技术的发展，新的产业将应运而生，变频电源涉及的领域越来越宽，其产品规格和品种也将越来越多，技术难度也将越来越大，有很多问题有待我们去研究。

虽然，变频电源的研究开发中还有不少问题有待解决，需要更多的人投入研究工作，但我相信在大家的共同努力下，装置必将被广泛应用，发挥其强大的作用。

参考文献

[1]王兆安，黄俊．电力电子技术．北京：

机械工业出版社，2004

[2]杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.北京：

清华大学出版社，2006

[3]陈伯时．电力拖动自动控制系统．北京：

机械工业出版社，1991

[4]陈坚.电力电子学.北京：

高等教育出版社，2004

[5]曾翔君，骆一萍.DSP控制原理及应用.北京：

科学出版社，2009