電力電子課程設(shè)計(jì)正弦波逆變器設(shè)計(jì)匯總

1、湖南工程學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱: 電力電子技術(shù) 課題名稱: 正弦波逆變器的設(shè)計(jì) 專 業(yè): 電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí): 電氣119 x 學(xué) 號(hào): 20110101XXXX 姓 名: xx 指導(dǎo)教師: 謝衛(wèi)才 楊青 2014年 2 月 23 日湖南工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 課程名稱： 電力電子技術(shù) 題 目：正弦波逆變器的設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)：電氣工程1191 學(xué)生姓名：xx 學(xué)號(hào)：xx 指導(dǎo)老師：謝衛(wèi)才, 楊 青 審 批： 任務(wù)書下達(dá)日期 2014年 2 月23日設(shè)計(jì)完成日期 2014年 3月9日 設(shè)計(jì)內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求一.設(shè)計(jì)內(nèi)容：1. 分析逆正弦波逆變器的結(jié)構(gòu)及功能2. 介紹正弦波逆變器技術(shù)要求和主回

2、路3. 正弦波逆變器主電路設(shè)計(jì)(主電路的選用依據(jù)和原則, 主電路的設(shè)計(jì)及分析, 主開關(guān)的選用依據(jù)和原則, 元器件定額及選型)4. 正弦波逆變器控制電路設(shè)計(jì)及選型二、設(shè)計(jì)要求：1、思路清晰，給出整體設(shè)計(jì)和電路圖；2、給出具體設(shè)計(jì)思路和電路；3、寫出設(shè)計(jì)報(bào)告； 主要設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求,提供實(shí)驗(yàn)室. 說(shuō)明書格式1 課程設(shè)計(jì)封面；2 任務(wù)書；3 說(shuō)明書目錄；4 正文5 總結(jié)與體會(huì)；6. 參考文獻(xiàn)7、課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)分表 進(jìn) 度 安 排 1: 課題內(nèi)容介紹和查找資料； 2 :

3、總體電路設(shè)計(jì)和分電路設(shè)計(jì)； 3 : 寫設(shè)計(jì)報(bào)告，打印相關(guān)圖紙；4. 答辯 參 考 文 獻(xiàn)1、 電力電子技術(shù)2. 現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用3. 交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)目 錄第1章 正弦波逆變器的概念第2章 總體設(shè)計(jì)思路2.1正弦波逆變器的設(shè)計(jì)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(wú)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(shù)設(shè)計(jì)3.1有工頻變壓器的逆變電源主電路形式及參數(shù)3.11電路形式3.1.2參數(shù)設(shè)計(jì)3.2無(wú)工頻變壓器的逆變器主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)3.2.1電路形式3.2.2參數(shù)設(shè)計(jì)第4章 正弦波逆變器控制電路設(shè)計(jì)第5章 正弦波逆變器輸出變頻調(diào)制方式5.1正弦

4、脈寬調(diào)制技術(shù)5.2 SPWM正弦脈寬調(diào)制方式5.2.1單極性調(diào)制方式5.2.2雙極性調(diào)制方式5.3 三種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分析總結(jié)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(guò)半導(dǎo)體功率開關(guān)器件（例如GTO,GTR,功率MOSFET 和IGBT等）的開通和關(guān)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(dòng)，靜止變頻和UPS電源。逆變器的負(fù)載多半是感性負(fù)載。為了提高逆變效率，存儲(chǔ)在負(fù)載電感中的無(wú)功能量應(yīng)能反饋回電源。因此要求逆變器最好是一個(gè)功率可以雙向流動(dòng)的變換器，即它既可以把直流電

5、能傳輸?shù)浇涣髫?fù)載側(cè)，也可以把交流負(fù)載中的無(wú)功電能反饋回直流電源。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(duì)變壓變頻電源的輸出電壓波形質(zhì)量也提出了越來(lái)越高的要求。對(duì)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(dòng)態(tài)性能好。因此，研究開發(fā)既簡(jiǎn)單又具有優(yōu)良動(dòng)、靜態(tài)性能的逆變器控制策略，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)。第2章 總體設(shè)計(jì)思路2.1正弦波逆變器的設(shè)計(jì)要求（1）電力系統(tǒng)變電站和調(diào)度所的繼電保護(hù)和綜合自動(dòng)化管理設(shè)備有的是單相交流供電的，其中有一部分是

6、不能長(zhǎng)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。（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(qū)動(dòng)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(gè)升壓的過(guò)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(qiáng)。但是，它響應(yīng)速度較慢、波形畸變較重、帶非線性負(fù)載的能力較差，而且噪聲大。2.5無(wú)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(jīng)高頻升壓變壓器升壓，再整流濾波得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，比如350VDC。這部分電路實(shí)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(jīng)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(shù)設(shè)計(jì)3.1有工頻變壓器的逆變電源主電路形式及參數(shù)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(guò)程可以理解，可以把它設(shè)計(jì)成以IGBT為開關(guān)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(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(shù)設(shè)計(jì)（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(shè)為315V，原邊在考慮去耦電容C1的降壓后，最低電壓時(shí)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(shè)變壓器的效率r=95%，則原邊效率P1=Po/r1260W。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(gè)公式先求出原邊匝數(shù)，再求出

10、副邊匝數(shù)。N1=V1max/(KfSeBm)N2=N1/n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。（2）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)3.2無(wú)工頻變壓器的逆變器主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)電路形式我們知道，無(wú)工頻變壓器的逆變電源實(shí)際是包含兩個(gè)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(gè)管子分別為Tr1、Tr3、Tr2、Tr4。參數(shù)設(shè)計(jì)（1）開關(guān)管逆變器允許輸出峰值為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，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(shè)計(jì)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)

12、現(xiàn)。它們的電器性能和成本有所不同，各有各的優(yōu)勢(shì)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，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(fù)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(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)為參考，將輸出電壓的反饋信號(hào)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(hào)，送到IC2去調(diào)制三角波，即可得到SPWM波形。IC3和IC4分別為正負(fù)值比較器，他們的輸出信號(hào)分別為IC5和IC6，

13、從而將SPWM交替的分成兩路，各自放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開關(guān)管，控制主回路完成SPWM逆變。需要注意的事，驅(qū)動(dòng)電路要將每一路信號(hào)分成相互隔離的兩路，分別驅(qū)動(dòng)處于對(duì)角位置上的兩個(gè)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。第5章 正弦波逆變器輸出變頻調(diào)制方式5.1正弦脈寬調(diào)制技術(shù)隨著逆變器控制技術(shù)的發(fā)展，電壓型逆變器出現(xiàn)了多種變壓，變頻控制方法。目前采用較多的是正弦脈寬調(diào)制技術(shù)既SPWM控制技術(shù)正弦脈寬調(diào)制法，是將每一正弦周期內(nèi)的多個(gè)脈沖作自然或規(guī)則的寬度調(diào)制，使其依次調(diào)制出相當(dāng)于正弦函數(shù)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(diào)制波）與所含調(diào)制輸出的脈沖總數(shù)之比即為波比。正弦脈寬調(diào)制的特點(diǎn)是脈寬調(diào)制以逆變器的功率器件的快速而有規(guī)律的開關(guān)，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(diǎn)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(shù)字化控制方法中，目前國(guó)內(nèi)外主要研究的有數(shù)字PID控制、無(wú)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)同過(guò)瞬時(shí)值控制獲得快速的動(dòng)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(gè)頻率階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6所示。圖中S1S4的通斷由正弦脈寬調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)控制。圖6主電路拓?fù)鋱D5.2 SPWM正弦脈寬調(diào)制方式。5.2.1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)開關(guān)周期內(nèi)兩只功率管比較高的開關(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(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

16、后半個(gè)周期則工作在高頻，這樣可以使兩個(gè)橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡。對(duì)于選用同樣的工作管時(shí)，使其使用壽命均衡，對(duì)增加可靠性有利。5.2.2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。5.23單極性倍率調(diào)制方式單極性倍率調(diào)制方式的特點(diǎn)是輸出SPWM波的脈動(dòng)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。5.3 三種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分析5.3.1 單極性調(diào)制方式公式如下 5.3.2 雙極性調(diào)制方式公式如下5.3.3單極性倍頻調(diào)制方式公式如下 控制電路采用r TMS320F240數(shù)字信號(hào)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，主程序主要完成讀取給定電壓，過(guò)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。三種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓未經(jīng)濾波前，單極性調(diào)制方式和雙極性調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分量主要集中在升關(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有2倍升關(guān)頻率及4