電力電子課設(shè)con

1、摘 要逆變電源是一種采用電力電子技術(shù)、控制技術(shù)進行電能轉(zhuǎn)換的電力裝置，它可將輸入的12V直流電轉(zhuǎn)換成220V功率為220W的交流電。它輸出的交流電可用于各類設(shè)備，最大限度的滿足移動供電場所?？偟膩碚f，逆變電源就是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷作用，把直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。直流電能通過升壓變壓器、逆變電路、濾波電路變成我們所需要的交流電能 。當然一個完整的逆變電源還需要一些保護電路，比如過載保護，溫度保護等。關(guān)鍵詞：升壓變壓器；逆變電路；濾波電路；保護電路 目 錄第1章 緒論11.1 電力電子技術(shù)概況11.2 本文設(shè)計內(nèi)容2第2章 逆變電源電路設(shè)計32.1 逆變電源總體設(shè)計方案32.2 具

2、體電路設(shè)計4 升壓斬波電路4 單相全橋逆變電路62.2.3 PWM的控制方法8 保護電路設(shè)計102.3 調(diào)試或仿真、數(shù)據(jù)分析12第3章 課程設(shè)計總結(jié)14參考文獻15第1章 緒論1.1 電力電子技術(shù)概況電源設(shè)備廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、經(jīng)濟建設(shè)、國防設(shè)施及人民生活等各個方面，是電子設(shè)備和機電設(shè)備的基礎(chǔ)，它與國民經(jīng)濟各個部門相關(guān)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用得最為廣泛?？梢哉f，凡是涉及電子和電工技術(shù)的一切領(lǐng)域都要用到電源設(shè)備，它不僅提供優(yōu)質(zhì)電能，還對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響，例如由于超小型、高效率的高頻開關(guān)電源的出現(xiàn)，促進了航空航天和艦船技術(shù)的發(fā)展；不間斷電源 (UPS)的研制成功大大提高了計算機、通信、導(dǎo)航

3、、醫(yī)療等設(shè)備的可靠性;脈沖電源廣泛應(yīng)用于電焊、電鍍等行業(yè)，節(jié)省了大量的電能和原材料。本文所介紹的逆變電源電路主要采用集成化芯片,使得電路結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、成本較低。因此,這種電路是一種控制簡單、可靠性較高、性能較好的電路。整個逆變電源也因此具有較高的性價比和市場競爭力。逆變電源技術(shù)的發(fā)展是和電力電子器件的發(fā)展聯(lián)系在一起的，器件的發(fā)展帶動著逆變電源的發(fā)展。最初的逆變電源采用晶閘管（SCR）作為逆變器的開關(guān)器件，稱為可控硅逆變電源.由于SCR是一種沒有自關(guān)斷能力的器件，因此必須通過增加換流電路來強迫關(guān)斷SCR, SCR的換流電路限制了逆變電源的進一步發(fā)展。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和交流技術(shù)的發(fā)展，自關(guān)

4、斷的電力電子器件脫穎而出，相繼出現(xiàn)了電力晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等等。自關(guān)斷器件在逆變器中的應(yīng)用大大提高了逆變電源的性能。由于自關(guān)斷器件的使用，使得開關(guān)頻率得以提高，從而逆變橋輸出的電壓中諧波的頻率比較高，使輸出濾波器的尺寸得以減小，而且對非線性負載的適應(yīng)性得以提高?？傊?，逆變技術(shù)的發(fā)展是隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展而發(fā)展的，進入21世紀，逆變技術(shù)正向著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發(fā)展。而逆變電源是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分，逆變電源的性質(zhì)決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電能的質(zhì)量。隨著

5、逆變電源的類型的增多和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)可以應(yīng)用到與國民生產(chǎn)和日常生活相關(guān)的各個領(lǐng)域。1.2 本文設(shè)計內(nèi)容本課題主要研究逆變技術(shù)，通過給定的12V直流電壓轉(zhuǎn)化成50HZ/220V能帶動額定負載的交流電輸出，解決沒有交流電源的情況下交流電氣設(shè)備的用電問題。并且利用電路圖進行仿真，做出相應(yīng)的參數(shù)辨別曲線。主要涉及到的問題包括以下幾個：1、確定系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)；2、升壓斬波電路的設(shè)計；3、逆變電路的設(shè)計；4、元器件的選擇；5、參數(shù)的計算；6、對系統(tǒng)進行仿真；第2章 逆變電源電路設(shè)計2.1 逆變電源總體設(shè)計方案 通過把12V的蓄電池電源轉(zhuǎn)換為工頻使用電源，用于各種電子器件中，是一種簡單

6、，廉價的方式。主電路設(shè)計中采用了簡單的升壓斬波電路，逆變電路，以及幾款簡單的芯片，經(jīng)濟性能良好，使用方便。就本系統(tǒng)的性能穩(wěn)定性而言，由于沒有設(shè)計復(fù)雜的電路進行干擾，所以輸出穩(wěn)定，是一款性價比很高的系統(tǒng)。如圖2.1是逆變電源的原理框圖， 蓄電池升壓變壓器工頻逆變?yōu)V波環(huán)節(jié)負載 圖2.1 總體原理框圖如圖所示，將直流電壓經(jīng)過非隔離變化后得到高壓直流電壓，再通過工頻逆變；得到交流電壓。由于不采用變壓器進行輸入和輸出隔離，所以體積小、重量輕、效率高、成本低而且系統(tǒng)也不復(fù)雜。但是由于沒有進行隔離，所以存在許多不安全因素，為了進行保護和防止干擾，必須采取許多防護措施。 其中升壓變壓器采用的是簡單的直流升壓斬

7、波電路，其作用是將12V直流電壓變成220V交流電壓。該電路結(jié)構(gòu)簡單，控制方式簡單，用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能30%左右。不僅起到調(diào)壓作用，同時起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲作用。 由于本設(shè)計的對象是單向逆變電源，所以逆變電路采用的是單相橋式PWM逆變電路，其作用是將220V直流電壓變成220V交流電壓，達到我們所需要的電壓。 2.2 具體電路設(shè)計2.2.1 升壓斬波電路本設(shè)計主要采用直流升壓斬波電路作為升壓環(huán)節(jié)的主電路，如圖2-3所示。該電路結(jié)構(gòu)非常簡單，控制方式也很簡單，而且直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能30%左右，所以斬波電路不僅能起到調(diào)壓作用，同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電

8、流噪聲作用。 圖2.3直流升壓斬波電路 如圖所示，升壓斬波電路中的開關(guān)器件可以根據(jù)具體的應(yīng)用要求來選擇，其中二極管VD可以防止電容C通過電源放電。該電路的工作過程可以分為2兩種模式，其等效電路如圖所示。 圖2.4 模式1 圖2.5 模式2當電流連續(xù)時，升壓斬波電路的主要工作波形如圖2.6所示，設(shè)t=ton時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，在ton時間內(nèi)，電路工作在模式1，開關(guān)器件V導(dǎo)通時間為ton，電路等效為兩個回路，在直流側(cè)，電感L中的電流按指數(shù)上升，由It1上升到It2，此時開關(guān)器件V的電壓為0V，所以電感電壓為電源電壓，又因此時的二極管VD截止，即電流為0，直流電源的能量將全部存儲在電感L中，負載上的電流

9、由電容C放電來維持恒定。 IoUdUi 圖2.6升壓斬波電路工作波形在T1時刻驅(qū)動V關(guān)斷，電路工作方式為模式2，此時電源和電感儲能釋放，同時向電容和負載供電。有 ，其中 成為升壓比，升壓比的倒數(shù)記作，和的關(guān)系表示為：+=1，所以上面的公式整理后又可以表示為：其中，占空比<1，可見電路的輸出平均電壓U0大于輸入直流電壓Ui，即該斬波電路具有升壓功能，符合設(shè)計要求。2.2.2 單相全橋逆變電路電路如圖2.7所示，該電路是單相全橋逆變電路，可以看作是由兩個半橋逆變電路組成的。在單向電壓型逆變電路中是應(yīng)用最多的電路，而且主要應(yīng)用于大容量場合。在相同的直流輸入電壓情況下，全橋逆變電路的最大輸出電壓

10、是半橋逆變電路的兩倍，這意味著輸出功率相同時，全橋逆變電路的輸出電流和通過開關(guān)器件的電流均是半橋逆變電路的一半，在大功率場合中，這是一個非常顯著地優(yōu)點，可減少電路所需并聯(lián)的器件數(shù)量。所以綜合分析，最終選取單相全橋逆變作為逆變環(huán)節(jié)的主電路，下面將簡單的介紹單相全橋逆變電路的工作方式以及主要波形。 Ud+ 圖2.7 單相全橋逆變電路如圖2.7所示，單相全橋逆變電路可以看作是由兩個半橋電路組成的，橋臂1、4和橋臂2、3各成一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180°，其輸出電壓的波形和半橋電路的波形形狀相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，=。在直流電壓和負載都相同的情況下，輸出的電

11、流的波形也和半橋電路中的形狀相同，而幅值增加一倍。全橋逆變電路是單相逆變電路中應(yīng)用最多的電路，下面對其電壓波形做定量分析。把幅值為的矩形波u0展開，形成傅里葉級數(shù)： (2-1)式中，基波的幅值和基波的有效值分別為： (2-2) (2-3)前面分析的波形都是正負電壓各180°的矩形波情況，在這種情況下，要改變輸出電壓的有效值，只能通過改變直流電壓來實現(xiàn)。在阻感負載時，還可以采用移相方式來調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，這種方式成為移相調(diào)壓。其波形如圖2.8所示，這里所說的移相調(diào)壓其實就是調(diào)節(jié)輸出電壓矩形波(脈沖)的寬度，具體做法是，柵極信號、互補，、互補，而且仍為180°正偏、180

12、°反偏。但是與、與的相位不同，錯開角度，即調(diào)節(jié)落后的角度從180°較少為角(0<<180°)，調(diào)節(jié)落后的角度也從180°較少為角。也就是說，輸出電壓u0的波形不再是正負各180°的矩形波，而是正負各位的矩形波。 圖2.8 單相全橋逆變電路的移向調(diào)壓方式波形2.2.3 PWM的控制方法 電路如圖2.9所示，該電路工作時，v1和v2通斷互補，v3和v4也通斷互補，如在uo正半周，v1導(dǎo)通，v2關(guān)斷，v3和v4交替通斷，且負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負。在uo的負半周，讓v2保持通態(tài)，v3保持斷態(tài)，v3

13、和v4交替通斷，負載電壓uo可以得到-ud和零兩種電平。調(diào)制電路 圖2.9 單相橋式PWM逆變電路單極性控制方式：如圖2.10所示，調(diào)制信號ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負半周為負極性的三角波。a） 在ur的正半周時，v1保持通態(tài)，v2保持斷態(tài)，當ur>uc時，使v4導(dǎo)通，v3關(guān)斷，uo=ud；當ur<uc時，使v4關(guān)斷，v3導(dǎo)通，uo=0.b） 在ur的負半周時，v1保持斷態(tài)，v2保持通態(tài)。當ur<uc時，使v3導(dǎo)通，v4關(guān)斷，u0=-ud。當ur>uc時，使v3關(guān)斷、v4導(dǎo)通，uo=0。圖2.10 單極性PWM的控制方式雙極性控制方式

14、：如圖所示，在調(diào)制信號ur和載波信號的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷。a） 在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得的PWM波也有正有負，在ur的一個周期內(nèi)，輸出的PWM波只有正負ud兩種電平。 圖2.11 雙極性PWM的控制方式 2.2.4 保護電路設(shè)計保護電路用于當電源出現(xiàn)異常情況時保護設(shè)備以及電源本身。當主回路中發(fā)生過載，過壓等異常狀況時，停止電路元件的工作。保護電路能有效的保護逆變器件和負載不被損壞。保護電路分為欠過電壓保護和過流保護。過壓保護電路如圖2.12所示，它監(jiān)測蓄電池的電壓狀況，如果蓄電池電壓低于預(yù)設(shè)的10.8V，保護電路開始工作，使控制器SG3524的腳10關(guān)斷端輸出高電平

15、，停止驅(qū)動信號輸出。圖2.12中運算放大器的正向輸入端的電壓由R1和R3分壓得到，而反向輸入端的電壓由穩(wěn)壓管箝位在7.5V，正常工作的時候，由三極管V導(dǎo)通，IR2110輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動晶閘管正常工作，實現(xiàn)逆變電源的設(shè)計。當蓄電池的電壓下降超過預(yù)定值后，運算放大器開始工作，輸出跳轉(zhuǎn)為負，LED燈亮，同時三級管V截止，向SG3524的SD端輸出高電平，封鎖IR2110的輸出驅(qū)動信號。此時沒有逆變電壓的輸出。 圖2.12 過電壓保護 過流保護不僅直接關(guān)系到IGBT器件本身的工作特性和運行安全，而且影響到整個系統(tǒng)的性能和安全。它包括短路和過流保護兩種。 +15V+15V通常采取的保護措施有軟關(guān)斷和降

16、柵壓兩種。軟關(guān)斷是指在過流和短路時，直接關(guān)斷IGBT。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流信號就關(guān)斷，很容易發(fā)生錯誤動作。為增加保護電路的抗騷擾能力，可在故障信號與啟動保護電路之間加一延時，不過故障電流會在這個延時內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時還會導(dǎo)致 器件的di/dt增大。所以往往是保護電路啟動了，器件仍然壞了。 降柵壓是指在檢測到器件過流時，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。降柵壓后設(shè)有固定延時，故障電流在這一延時期內(nèi)被限制在較小值，則降低了故障時器件的功 耗，延長了器件抗短路的時間，而且能夠降低器件關(guān)斷時的di/dt，對器件保護十分有利。若延時后故障信號依然存在，則關(guān)斷器件，若故

17、障信號消失，驅(qū)動電 路可自動恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強了抗騷擾能力。 上述的降柵壓方法只考慮了柵壓與短路電流大小的關(guān)系，而在實際過程中，降柵壓的速度也是一個重要因素，它直接決定了故障電流下降的di/dt。慢降柵壓技術(shù)就是通過限制降柵壓的速度來控制故障電流的下降速率，從而抑制器件的dv/dt和uce的峰值。圖2.13給出了實現(xiàn)慢降柵壓的具體電路。圖2.13 慢降柵壓電路圖 2.3 調(diào)試或仿真、數(shù)據(jù)分析直流升壓斬波電路可將輸入的直流電壓12V變成交流電壓220V輸出。完成升壓過程。仿真圖和波形圖如下圖所示。圖2.14 升壓斬波電路圖仿真圖 圖2.15升壓斬波電路輸出電壓波形(一)升壓斬波端的

18、計算：（1）熔斷器參數(shù)的計算：額定電流：I=（1.21.5）I1=（1.21.5）*16.7=2025（A）選擇熔斷器時，應(yīng)當選用通過電流在20A25A之間的熔斷器，當電路中的電流超過25A時，熔斷器會自動燒斷，對電路起到了過流保護的作用。(2)IGBT參數(shù)的計算：額定電壓：Umax=U1=350(V） 選取器件時選擇(23)Umax=700v1050v額定電流：Imax= I1=0.57(A) 選取器件時選擇(23)Imax=1.14A 1.17A（3）二極管參數(shù)的計算額定電流：Ivt= I1=0.57 (A)I=(1.52)*I/1.57=(1.52)*0.57/1.57=0.550.73

19、(A)額定電壓：U=U1=350 (V)U=(23)* U=(23)*350 =700 1050 (V)二、單相橋式逆變端參數(shù)計算：（1）IGBT參數(shù)的計算：VT1,VT2,VT3,VT4的參數(shù)相同，取VT1為例額定電壓：Umax=U1=350(V） 選取器件時選擇(23)Umax=700v1050v額定電流：Imax= I1=0.57(A) 選取器件時選擇(23)Imax=1.14A1.17A（2）二極管參數(shù)的計算：VD1,VD2,VD3,VD4的參數(shù)相同，取VD1為例額定電流：Ivt= I1=0.57 (A)I=（1.52)*I/1.57=(1.52)*0.57/1.57=0.550.73(A)額定電壓：U=U1=350 (V)U=（23)* U=(23)*350 =70