恒壓恒頻正弦波逆變電源

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 2\o"CurrentDocument"主電路設(shè)計(jì) 2\o"CurrentDocument"主電路原理 2\o"CurrentDocument"AC-DC原理分析 2\o"CurrentDocument"DC-AC逆變器原理分析 4\o"CurrentDocument"主電路參數(shù)計(jì)算 5\o"CurrentDocument"整流部分設(shè)計(jì)計(jì)算 5逆變部分設(shè)計(jì)計(jì)算 6\o"CurrentDocument"控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7\o"CurrentDocument"SPWM控制原理 7\o"CurrentDocument"PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 10\o"CurrentDocument"控制電路的設(shè)計(jì) 10\o"CurrentDocument"驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 10\o"CurrentDocument"4.MATLAB仿真設(shè)計(jì) 11\o"CurrentDocument"MATLAB簡(jiǎn)介 11\o"CurrentDocument"CVCF正弦波逆變電源電路 12\o"CurrentDocument"仿真結(jié)果及分析 12\o"CurrentDocument"總結(jié) 15\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 16恒壓恒頻正弦波逆變電源(50V,500W)設(shè)計(jì)摘要現(xiàn)代電路中，恒壓恒頻逆變電源有著廣泛的應(yīng)用。本文就設(shè)計(jì)一個(gè)恒壓恒頻正弦逆波變電源展開(kāi)。將輸入為220V/50HZ的單相交流電進(jìn)行AC-DA-AC的變換。通過(guò)對(duì)主電路，控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電路和輔助電源的設(shè)計(jì)，達(dá)到一個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求的輸出為50V,功率為500W的恒壓恒頻電源恒壓恒頻電源的設(shè)計(jì)。并且設(shè)計(jì)完成后，將電路用MATLAB進(jìn)行仿真，觀察仿真結(jié)果。通過(guò)仿真結(jié)果和理論比較，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。關(guān)鍵詞：整流逆變 SPWM調(diào)制主電路設(shè)計(jì)主電路原理由于輸入為單相交流電源，輸出也為單相交流電源。所以主電路應(yīng)該包括AC-DC，DC-AC兩部分。AC-DC原理分析本文的整流電路部分采用橋式整流電路?，F(xiàn)將其電路圖及其工作原理介紹如下。橋式整流電路原理圖如圖1-1所示。橋式整流器是利用二極管的單向?qū)ㄐ赃M(jìn)行整流的最常用的電路，常用來(lái)將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。這種電路，只要

增加兩只二極管口連接成"橋"式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)在一定程度上克服了它的缺點(diǎn)。圖1-1橋式整流電路圖橋式整流電路的工作原理如下：e2為正半周時(shí)，對(duì)DI、D3和方向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對(duì)D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、Dl、RfzD3通電回路，在Rfz,上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓，e2為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對(duì)DI、D3加反向電壓，DI、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2Rfz、D4通電回路，同樣在Rfz上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。以上兩種工作狀態(tài)分別如圖1-2(a)和圖1-2(b)所示。圖1-2橋式整流電路的工作原理示意圖(a)圖1-2橋式整流電路的工作原理示意圖（b）1.1.2DC-AC逆變器原理分析逆變器通俗的講就是一種將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成.單相恒壓恒頻率正弦波逆變器電源一般用在對(duì)電源質(zhì)量要求很高的場(chǎng)合?？偟脑硎侵绷鹘?jīng)振蕩電路產(chǎn)生脈動(dòng)直流（開(kāi)關(guān)管間斷導(dǎo)通關(guān)閉）或交流電再通過(guò)變壓器在次極感應(yīng)出所需電壓的交流電。逆變器的工作原理：直流電可以通過(guò)震蕩電路變?yōu)榻涣麟姷玫降慕涣麟娫偻ㄟ^(guò)線圈升壓（這時(shí)得到的是方形波的交流電）對(duì)得到的交流電進(jìn)行整流得到正弦波單相逆變器主電路主要有半橋式、全橋式、推挽式3種，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1-3所示。圖1-3單相逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（1）半橋電路輸出端的輸出的電壓波形幅值僅為直流母線電壓值的一半，因此，電壓利用率低；但在半橋電路中，可以利用兩個(gè)大電容C1、C2會(huì)補(bǔ)償不對(duì)稱的波形，這是半橋電路的優(yōu)點(diǎn)所在。（2）全橋電路和推挽電路的電壓利用率是一樣的，均比半橋電路的利用率大1倍。但全橋、推挽式電路都存在變壓器直流不平衡的問(wèn)題，需要采取措施解決。（3）推挽電路主要優(yōu)點(diǎn)是電壓損失小，直流母線電壓只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管的管壓降損失；此外，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路電源可以共用，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。推挽式比較適合低壓輸入的場(chǎng)合。低壓輸入的推挽式變壓器原邊繞組砸數(shù)較少，一般采用并繞方式，以增加兩繞組的對(duì)稱性，工藝上難度較大。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)變壓器磁芯利用率高，推挽電路工作時(shí)，兩只對(duì)稱的功率開(kāi)關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小。缺點(diǎn)是：變壓器帶有中心抽頭，而且開(kāi)關(guān)管的承受電壓較高；由于變壓器原邊漏感的存在，功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷的瞬間，漏源極會(huì)產(chǎn)生較大的電壓尖峰，另外輸入電流的紋波較大，因而輸入濾波器的體積較大。中、大容量逆變器多采用全橋結(jié)構(gòu)，它的控制方法比較靈活，主要有雙極性和單極倍頻兩種。對(duì)于開(kāi)關(guān)器件的選擇，小容量逆變器多用MOSFET，大容量正弦波輸出地逆變器多用IGBT，特大容量逆變器選擇GTO。本次設(shè)計(jì)采用全橋式逆變電路。1.2主電路參數(shù)計(jì)算整流部分設(shè)計(jì)計(jì)算主電路整流部分電路設(shè)計(jì)如圖1-4口二SourceSerie&圖1-4主電路整流電路由于采用不控橋式整流電路整流，所以：整流電壓平均值為U=0.9U=0.9X220二198Vd2二極管承受的最大正向電壓為扌U2=155-6V承受的反向電壓為、邁卩2=312V要使整流后電壓連續(xù)需滿足wRC2込，不妨取C=0.1F。1.2.2逆變部分設(shè)計(jì)計(jì)算逆變部分電路設(shè)計(jì)如圖1-5LR輸出原邊部分電阻電容參數(shù)R,L，為了使電路損耗較小R盡量取得小，取R=5Q，L=0.55mH逆變器原邊輸出電壓U=mU=198x0.8=158.4V1d要得到電壓U=35V，則有變壓器變比k二空4二4.532 35得到正弦波幅值U =35⑵=50V2maxU2因?yàn)橐蠊β蕿镻二500W，R=―十=5Q，考慮到電路中變壓器及電P感的損耗，取R=4Q控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)SPWM控制原理在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同，指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如把各輸出波形用傅式變換分析，則其低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖2-1a、b、c所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，圖2-1a為矩形脈沖，圖2-lb為三角形脈沖，圖2-1C為正弦半波脈沖，但它們的面積(即沖量)都等于1，那么，當(dāng)他們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。脈沖越窄，其輸出的差異越小。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D2-ld的單位脈沖函數(shù)5(t)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過(guò)渡函數(shù)。

上述結(jié)論是PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。下面分析如何用一系列等幅而不等寬的脈沖代替一個(gè)正弦半波，把圖2-2a所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（沖量）相等，就得到圖2-2b所示的脈沖序列。這就是PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的圖2-2PWM控制的基本原理示意圖原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM(SinusoidalPWM)波形。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。以上介紹的是PwM控制的基本原理，按照上述原理，在給出了正弦波頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。但是，這種計(jì)算是很繁瑣的，正弦波的頻率、幅值變化時(shí)，結(jié)果都要變化較為實(shí)用的方法是采用調(diào)制的方法，即把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角形作為載波，因?yàn)榈妊切紊舷聦挾扰c高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波形相交時(shí)，如在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，這正好符合P枷控制的要求。當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。一般根據(jù)三角波載波在半個(gè)周期內(nèi)方向的變化，又可以分為兩種情況。三角波載波在半個(gè)周期內(nèi)的方向只在一個(gè)方向變化，所得到的PWM波形也只在一個(gè)方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式，如圖2-3所示。圖2-3單極性PWM控制方式原理本設(shè)計(jì)采用單極性SPWM控制方式。PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分控制，簡(jiǎn)稱PI控制，又稱PI調(diào)節(jié)。PI控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PI控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PI控制技術(shù)。其傳遞函數(shù)W=K+K，本設(shè)計(jì)采用K=100,K=0.1sps pi控制電路的設(shè)計(jì)本課程設(shè)計(jì)SPWM模塊的具體電路模型如圖2-4所示。圖2-4SPWM產(chǎn)生模塊其中載波頻率為10KHZ，調(diào)制比為0.8。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路是主電路與控制電路之間的接口電路。合理的驅(qū)動(dòng)電路可以使開(kāi)關(guān)管工作在較理想的狀態(tài)下，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率另外，有些保護(hù)措施往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路的基本作用是：將信息電子電路傳來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在器件控制回路中的電壓或者電流，應(yīng)該具有一定的功率，使器件能夠可靠地開(kāi)通或關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路往往還需要提供電氣隔離環(huán)節(jié)。目前，在常用的驅(qū)動(dòng)電路中，廣泛使用的電力電子器件是MOSFET和IGBT,變壓器隔離驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比必須小于50%，否則變壓器的磁通不能復(fù)位。而采用SPWM調(diào)制方式時(shí)，開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖不可避免的有超過(guò)50%的情況，因此，小容量逆變器中，電力MOSFET多采用高壓隔離驅(qū)動(dòng)的集成芯片，而在中大容量逆變器中，IGBT則采用厚膜集成驅(qū)動(dòng)電路模塊。MATLAB仿真設(shè)計(jì)4.1MATLAB簡(jiǎn)介在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，往往要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，其中包括矩陣運(yùn)算。這些運(yùn)算一般來(lái)說(shuō)難以用手工精確和快捷地進(jìn)行，而要借助計(jì)算機(jī)編制相應(yīng)的程序做近似計(jì)算。目前流行用Basic、Fortran和c語(yǔ)言編制計(jì)算程序，既需要對(duì)有關(guān)算法有深刻的了解，還需要熟練地掌握所用語(yǔ)言的語(yǔ)法及編程技巧。對(duì)多數(shù)科學(xué)工作者而言，同時(shí)具備這兩方面技能有一定困難。通常，編制程序也是繁雜的，不僅消耗人力與物力，而且影響工作進(jìn)程和效率。為克服上述困難美國(guó)Mathwork公司于1967年推出了“MatrixLaboratory"（縮寫(xiě)為Matlab）軟件包，并不斷更新和擴(kuò)充。目前最新的5.x版本（windows環(huán)境）是一種功能強(qiáng)、效率高便于進(jìn)行科學(xué)和工程計(jì)算的交互式軟件包。其中包括：一般數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應(yīng)用程序，并集應(yīng)用程序和圖形于一便于使用的集成環(huán)境中。在此環(huán)境下所解問(wèn)題的Matlab語(yǔ)言表述形式和其數(shù)學(xué)表達(dá)形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程。不過(guò)，Matlab作為一種新的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，要想運(yùn)用自如，充分發(fā)揮它的威力，也需先系統(tǒng)地學(xué)習(xí)它。但由于使用Matlab編程運(yùn)算與人進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的思路和表達(dá)方式完全一致所以不象學(xué)習(xí)其它高級(jí)語(yǔ)言--如Basic、Fortran和C等那樣難于掌握。實(shí)踐證明,你可在幾十分鐘的時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)Matlab的基礎(chǔ)知識(shí)，在短短幾個(gè)小時(shí)的使用中就能初步掌握它?從而使你能夠進(jìn)行高效率和富有創(chuàng)造性的計(jì)算。Matlab大大降低了對(duì)使用者的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言知識(shí)的要求，而且編程效率和計(jì)算效率極

高，還可在計(jì)算機(jī)上直接輸出結(jié)果和精美的圖形拷貝，所以它的確為一高效的科研助手。自推出后即風(fēng)行美國(guó)，流傳世界。4.2CVCF正弦波逆變電源電路CVCF正弦波逆變電源電路如圖4-1iNtTILMI；卜口*zreri ?-LR3Jtehl^DtiCi：FfeaEinirerHi!：：'FxhhCVCF正弦波逆變電源電路如圖4-1iNtTILMI；卜口*zreri ?-LR3Jtehl^DtiCi：FfeaEinirerHi!：：'Fxhh$m￡RL1：E^rchGLfEEfPaijfci?!pgH!勺」iIGET2耐時(shí)r抑fcfe-iillBridie!錠幗fap:曲吒@二^弓]V3Fd---igeriicen2=:*=圖4-1CVCF正弦波逆變電源電路電路主要包括整流、逆變、SPWM、PI調(diào)節(jié)、輔助電源等等模塊組成。仿真結(jié)果及分析搭建好電路圖以后，開(kāi)始運(yùn)行仿真，然后觀察各個(gè)示波器，得到以下各部分的波形圖。圖4-2為輸入220V/50Hz的電壓波形和整流后的波形。

圖4-2220V/50Hz的電壓波形和整流后的波形說(shuō)明：圖4-2中，橫軸為時(shí)間，縱軸為電壓。上面波形為交流輸入波形。下面波形為整流后的波形。根據(jù)理論，整流電路中，當(dāng)電容趨向于無(wú)窮大時(shí)，整流出來(lái)的波形為一條直線。由于沒(méi)有無(wú)窮大電容，所以本設(shè)計(jì)中采用0.1F的電容，得到圖4-2的整流波形。整流后的波形不是一條直線，但滿足THD<5%的誤差條件。圖4-3為經(jīng)過(guò)逆變后的電壓波形（沒(méi)有經(jīng)過(guò)變壓器）的波形圖圖4-3逆變后的電壓波形（變壓器原邊）圖4-4為經(jīng)過(guò)逆變后的變壓器副邊的電壓波形

圖4-4逆變后的變壓器副邊的電壓波形說(shuō)明：圖4-3和圖4-4