正弦波逆變器

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目 錄第1章 概述 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。 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(kāi)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

2、究熱點(diǎn)之一。 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(kāi)關(guān)器件（例如SCR,GTO,GTR,IGBT和功率MOSFET模塊等）的開(kāi)通和關(guān)斷作用，把直流電能變換成交流電能，因此是一種電能變換裝置。由于多數(shù)負(fù)載要求逆變器輸出正弦波，因而正弦波逆變器用途最廣泛。 正弦波逆變電源利用蓄電池的直流電作為輸入，經(jīng)逆變后輸出純凈的正弦波交流電，輸出電壓和頻率極為穩(wěn)定并可長(zhǎng)期連續(xù)工作，消除了直接使用市電帶來(lái)的供電中斷，電壓不穩(wěn)，雜音干擾和雷電侵入等不利因素，同時(shí)克服了小型ups供電時(shí)間短的致命缺陷，確保用電設(shè)備連續(xù)可靠的工作。 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

3、用雙極性調(diào)制技術(shù)。該調(diào)制方法的最大缺點(diǎn)是它的4個(gè)功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，從而產(chǎn)生了較大的開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)頻率越高，損耗越大。本文針對(duì)正弦波輸出變壓變頻電源SPWM調(diào)制方式及數(shù)字化控制策略進(jìn)行了研究，以TMS320F240數(shù)字信號(hào)處理器為主控芯片，以期得到一種較理想的調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)逆變電源變壓、變頻輸出。 第2章 正弦波逆變器技術(shù)要求和主電路升壓濾波 電路輸入180285V直流電2.1總體框架圖逆變電路 驅(qū)動(dòng)放大電路SPWM控制電路輸出220V交流電 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

4、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。 逆變電源的工作原理與UPS有以下兩點(diǎn)區(qū)別：1）逆變電源不需要與交流電網(wǎng)鎖相同步，因?yàn)槠湄?fù)載可以瞬間停電（幾秒以?xún)?nèi)）。2）逆變電源的輸入直流電壓為180285V，而UPS內(nèi)置電池電壓為12V或24V。2.2逆變電源的設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)1）輸出電壓：輸出為單相220VAC（有效值），頻率為50Hz。2）輸出功率：1000W，允許過(guò)載20%，既Pomax=1200W。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180285V，而其輸出則要求是穩(wěn)壓的。因此，該逆變電

5、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。2.3.1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（可達(dá)90%以上）、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。2.3.2無(wú)工頻變壓器的逆變電源逆變電路以PWM方式首先將185285VDC電壓逆變成高頻方波，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，即DC

6、/DC或DC-DC。然后，在由另一套逆變器以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SPWM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設(shè)計(jì)3.1有工頻變壓器的逆變電源主電路設(shè)計(jì)3.1.1電路形式有工頻變壓器的逆變電源主回路基本工作過(guò)程可以理解，可以把它設(shè)計(jì)成以IGBT為 開(kāi)關(guān)管的橋式逆變電路形式，如圖3.1所示。 圖3.1有工頻變壓器的逆變電源主回路電源為180V285VDC，四個(gè)開(kāi)關(guān)管分別為T(mén)r1,Tr3,Tr2,Tr4.圖中，Tr1Tr4為IGBT開(kāi)關(guān)管，C1為串聯(lián)耦合（去耦）電容，防止變壓器因單相偏磁而飽和，T

7、為隔離升壓變壓器，C2為輸出濾波電容，L為輸出濾波電感。3.1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)1.逆變變壓器 變壓器輸出220VAC的峰值為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的壓降后，最低電壓時(shí)為170V，所以變壓器的匝比n為                          n=N2/N1=315V/170V &#

8、160;1.85        電源輸出功率也就是變壓器的輸出功率Po=1000W。設(shè)變壓器的效率r=95%，則原邊效率P1=Po/r1060W。 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的硅鋼C型鐵芯，其Ke=0.9,Bm=1.2T,Kc可選為0.3，j=3A/mm²=3*10(²*³)A/m²，所以鐵芯面積乘積為 AeAc=1200(1+0.95)/0.95*4.44*50*0.9*0.3*3*10(²*³)*

9、1.2           1.14*10(²+³)(m²+²)=1140cm² 可以選取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)，再求出副邊匝數(shù)。                    

10、0;   N1=V1max/(KfSeBm)                                             

11、60; 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

12、=I1/j=Ni2/J=1.87*5.5/33.43(mm²),1.2mm漆包線三股 并繞。2.開(kāi)關(guān)管最高電壓為285V，所以開(kāi)關(guān)管的耐壓可選為600V。開(kāi)關(guān)管的峰值電流：Im=3I1m=3*5.5*1.8731(A)                         選IGBT的電流定額為40A。3.2 無(wú)工頻變壓器的逆變器主電路設(shè)計(jì)3.2.1電路形式 我們

13、知道，無(wú)工頻變壓器的逆變電源實(shí)際上包含兩部分：一套DC/DC和一套SPWM逆變器。DC/DC的設(shè)計(jì)這里我們不討論。所以，這里只討論SPWM逆變主電路，其電路形式如圖3.2所示。   圖3.2 無(wú)工頻變壓器的逆變電源主回路 電源是與一套直流/直流變換器連接，取350V，各個(gè)管子分別為T(mén)r1,Tr3,Tr2,Tr4.電感、電容組成LC濾波電路。3.2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)1. 開(kāi)關(guān)管逆變器允許輸出峰值電流為               &

14、#160;    Im=3Iom=3*5.5A=16.5A                      所以開(kāi)關(guān)管的電流定額可以選為600V。我們可以選30A，600V，TO-247封裝的IGBT管。2. LC濾波電路L為工頻電感，電感量可選為12mH。為減小噪聲，選閉合鐵芯，C為工頻電容，可以選CBB61-10µF-250VAC。第4章

15、正弦波逆變器輸出變頻調(diào)制方式 當(dāng)載波為三角波或鋸齒波，調(diào)制波為正弦波時(shí)，不含相對(duì)于調(diào)制波的低次諧波。當(dāng)載波為三角波或鋸齒波時(shí)，基波的幅值和調(diào)制度M成正比，即是線性關(guān)系。當(dāng)載波為三角波時(shí)，輸出的脈寬調(diào)制波脈沖的上升沿和下降沿都被控制，稱(chēng)為雙邊調(diào)制，而像鋸齒波那樣只控制一個(gè)變化沿的控制方式稱(chēng)為單邊調(diào)制從包含的諧波來(lái)看，雙邊調(diào)制性能較好。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)以正弦波為調(diào)制波，以三角波為載波來(lái)輸出期望的正弦波，故應(yīng)采用正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)，即SPWM調(diào)制技術(shù)。 在正弦波逆變電源數(shù)字化控制方法中，目前國(guó)內(nèi)外研究得比較多的主要有數(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)

16、網(wǎng)絡(luò)控制等。本文所采用的是外環(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)通過(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個(gè)頻率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)。4.1 SPWM正弦脈寬調(diào)制方式 SPWM正弦脈寬調(diào)制可分為雙極性調(diào)制方式、單極性調(diào)制方式和單極性倍頻調(diào)制方式。4.1.1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(kāi)關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開(kāi)關(guān)頻率互補(bǔ)開(kāi)關(guān)，保證可以得到理想的正弦輸出電壓：另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開(kāi)關(guān)損耗。但又不是固定其中一個(gè)橋臂始終

17、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，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個(gè)橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對(duì)于選用同樣的功率管時(shí)，使其使用壽命均衡，對(duì)增加可靠性有利。4.1.2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(kāi)關(guān)損耗。4.1.3單極性倍頻調(diào)制方式 單極性倍頻調(diào)制方式的特點(diǎn)足輸出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(kāi)關(guān)管損耗與雙極性相同。 第5章 正弦波逆變器控制電路

18、5.1總控制電路 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)現(xiàn)。它們的電氣性能和成本有所不同，各有自己的優(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，我們這里用分立電路組成，如圖5.1所示 圖5.1 產(chǎn)生正弦波和三角波的方法有很多，如模擬法、數(shù)字法、數(shù)字模擬混合法等，其中我們采用模擬方法來(lái)得到需要的波形。 模擬方法：模擬方法多用線性積分電路產(chǎn)生三角波，用文氏橋振蕩器或RC振蕩器產(chǎn)生正弦波，然后經(jīng)過(guò)比例放大器控制其幅值 正弦波發(fā)生器和三角波發(fā)生器分別見(jiàn)下兩圖5.1.1、5.1.2。 圖5.1.1 正弦波發(fā)生器 C1=0

19、.08µ，R1=10k,C2=0.08µ,R2=1.8k,R3=1.8k,R6=180k,R4=1.6k,R5=1.6k圖5.1.2 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U1A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U2A去調(diào)制三角波，既可得到SPWM波形。U3A和U4A分別為正負(fù)值比較器，它們的輸出信號(hào)分別給U5A和U6A，從而將SPWM交替地分成兩路，各自放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管對(duì)，控制主回路完成SPWM逆變。需要注意的是，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)角位置上的兩只開(kāi)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。5.2 控制局部電路5.2.1放大電路設(shè)計(jì) 恒流源的JFET差分驅(qū)動(dòng)放大電路 因?yàn)樗O(shè)計(jì)的控制電路輸出的波形信號(hào)是比較微弱的。完全不能直接的驅(qū)動(dòng)IGBT的導(dǎo)通。所以我們必須要設(shè)計(jì)一個(gè)放大器來(lái)對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行放大在輸出的。其實(shí)放大器的選擇又很多種選法，在這里我采用的是FET差分式放大電路。 第6章 總結(jié)與心得 兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，也培養(yǎng)了我如