電氣工程課程設(shè)計(jì)-正弦波逆變器設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì)</p><p>　　2012年 7 月 18 日</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　課程 電氣工程課程設(shè)計(jì) </p><p>　　題

2、目 正弦波逆變器設(shè)計(jì) </p><p>　　專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 姓名 學(xué)號 </p><p><b>　　主要內(nèi)容：</b></p><p>　　了解正弦波逆變器的重要性，及其在單極

3、性、雙極性和單極性倍頻調(diào)制方式下所產(chǎn)生的不同作用，并在有工頻和無工頻變壓器的逆變電源下，進(jìn)行正弦波逆變器設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　　了解開關(guān)管逆變器允許輸出的峰值，電流的額定值可選為30A，600V，TO—274封裝的IGBT管及LC濾波的含義及功能。</p><p><b>　　參考資

4、料：</b></p><p>　　[1] 李梅.電工基礎(chǔ) [M] ．北京：中國電力出版社，2004．</p><p>　　[2] 何仰贊，溫增銀．電力系統(tǒng)分析 [M] ．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004．</p><p>　　[3] 張桂香．機(jī)電類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指南 [M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．</p><p>　　

5、[4] 朱成.全面理解理論聯(lián)系實(shí)際 [J]. 社會(huì)科學(xué), 1983. </p><p>　　[5] 郭瑞.異步電動(dòng)機(jī)自適應(yīng)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 [D]遼寧工程技術(shù)大學(xué), </p><p><b>　　2000 . </b></p><p>　　完成期限 2012.7.10至2012.7.18 </p><p>　　指

6、導(dǎo)教師 </p><p>　　專業(yè)負(fù)責(zé)人 </p><p>　　2012年 7 月 9 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1設(shè)計(jì)要求1</b></p><p&g

7、t;　　2正弦波逆變器的設(shè)計(jì)要求和主電路形式1</p><p>　　2.1逆變電源的設(shè)計(jì)和目標(biāo)2</p><p>　　2.2主電路形式選擇2</p><p>　　2.3有工頻變壓器的逆變電源2</p><p>　　2.4 無工頻變壓器的逆變電源2</p><p>　　3有工頻變壓器的逆變器主電路設(shè)計(jì)2<

8、;/p><p><b>　　3.1電路形式2</b></p><p><b>　　3.2參數(shù)設(shè)計(jì)3</b></p><p>　　4無工頻變壓器的逆變器主電路設(shè)計(jì)4</p><p><b>　　4.1電路形式4</b></p><p>　　4.2參數(shù)設(shè)

9、計(jì)5 </p><p>　　5逆變控制電路的設(shè)計(jì)5</p><p>　　6正弦波輸出變壓變頻電源調(diào)制方式7</p><p>　　6.1正弦脈寬調(diào)制技術(shù)7</p><p>　　6.2 三種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分析8</p><p><b>　　7結(jié)論9</b></p>

10、<p><b>　　參考文獻(xiàn)11</b></p><p><b>　　1設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　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

11、變電源將直流電逆變成單相交流電。</p><p>　　電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管（SCR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、晶體管（BGT）、絕緣柵晶體管（IGBT）等階段。目前正向著大容量、高頻率、易驅(qū)動(dòng)、低損耗、模塊化、復(fù)合化方向發(fā)展，與其他電力電子器件相比，IGBT具有高可靠性、驅(qū)動(dòng)簡單、保護(hù)容易、不用緩沖電路和開關(guān)頻率高等特點(diǎn)，為了達(dá)到這些高性能，采用了許多用于集成電路的工藝技術(shù)。</p>&l

12、t;p>　　IGBT最大的優(yōu)點(diǎn)是無論在導(dǎo)通狀態(tài)還是短路狀態(tài)都可以承受電流沖擊。它的并聯(lián)不成問題，由于它本身的關(guān)斷延遲很短，其串聯(lián)也容易。盡管IGBT模塊在大功率應(yīng)用中非常廣泛，但其有限的負(fù)載循環(huán)次數(shù)使其可靠性成了問題，其主要失效機(jī)理是陰極引線焊點(diǎn)開路和焊點(diǎn)較低的疲勞強(qiáng)度，另外，絕緣材料的缺陷也是一個(gè)問題。</p><p>　　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，在此同時(shí)

13、對變壓變頻電源的輸出電壓波形質(zhì)量也提出了較高的要求。對逆變器輸出波形質(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，開發(fā)既簡單又具有優(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)域的研究特點(diǎn)之一。</p><p>　　在現(xiàn)有的正弦波輸出變壓變頻電源產(chǎn)品中，為了達(dá)到SPWM波，一般都采用雙極性調(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)生了較大的開關(guān)損耗，

14、開關(guān)頻率越高損耗越大。本文針對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YMS320F240數(shù)字信號處理器為主控芯片，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。</p><p>　　2正弦波逆變器的設(shè)計(jì)要求和主電路形式</p><p>　　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時(shí)間停電的。普通

15、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。</p><p>　　逆變電源的工作原理與UPS有以下兩點(diǎn)區(qū)別：</p><p>　　(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。</p><p>　　(2) 逆變電源的輸入直流電壓為180~285V，

16、而UPS內(nèi)置電池電壓為12V或24V。</p><p>　　2.1逆變電源的設(shè)計(jì)和目標(biāo) </p><p>　　(1) 輸出電壓：輸出為單相220VAC（有效值），頻率為50Hz±1Hz。</p><p>　　(2) 輸出功率：以1KW為例，允許過載20％，即Pomax=1200W</p><p>　　(3) 輸出電流：允許失真度為

17、3倍，即在電壓峰值時(shí)的電流峰值允許最大為有效值的3倍，最大有效值為Pomax/Voe=1200W/220V≈5.5A。</p><p>　　(4) 整機(jī)效率：設(shè)計(jì)目標(biāo)η≥82%</p><p>　　2.2主電路形式選擇</p><p>　　這種正弦波輸出逆變器的輸入電壓變化范圍較寬，為185～285V,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

18、的過程。這種逆變電源的主回路形式有下述兩種。</p><p>　　2.3有工頻變壓器的逆變電源</p><p>　　橋式逆變電路以SPWM方式工作，將185～285VDC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。</p><p>　　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

19、線性負(fù)載的能力較差，而且噪聲大。</p><p>　　2.4無工頻變壓器的逆變電源</p><p>　　逆變電路以PWM方式首先將185～285VDC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DC—DC。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

20、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。</p><p>　　3有工頻變壓器的逆變電源主電路形式</p><p><b>　　3.1電路形式</b></p><p>　　有工頻變壓器的逆變電源主回路基本工作工作過程可以理解，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。</p>

21、<p>　　圖1有工頻變壓器的逆變電源主回路</p><p>　　電源為180V～285VDC，四個(gè)開關(guān)管分別為Tr1、Tr3、Tr2、Tr4.</p><p>　　圖中，Tr1～Tr4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。</p><p><b>　　3.

22、2參數(shù)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.2.1逆變變壓器</p><p>　　變壓器輸出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</p><p>　　n=N2/N1=315V/170V=1.85</p><p>　　電源

23、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ηr=95%，則原邊效率P1=Po/ηr≈1260W。</p><p>　　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</p><p>　　可選取CD型400Hz硅鋼鐵芯查出截面積Ae，求出有效面積Se=Ae

24、5;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)。</p><p>　　N1=V1max/(KfSeBm)</p><p><b>　　N2=N1/n</b></p><p>　　導(dǎo)線截面：副邊S2=I2/j=5.5/3≈1.8(mm²),選Φ1.2mm漆包線兩股并繞；原邊S1=I1/j=Ni2/J=1.87

25、15;5.5/3≈3.43(mm²),Φ1.2mm漆包線三股并繞。</p><p><b>　　3.2.2開關(guān)管</b></p><p>　　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：</p><p>　　Im=3I1m=3×5.5×1.87≈31(A)</p><p

26、>　　4無工頻變壓器的逆變器主電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1電路形式</b></p><p>　　我們知道，無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，其電路形式如圖2所示。</p><p>　　圖2單相SPWM逆變主電路</p><p

27、>　　電源350V，各個(gè)管子分別為Tr1、Tr3、Tr2、Tr4。</p><p><b>　　4.2參數(shù)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.2.1開關(guān)管</b></p><p>　　逆變器允許輸出峰值為Im=3Iom=3×5.5A=16.5A</p><p>　　所以開關(guān)

28、管的電流定額可以選為600V。我們可以選30A，600V，TO—274封裝的IGBT管。</p><p>　　4.2.2 LC濾波</p><p>　　L為工頻電感，電感量可選為1～2mH，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。</p><p>　　5逆變控制電路的設(shè)計(jì)&

29、lt;/p><p>　　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)。它們的電器性能和成本有所不同，各有各的優(yōu)勢和不足之處。</p><p>　　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。</p><p>　　圖3單相SPWM逆變電源控制電路</p><

30、;p>　　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</p><p><b>　　圖4正弦波發(fā)生器</b></p><p><b>　　圖5三角波發(fā)生器</b></p><p>　　以標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號為參考，將輸出電壓的反

31、饋信號與之相比較，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，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，他們的輸出信號分別為IC5和IC6，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分成相互隔離的兩路，分別驅(qū)動(dòng)處于對角位置上的兩個(gè)開關(guān)管。</p><p>　　以上控制電路的

32、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。</p><p>　　6正弦波輸出變壓變頻電源調(diào)制方式</p><p>　　6.1正弦脈寬調(diào)制技術(shù)</p><p>　　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)。</p>&

33、lt;p>　　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。</p><p>　　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，2

34、N—1次以下諧波得到有效的抑制，輸出電流接近正弦波。</p><p>　　在正弦波逆變電源數(shù)字化控制方法中，目前國內(nèi)外主要研究的有數(shù)字PID控制、無差拍控制、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)頻率階段的輸出電壓具有較高的精度

35、，并使用DSPTMS320F240全數(shù)字的控制實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　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S1～S4的通斷由正弦脈寬調(diào)制產(chǎn)生的信號來控制。</p><p>　　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。</p><p><b>　　圖6主電路拓?fù)鋱D</b></p&

36、gt;<p>　　6.1.1單極性調(diào)制方式</p><p>　　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，而在后

37、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。對于選用同樣的工作管時(shí)，使其使用壽命均衡，對增加可靠性有利。</p><p>　　6.1.2雙極性調(diào)制方式</p><p>　　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。</p><p>　　6.1.3 單極性倍率調(diào)制方式&l

38、t;/p><p>　　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。</p><p>　　6.2 三種調(diào)制方式下逆變器輸出電壓諧波分析</p><p>　　6.2.1 單極性調(diào)制方式公式如下 </p><p>　　6.2.2 雙極性調(diào)制方式公式如下</

39、p><p>　　6.2.3單極性倍頻調(diào)制方式公式如下</p><p>　　控制電路采用r TMS320F240數(shù)字信號處理器，主要任務(wù)是在定時(shí)中斷內(nèi)完成變壓變頻控制。控制程序由主程序和一個(gè)定時(shí)中斷程序，主程序主要完成讀取給定電壓，過流判斷，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。</p><p>　　三種調(diào)制方式下逆變器輸出

40、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倍開關(guān)頻率附近。選擇SPWM逆變器的輸出LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為開關(guān)頻率的I/IO,LC濾波器對開關(guān)頻率及其倍頻附近的諧波具有明顯的衰減作用。</p><p><b>　　7結(jié)論</b&

41、gt;</p><p>　　10年前，IGBT出現(xiàn)在世界技術(shù)舞臺(tái)的時(shí)候，盡管它凝聚了高電壓大電流晶閘管制造技術(shù)和大規(guī)模集成電路微細(xì)加工手段二者的精華，表現(xiàn)出很好的綜合性能，許多人仍難以相信這種器件在大功率領(lǐng)域中的生命力。現(xiàn)在，跨世紀(jì)的IGBT顯示了巨大的進(jìn)展，形成了一個(gè)新的器件應(yīng)用平臺(tái)。</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)對正弦波輸出變頻變壓電源的不同調(diào)制方式進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，在輸出電

42、壓要求的頻率范圍內(nèi)，無論是變壓變頻電源輸出電壓的THD仿真結(jié)果，還是實(shí)際輸出電壓的THD實(shí)測數(shù)據(jù)（包括開環(huán)、閉環(huán)），單極性調(diào)制方式下正弦波輸出變壓變頻電源輸出電壓的THD值比其它兩種調(diào)制方式??；而且單極性調(diào)制方式下功率管的損耗小于其它兩種調(diào)制方式，因此，對正弦波輸出變頻變壓電源來說，單極性調(diào)制方式無論無論輸出電壓波形的質(zhì)量還是開關(guān)損耗，都優(yōu)于其它兩種調(diào)制方式。正弦波逆變器在日常生產(chǎn)生活中，起到相當(dāng)大的作用，它完全實(shí)現(xiàn)具體電路的應(yīng)用，在未

43、來還有廣闊的發(fā)展空間。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 李梅.電工基礎(chǔ) [M] ．北京：中國電力出版社，2004．</p><p>　　[2] 何仰贊，溫增銀．電力系統(tǒng)分析 [M] ．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004．</p><p>　　[3] 張桂香．機(jī)電類專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指南

44、 [M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．</p><p>　　[4] 朱成.全面理解理論聯(lián)系實(shí)際 [J]. 社會(huì)科學(xué), 1983. </p><p>　　[5] 郭瑞.異步電動(dòng)機(jī)自適應(yīng)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 [D]遼寧工程技術(shù)大學(xué), </p><p><b>　　2000 . </b></p><p>　　[6]

45、李友善.自動(dòng)控制原理（第3版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.</p><p>　　[7] 周勵(lì)志.實(shí)用電工計(jì)算手冊[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1993.</p><p>　　[8] 呂繼紹，繼電保護(hù)整定計(jì)算與實(shí)驗(yàn) [M].武漢：華中工學(xué)院出版社，1983.</p><p>　　[9] 王維儉，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)基本原理 [M].北京：清華大學(xué)出版社，1