逆变器的设计(共12页)

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1、 1 引言引言 电力系统变电站和调度所的继电保护和综合自动化管理设备有的是单相交流供电的，其中有一部分是不能长时间停电的。普通 UPS 设备因受内置蓄电池容量的限制，供电时间比较有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比较大，所以需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。 电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR） 、可关断晶闸管（GTO） 、晶体管（BJT） 、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT 具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集

2、成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。 IGBT 最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管 IGBT 模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。 随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良

3、动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。 在现有的正弦波输出变压变频电源产品中， 为了得到 SPWM 波， 一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的 4 个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大1。本文针对正弦波输出变压变频电源SPWM 调制方式及数字化控制策略进行了研究， 以 TMS320F240 数字信号处理器为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变频输出。 2 1 正弦波逆变器的设计要求和主电路形式 电力系统变电站和调度所的继电保护和综合自动化管理设备有的是单相交流供电的，其中有一部分

4、是不能长时间停电的。普通 UPS 设备因受内置蓄电池容量的限制，供电时间比较有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比较大，所以需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。 逆变电源的工作原理与 UPS 有以下两点区别： 1）逆变电源不需要与交流电网锁相同步，因为其负载可以瞬间停电（几秒以内） 。 2） 逆变电源的输入直流电压为 180285V， 而 UPS 内置电池电压为 12V 或 24V。1 1.1 逆变电源的设计要求和目标 1）输出电压：输出为单相 220VAC（有效值） ，频率为 50Hz 1Hz。 2）输出功率：以 1KW 为例，允许过载 20%，既 Pomax=1200W。 3）

5、输出电流：允许失真度为 3 倍，既在电压峰值时的电流峰值允许最大为有效值的3 倍。最大有效值为 Pomax/Voe=1200W/220V5.5A。 4）整机效率：设计目标 82%。 1.2 主电路形式选择 这种正弦波输出逆变器的输入电压变化范围较宽，为 180285V，而其输出则要求是稳压的。因此，该逆变电源的逆变电路必须有一个升压的过程。这种逆变电源的主回路形式有下述两种。 1.2.1 有工频变压器的逆变电源 桥式逆变电路以 SPWM 方式工作，将 185285VDC 电压逆变成有效值基本不变的SPWM 波形，由工频变压器升压得到 220V 交流电压。 这种电路方式效率比较高（可达 90%以

6、上） 、可靠性较高、抗输出短路的能力较强。但是，它响应速度较慢，波形畸变较重，带非线性负载的能力较差，而且噪声大。 1.2.2 无工频变压器的逆变电源 逆变电路以 PWM 方式首先将 185285VDC 电压逆变成高频方波，经高频升压变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的直流电压，比如 350VDC。这部分电路实际上是一套直流/直流变换器，既 DC/DC 或 DC-DC。然后，在由另一套逆变器以 SPWM 方式工作，将稳定的直流电压逆变成有效值稍大于 220V 的 SPWM 电压波形，经 LC 滤波后，就可以3 得到有效值为 220V 的 50Hz 交流电压。 2 有工频变压器的逆变电源主电路设

7、计 2.1 电路形式 有工频变压器的逆变电源主回路基本工作过程可以理解， 可以把它设计成以 IGBT 为 开关管的桥式逆变电路形式，如图（2-1）所示。 图（2-1）有工频变压器的逆变电源主回路 电源为 180V285VDC，四个开关管分别为 Tr1,Tr3,Tr2,Tr4. 图中，Tr1Tr4 为 IGBT 开关管，C1 为串联耦合（去耦）电容，防止变压器因单相偏磁而饱和，T 为隔离升压变压器，C2 为输出滤波电容，L 为输出滤波电感。 2.2 参数设计 2.2.1 逆变变压器 变压器输出 220VAC 的峰值为 311V，考虑到变压器副边绕组电压峰值设为 315V，原边在考虑去耦电容 C1

8、 的压降后，最低电压时为 170V，所以变压器的匝比 n 为 n=N2/N1=315V/170V1.85 （2-1） 电源输出功率也就是变压器的输出功率 Po=1200W。设变压器的效率r=95%，则原边效率 P1=Po/r1260W。 因为变压器是变换 SPWM 电压波形，其基波（50Hz）的成分相当大，所以我们可以选择 400Hz 的硅钢 C 型铁芯，其 Ke=0.9,Bm=1.2T,Kc 可选为 0.3，j=3A/mm =3*10( * )A/m4 ，所以铁芯面积乘积为 AeAc= 1200(1+0.95) 0.95*4.44*50*0.9*0.3*3*10( * )*1.2 1.14*

9、10( + )(m + )=1140cm( + ) （2-2） 可以选取 CD 型 400Hz 硅钢铁芯。 查出截面积 Ae， 求出有效面积 Se=Ae*Ke， 然后就可以由下面的两个公式先求出原边匝数，再求出副边匝数。 N1=V1max/(KfSeBm) （2-3） N2=N1/n （2-4） 导线截面：副边 S2=I2/j=5.5/31.8(mm),选 1.2mm 漆包线两股并绕； 原边 S1=I1/j=Ni2/J=1.87*5.5/33.43(mm),1.2mm 漆包线三股并绕。 2.2.2 开关管 最高电压为 285V，所以开关管的耐压可选为 600V。开关管的峰值电流： Im=3I1

10、m=3*5.5*1.8731(A) （2-5） 选 IGBT 的电流定额为 40A。 所以，我们可以选用三星公司的 SGH80N60VFD、IR 公司的 IRGPC50VD2、 HARRIS公司的 HGTIY40N60B3D、IXYS 公司的 IXGH50N60AVI 等，封装形式都是 TO-247。 3 无工频变压器的逆变器主电路设计 3.1 电路形式 我们知道，无工频变压器的逆变电源实际上包含两部分：一套 DC/DC 和一套 SPWM逆变器。DC/DC 的设计这里我们不讨论。所以，这里只讨论 SJPWM 逆变主电路，其电路形式如图（3-1）所示。 5 图（3-1）单相 SPWM 逆变主电路

11、 电源 350V，各个管子分别为 Tr1,Tr3,Tr2,Tr4. 3.2 参数设计 3.2.1 开关管 逆变器允许输出峰值电流为 Im=3Iom=3*5.5A=16.5A （3-1） 所以开关管的电流定额可以选为 600V。 我们可以选 30A， 600V， TO-247 封装的 IGBT管，如三星公司的 SGH30N60VFD、 IR 公司的 IRGPC50KD2 、HARRIS 公司的HGTG27N60C3DR、IXYS 公司的 IXSH30N60AVI 等。 3.2.2 LC 滤波 L 为工频电感，电感量可选为 12mH。为减小噪声，选闭合铁芯，如 OD 型硅钢铁芯（400Hz）或铁粉

12、芯铁芯。 C 为工频电容，可以选 CBB61-10F-250VAC。 4 逆变控制电路的设计 逆变电源控制电路的核心是 SPWM 发生器。SPWM 的实现包括分立电路、集成芯片和单片机实现。它们的电气性能和成本有所不同，各有自己的优势和不足之处。 逆变电源 SPWM 电路的调制频率固定为 50Hz 不变，为了降低成本，我们这里用分立电路组成，如图（4-1）所示。 6 图（4-1）单相 SPWM 逆变电源控制电路 放大第一路 Tr1,Tr4 输出，第二路 Tr2,Tr3 输出 IC3 输出正值比较 IC4 输出负值比较 图中，正弦波发生器和三角波发生器分别见下两图（4-2） 、 （4-3） 。

13、图（4-2）正弦波发生器 IC1，IC2 ，C1=0.08，R1=10k,C2=0.08,R2=1.8k,R3=1.8k,R6=180k,R4=1.6k,R5=1.6k 正弦波发生器 三角波发生器 放大 放大 7 图（4-3）三角波发生器 C1=0.2,C2=1,R1=100k,R2=22k,R3=10k,Rf=1M,R4=10k. 以标准的正弦波信号为参考，将输出电压的反馈信号与之相比较，经由 IC1 及其外围电路组成的 PI 型误差放大器调节后得到一个控制信号，送到 IC2 去调制三角波，既可得到 SPWM 波形。IC3 和 IC4 分别为正负值比较器，它们的输出信号分别 IC5 和 IC

14、6，从而将 SPWM 交替地分成两路，各自放大后驱动相应的开关管对，控制主回路完成 SPWM 逆变。需要注意的是，驱动电路要将每一路信号分成相互隔离的两路，分别驱动处于对角位置上的两只开关管。 以上控制电路的特点是不仅能控制正弦波输出的有效值，还能调节输出电压的瞬时值，优化波形，减小谐波失真，提高带负载能力。2 5 正弦波输出变压变频电源调制方式 5.1 正弦脉宽调制技术 随着逆变器控制技水的发展电压型逆变器出现了多种的变压、变频控制方法。目前 采用较多的是正弦脉宽调制技术即 sPwM 控制技术。 在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目前国内外研究得比较多的主要有数字 PID 控制、无差拍控制、

15、双环反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等。本文所采用的是外环为平均值环、内环为瞬时值环的双环控制策略。内环通过瞬时值控制获得快速的动态性能，保证变压变频电源输出电压畸变率较低，外环使得变压变频Uot 8 电源在各个频率段的输出电压具有较高的精度， 并使用 DSPTMS320F240 全数字的控制实现。 单相全桥式电压型 SPWM 逆变器电路拓扑结构图如图（5-1）所示。图 2 中 S1S4 的通断由正弦脉宽调制产生的信号来控制。 SPWM 正弦脉宽调制可分为双极性调制方式、单极性调制方式和单极性倍频调制方式。 5.1.1 单极性调制方式 单极性调制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。但又不是固定其中一个桥臂始终为低频(输出基频)，另一个桥臂始终为高频载波频率)，而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。 5.1.2 双极性调制方式 双极性调制方式的特点是 4 个功率管都工作在较高频率(载波频率)，虽然能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。 图（5-1）主电