正弦波逆变器的设计

《正弦波逆变器的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《正弦波逆变器的设计（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第一章 概述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

2、集成电路的工艺技术,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

3、发既简单又具有优良动、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.第二章 设计总体思路2.1总体框架图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

4、，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.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。122局部电路2.2.1电压型逆变电路可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各 栅极信号为180正偏,180反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关 系不变。V3的基极信号只比V1落后q (

5、 0q 180), V3、V4的 栅极信号分别比V2、V1的前移180q, uo成为正负各为q的脉 冲，改变q即可调节输出电压有效值.拙bi图2。2.1电压型逆变电路电压型逆变电路的特点(1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动(2) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同(3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的 无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管.2.2.2电流型逆变电路直流电源为电流源的逆变电路电流型逆变电路。一般在直 流侧串联大电感,电流脉动很小，可近似看成直流电流源。交流侧 电容用于吸收换流时负载电感中存贮的能量。电流型逆变电路主要特点：(1)

6、 直流侧串大电感，相当于电流源。(2) 交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不 同而不同。(3) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并 联二极管。电流型逆变电路中,采用半控型器件的电路仍应用较多。换流 方式有负载换流、强迫换流.VT1VT4是桥式电路的4个臂，由电 力电子器件及辅助电路组成。VT1、VT4闭合，VT2、VT3断开时， 负载电压u为正VT1、VT4断开，VT2、VT3闭合时，u为负，把直oo流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电 频率。图2.2.2电流型逆变电路及其波形电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同阻感 负载时,i滞

7、后于u,波形也不同（图2。2.2b）。t1前:S、S4通,uo和io均为正.t1时刻断开S、S4，合上S2、S3, uo变负，但io不能立刻反向。 io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能 量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增 大。2。2.3 全桥正弦逆变器图 2。2.3 示出单相全桥逆变器的原理电路及波形。其中 H 桥 和滤波电路完成直流到交流的变换，滤去谐波，获得交流电；控 制电路完成对 H 桥中开关管的控制，并使输出交流电的电压、频 率和波形定。如图2。2。3所示，Vd是直流电压源，S1S4是4个IGBT 开关管，L和C是滤波电感和滤波电容，用

8、于滤除逆变系统中的高 次谐波。RL和RC是滤波电感和滤波电容的等效串联阻抗。z是负 载，负载可以是纯阻性也可以是非线性等。图2.2.3全桥逆变主电路对逆变器的控制主要包括对SPWM的控制(即H桥开关管开关 方式)和对SPWM脉宽的控制二部分。SPWM的控制方式可分为单极 性和双极性二种。在传统的单极性或双极性控制方式中,开关管均 工作在高频条件下，这样虽然可以得到较理想的正弦输出电压波 形，但也产生了较大的开关损耗,且频率越高,损耗越大。SPWM的生成原理及波形如图2。2.4所示。由于采用正弦波 调制波(Ussintsst)与三角波载波(幅值为Uc的正三角波，频率 为sc)相交来获得SPWM波

9、，因此，基波频率为调制波的频率，基 波幅值与调制比M(M=Us/Uc)成正比关系谐波含量少。正弦逆变 器常采用SPWM控制，利用调制波控制输出波形频率，调整M来控 制输出电压幅值。工作时,H桥中Sl、S4在前半周期内以图2中的 SPWM信号闭合，S2、S3断开；在后半周期内SI、S4断开，S2、 S3以SPWM信号闭合.故在整个周期内H桥输出波形如图l(b)所示。 这样，对该波形进行滤波，即可获得频率为ss。，幅值正比M与 调制比M的正弦交流电23正弦波输出变压变频电源调制方式2.3.1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压、 变频控制方法.目前采用较多的是正弦脉

10、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、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2.3。1 所示。图2。3.1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

11、双极性调制方式、单极性调制方式和 单极性倍频调制方式。图 2.3。 12.3.2 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。2。3.3 双极性调制方式双极性调制

12、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。2。3。4单极性倍频调制方式单极性倍频调制方式的特点足输出 SPWM 波的脉动频率是单极 性的两倍,4 个功率管都工作在较高频率（载波频率），因此，开关 管损耗与双极性相同。2。4 3种调制方式下逆变器输出电压谐波分析用MathcAD可推导出3种不同调制方式下逆变器输出电压各次谐波有效值与频率的关一 1 + 乂 2sin ( -71-纟”)只in L1+I 2tt） ；（ I ）2 1对单桩悝谀）制右式X-n(2A 二 1/V_4(? 3 对平 M 炷俗频洞制 疔瓦电4圧、2

13、 TT/ZAx)对单极性调制方式如上公式（2）对单极性倍频调制方式如上公式（3）式中:M为调制比;N为载波比；fO为正弦波输出变频变压电源的输出电压频率.控制电路采用r TMS320F240数宁信号处理器，主要任务是在 定时中断内完成变压变频控制。控制程序由主程序和一个定时中 断程序组成，主程序主要完成读取给定电压，过流判断，平均值 外环计算等功能定时中断程序完成采样输出电压，实时计算出下 个开关周期输出的脉宽。3种调制方式下逆变器输出电压未经滤波前，单极性调制方式 及双极性调制方式下逆变器输出电压谐波分量主要集巾在升关频 率及其倍频附近，且单极性调制方式下逆变器输出电压谐波分量 比双极性要小

14、.单极性倍频调制方式下输出电压的谐波分量主要 在 2 倍升关频率及 4 倍开关频率附近。选择 WPWM 逆变器的输出 L C 滤波器的转折频率为开关频率的 II0，LC 滤波器对开关频率及 其倍频附近的谐波具有明显的衰减作用。第三章 主电路设计3.1有工频变压器的逆变电源主电路设计3.1.1 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3。1所示。电源为180V285VDC，四个开关管分别为Trl,Tr3,Tr2,Tr4。图中，TrlTr4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

15、升压变压器，C2为输出滤 波电容,L%输出滤波电感。3。2参数设计32。2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的压降后，最低电压时为170V, 所以变压器的匝比n为n=N2/Nl=315V/170V 1。85电源输出功率也就是变压器的输出功率Po=1000W。设变压器的效 率 nr=95%,则原边效率Pl二Po/nr1060W。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/m2，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 (2 3) l.21.14 *10一(2+3)(山2+2)=1140伽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)N2=N1/n导线截面：副边S2=I2/j=5。5/31.8 (mm2)，选1。