3KVA逆变器设计

直流逆变器设计1 概论所谓的SPWM 波形就是与正弦波形等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形如图1 所示，等效的原则是每一区间的面积相等逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，GTO 等的发展和PWM 的控制技术的日趋完善，使SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用。

PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM 控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM 法），磁链追踪型PWM 法和电流跟踪型PWM 法，其中利用SPWM 控制技术做成的SPWM 逆变器具有以下主要特点：（1）逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。

（2）可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，低次谐波减少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲的大大减少，扩大调速范围，提高系统性能。

（3）组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构，由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关。

1.1 SPWM 逆变器原理1.1.1 SPWM 波形所谓的SPWM 波形就是与正弦波形等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形如图1-1 所示，等效的原则是每一区间的面积相等。

如图把一个正弦波分作几等分（如图1-1a 中，n=12）然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替。

t ωt ω图1-1 与正弦波等效的等幅不等宽矩形脉冲序列波矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合（如图1-1b ），这样由几个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，称作SPWM 波形。

同样，正弦波的负半周也用同样的方法与一系列负脉冲波等效。

图1-2为SPWM 滤波线为等效正弦波UmSin ω1t,SPWM 脉冲序列波的幅值为Us/2,各脉冲不等宽，但中心间距相同为π/n ，n 为正弦波半个周期内的脉冲数，令第i 个矩形脉冲宽度为δi , 其中心点相位角为θi ，则根据面积相等的等效原则，可分成)(sin )2/(12/2/t td U U i i m s i ωωδπθπθ+-⎰=)]2cos()2[cos(nn U i i m πθπθ+--=imnUθπsin 2sin2=当n 值较大时：nn22sinππ≈si m nUU /sin 2θπδ≈∴这就是说，第i 个脉冲的宽度与该处正弦波值近似成正比，因此半个周期正弦波的SPWM 波是两侧窄，中间宽，脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。

图1-2 单相式SPWM 电压波形1.1.2 SPWM 调制及逆变桥工作原理今以SPWM 三相逆变桥为例进行说明，SPWM 三相逆变器主电路由六个全控式功率t U m 1sin ωUs/2t 1ω开关器件构成三相逆变桥，它们各有一个继流二极管反并联结，整个逆变器由三相不可控整流器提供电压为Us的直流电压。

图1-3 为单极式脉宽调制波的形式图。

a 图中Ut 为等腰三角形的载波，Ura 及Ura’为正弦调制波，调制波和载波的交点决定了SPWM 脉冲序列的宽度和脉冲间的间隔宽度，如图b 所示，当A 相的Ura＞Ut 时，VT1 导通，输出正弦脉冲电压Us/2，当Ura＜Ut 时，VT1 关断Uda=0,在Ura 负半周，用同样方法控制VT4，输出负的脉冲电压序列，改变调制波频率时，输出电压基波频率随之改变，降低调制波幅值时如Ura，各段脉冲的宽度变窄，输出电压基波幅值减少。

这种SPWM 每相只有一个开关器件反复通断，称单极性SPWM 波形。

若有同一桥臂上下两个开关交替地导通与关断，则输出脉冲在“+”和“－”之间变化，这样得到双极式的SPWM 波形，如图4 所示，其调制方法与单极式相似，只是输出脉冲电压的极性不同，当Ura＞Ut 时，VT1 导通VT4 关断，Uao=+Us/2；当Urs＜Ut 时VT1 关断，VT4 导通，输出相电压Uao=-Us/2,同理VT3 和VT6，VT3 和VT5 交替导通得到UAO，UCO 如图c 和d 所示，UAB=UAO-UBO，可得逆变器输出的线电压波形UAB=f(t)如e 所示。

图1-3三相双极式SPWM波形1.2 SPWM 波形的分析对负载(交流异步电机)来说，有用的是电压的基波，希望SPWM 波形中基波成分越大越好，通过对SPWM 脉冲序列波U (t)展开成付利叶极数分析可知，输出基波电压幅值Um 与δi 有着直接的关系，它说明调节调制波幅值从而改变各个脉冲宽度时，可使逆变器输出电压基波幅值平滑调节。

SPWM 逆变器输出脉冲序列波的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波，当然这必须是在满足n 不太小近似条件下得到的。

但SPWM 逆变器输出相电压的基波幅值有常规六拍阶梯波的86%～90%，为弥补这一不足，常在SPWM 逆变器的直流回路中并联相当大的滤波电容，以提高逆变器的直流电压Us.由以上分析可知n 越大即功率开关器件半周内要开关n 次，脉冲数n=N/2，其中N 为载波比，即：N=ft/fr=载波频率/参考调制波频率即希望N 越大越好。

但从功率开关器件本身的允许开关频率来看，N 不能太大：N ≤功率开关器件的允许开关频率/最高的正弦调制信号频率上式中分母实际上就是SPWM 变频器的最高输出频率。

现常用功率开关频率如下：BJT（1～5 kHz）GTO(1～2 kHz)MOSFET（50 kHz）IGBT（20 kHz）随着全控型快速半导体器件性能价格比的提高和PWM 技术的日渐完善和新技术新工艺新材料的使用，SPWM 技术将在电气传动及电力系统中得到更广泛的运用。

2 电路原理及设计2.1 主电路逆变电源采用图2-1所示主电路。

开关管T1~T4是IGBT，其规格为50A/600v。

电感L1是4个IGBT的开通缓冲电路，它还能够抑制二极管反向恢复时间引起的短路电流；关断缓冲由电阻R、电容C和二极管D并联网络组成；C2折算到变压器TM1的原边后与L2一起构成交流输出滤波电路；变压器用作电路隔离和升压。

系统的开机、关机控制是利用开关3S来实现的。

其中开关的两个触头用于切除或置入充电电阻R0，一个触头用于启动或关闭控制系统。

J是开关3S的欠电压脱扣线圈，当J 的电压低于其规定值时，开关脱开；如果输入电源断电，欠点啊脱扣会使得开关脱开，保证了启动时充电电阻R0的置入。

图2-1单相逆变器主电路原理图2.2控制系统该装置采用了一种数模结合的SPWM控制电路，其框图如图2所示，它由数字分频电路、三角波形成电路、调节器、标准正弦波控制电路及PWM形成电路等组成。

系统的电压调节是为了稳定电压，电流调节是为了限制输出电流。

电源的正弦输出畸变率小于5%，要求不是太高，逆变器的输出功率1kW也不大。

因此，系统仅采用电压平均值闭环控制，稳定输出电压，对输出波形采用开环控制，即直接将幅值受控的标准正弦波和三角波比较。

下面分析各环节的实现电路，逐步了解装置的组成。

图2-2 SPWM控制电路框图2.2.1数字分频电路图2-3是数字分频电路，Y是石英晶体振荡器，它有稳定的震荡频率，频率稳定度可以达到万分之一。

该电路选用震荡频率1.8432MHz的晶振，它和R1、C1、C2组成频率信号产生的电路，得到1.8432MHz频率信号，再经过数字电路CD4017、CD4040处理，输出两路频率信号。

CD4017是十进制计数器，第7脚的Q3计数端引至第15脚的复位端可以实现3分频。

CD4040是串行二进制计数器，9脚Q1可以得到2分频，2脚的Q6可以得到2的6次方既64分频。

1.8432MHz的频率，分频后三角波频率为9.6kHz，标准正弦的扫描频率为102.3kHz。

图2-3 数字分频电路2.2.2 标准正弦波形成电路标准正弦波的长生是利用数字电路实现的，电路原理如图2-4所示。

在EPROM中存放的数据（十六进制）是这样得到的；将一个周期的单位正弦波分成N等份，每一点的数据在计算机上事先离散计算好在存放进去。

由于写入的数据只能是正值，单位正弦波是和图4中Uref的波形一致，幅值为1的正弦波。

本例中将一个周期的正弦波分成N=2048份。

正弦扫描频率引入数字电路CD4040，CD4040的输出是一组地址扫描信号送到EPROM的地址线上，EPROM2732中存放的数据便依次送到D/A转换器DAC0832，DAC0832将这些数据转换成断续的模拟信号，经过一个小电容C1（0.1uf以内）滤波，得到连续模拟信号Uref，峰峰值由IO1端引入的给定电压Uc决定，电路中Uc来自调节器的输出。

经运图2-4 标准正弦波形成电路放LF365处理，可以获得正负对称、幅值为Uc 的标准正弦波SINE 。

要产生的标准正弦波的频率f1=50Hz ，那么扫描频率应该为：kHz Hz N f f h 4.1022048501=⨯=⨯=，和前面分频电路得到的频率一致。

正弦波的频率由稳定度相当高的晶振分频得到，故正弦波的波形畸变率很低；正弦波的幅值受控于给定电压。

因此，该电路是一个高精度的正弦发生器。

上述电路具有通用性，对一个已经写好数据的EPROM ，若改变正弦扫描频率，可以改变标准正弦波频率；若改变EPROM 中的数据，可实现不同的PWM 调制策略，如梯形波调制，注入特定次谐波；若再增加两套电路，在3个EPROM 中存放相位互差120°的数据，就可实现三相SPWM 控制。

2.2.3三角波形成电路分频电路提供了三角波频率信号，即为9.6kHz 的脉冲信号，应用隔直、比例和积分电路即可得到幅值适当，正负对称的三角波，其频率为9.6kHz 。

2.2.4 SPWM 形成电路本装置SPWM 形成电路如图2-5所示，正弦波信号SINE 和三角载波信号TR 来自前级电路；TL084是运算放大器，一TR 由它接成的反向器得到。

电路中大量使用了芯片LM311，它是DIP8封装的快速电压比较器，不仅可以作为比较器，还可以利用他的特点做脉冲封锁。

下面介绍它的应用：8脚、4脚分别接芯片电源的正、负端；2脚、3脚分别是同向、反向输入；1脚是低电平设定（可接电源负或地），它的电压值决定了LM311输 出的低电平值；7脚为输出端，逻辑判断为“高电平”时，集电极开路（OC 门特性），因此，7脚必须有上拉电阻同正电源连接，否则，没有高电平输出，图中的R1、R2、R3、 R4等都是上拉电阻；5、6脚用来调节输入平衡（可不用），6脚还可以用作选通，如果LM311 的6脚接低电平。