电气工程课程设计-正弦波逆变器设计

电气工程课程设计-正弦波逆变器设计东北石油大学课程设计2012年7 月18 日东北石油大学课程设计任务书课程电气工程课程设计题目正弦波逆变器设计专业电气工程及其自动化姓名学号主要内容：了解正弦波逆变器的重要性，及其在单极性、双极性和单极性倍频调制方式下所产生的不同作用，并在有工频和无工频变压器的逆变电源下，进行正弦波逆变器设计。

基本要求：了解开关管逆变器允许输出的峰值，电流的额定值可选为30A，600V，TO—274封装的IGBT管及LC滤波的含义及功能。

参考资料：[1] 李梅.电工基础[M] ．北京：中国电力出版社，2004．[2] 何仰赞，温增银．电力系统分析[M] ．武汉：华中科技大学出版社，2004．[3] 张桂香．机电类专业毕业设计指南[M] ．北京：机械工业出版社，2005．[4] 朱成.全面理解理论联系实际[J]. 社会科学, 1983.[5] 郭瑞.异步电动机自适应矢量控制系统的设计与仿真[D]辽宁工程技术大学,2000 .完成期限2012.7.10至2012.7.18指导教师专业负责人2012年7 月9 日目录1设计要求 (1)2正弦波逆变器的设计要求和主电路形式 (1)2.1逆变电源的设计和目标 (2)2.2主电路形式选择 (2)2.3有工频变压器的逆变电源 (2)2.4 无工频变压器的逆变电源 (2)3有工频变压器的逆变器主电路设计 (2)3.1电路形式 (2)3.2参数设计 (3)4无工频变压器的逆变器主电路设计 (4)4.1电路形式 (4)4.2参数设计 (5)5逆变控制电路的设计 (5)6正弦波输出变压变频电源调制方式 (7)6.1正弦脉宽调制技术 (7)6.2 三种调制方式下逆变器输出电压谐波分析 (8)7结论 (9)参考文献 (11)1设计要求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（BGT）、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，采用了许多用于集成电路的工艺技术。

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，由于它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，在此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了较高的要求。

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，开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特点之一。

在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了达到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。

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YMS320F240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。

(2) 逆变电源的输入直流电压为180~285V，而UPS内置电池电压为12V或24V。

2.1逆变电源的设计和目标(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％，即Pomax=1200W(3) 输出电流：允许失真度为3倍，即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/220V≈5.5A。

(4) 整机效率：设计目标η≥82%2.2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185～285V,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。

2.3有工频变压器的逆变电源桥式逆变电路以SPWM方式工作，将185～285VDC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。

2.4无工频变压器的逆变电源逆变电路以PWM方式首先将185～285VDC电压逆变成高压波，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，再由另一套逆变器以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，就可以得到有效值为220V的50Hz交流电压。

3有工频变压器的逆变电源主电路形式3.1电路形式有工频变压器的逆变电源主回路基本工作工作过程可以理解，可以把它设计成以IGBT为开关的桥式逆变电路形式，如图1所示。

图1有工频变压器的逆变电源主回路电源为180V～285VDC，四个开关管分别为Tr1、Tr3、Tr2、Tr4.图中，Tr1～Tr4为IGBT开关管，C1为串联耦合电容，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。

3.2参数设计3.2.1逆变变压器变压器输出220V AC得到峰值为311V，考虑到变压器副边绕组电压峰值设为-LT315V ，原边在考虑去耦电容C1的降压后，最低电压时为170V ，所以变压器的匝比n 为n=N2/N1=315V/170V=1.85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ηr=95%，则原边效率P1=Po/ηr≈1260W 。

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 硅钢C 型铁芯，其Ke=0.9，Bm=1.2T ，所以铁芯面积乘积为23c e cm 1140104.11.21103.30.90504.445.905.9011200A A =⨯≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯+=）（ 可选取CD 型400Hz 硅钢铁芯查出截面积Ae ，求出有效面积Se=A e ×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=5.5/3≈1.8(mm²),选Φ1.2mm 漆包线两股并绕；原边S1=I1/j=Ni2/J=1.87×5.5/3≈3.43(mm²),Φ1.2mm 漆包线三股并绕。

3.2.2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=3I1m=3×5.5×1.87≈31(A)4无工频变压器的逆变器主电路设计4.1电路形式我们知道，无工频变压器的逆变电源实际是包含两个部分：一套DC/DC 和一套SPWM 逆变器，我们将在这里讨论SPWM 逆变主电路，其电路形式如图2所示。

图2单相SPWM逆变主电路电源350V，各个管子分别为Tr1、Tr3、Tr2、Tr4。

4.2参数设计4.2.1开关管逆变器允许输出峰值为Im=3Iom=3×5.5A=16.5A所以开关管的电流定额可以选为600V。

我们可以选30A，600V，TO—274封装的IGBT管。

4.2.2 LC滤波L为工频电感，电感量可选为1～2mH，为减小噪声，选闭合铁芯，如OD型硅钢铁芯(400Hz)或铁粉芯铁芯。

C为工频电容，可以选CBB61-10µF-250V AC。

5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。

它们的电器性能和成本有所不同，各有各的优势和不足-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，在这里用分立电路组成，如图3所示。

图3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图4正弦波发生器图5三角波发生器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，即可得到SPWM波形。

IC3和IC4分别为正负值比较器，他们的输出信号分别为IC5和IC6，从而将SPWM交替的分成两路，各自放大后驱动相应的开关管，控制主回路完成SPWM逆变。

需要注意的事，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个开关管。

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。

6正弦波输出变压变频电源调制方式6.1正弦脉宽调制技术随着逆变器控制技术的发展，电压型逆变器出现了多种变压，变频控制方法。

目前采用较多的是正弦脉宽调制技术既SPWM控制技术。

正弦脉宽调制法，是将每一正弦周期内的多个脉冲作自然或规则的宽度调制，使其依次调制出相当于正弦函数值的相位角和面积等效于正弦波的脉冲序列，形成等幅不等宽的正弦化电流输出。

其中每周基波（正弦调制波）与所含调制输出的脉冲总数之比即为波比。

正弦脉宽调制的特点是脉宽调制以逆变器的功率器件的快速而有规律的开关，形成一系列有规则的矩形方波，以和期望的控制电压等效。

其特点是其波分量打，2N—1次以下谐波得到有效的抑制，输出电流接近正弦波。

在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目前国内外主要研究的有数字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。