正弦波逆变器.doc

目录

第1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。

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。

逆变器，是指整流器的逆向变换装置，其作用是通过半导体功率开关器件（例如SCR,GTO,GTR,IGBT和功率MOSFET模块等）的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。由于多数负载要求逆变器输出正弦波，因而正弦波逆变器用途最广泛。

正弦波逆变电源利用蓄电池的直流电作为输入，经逆变后输出纯净的正弦波交流电，输出电压和频率极为稳定并可长期连续工作，消除了直接使用市电带来的供电中断，电压不稳，杂音干扰和雷电侵入等不利因素，同时克服了小型ups供电时间短的致命缺陷，确保用电设备连续可靠的工作。

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。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2章正弦波逆变器技术要求和主电路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，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180～285V，而UPS内置电池电压为12V或24V。

2.2逆变电源的设计要求和目标

1）输出电压：输出为单相220V AC（有效值），频率为50Hz。2）输出功率：1000W，允许过载20%，既Pomax=1200W。

2.3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180～285V，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。

2.3.1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（可达90%以上）、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。

2.3.2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，即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，就可以得到有效值为220V的50Hz交流电压。

第3章正弦波逆变器主电路设计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。

图3.1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（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。

3.1.2 参数设计

1.逆变变压器

变压器输出220V AC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/N1=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ηr=95%，则原边效率P1=Po/ηr≈1060W。

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/mm²=3*10(²*³)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)*1.2

≈1.14*10ˉ(²+³)(m²+²)=1140cm²

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=5.5/3≈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。

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)

选IGBT的电流定额为40A。

3.2 无工频变压器的逆变器主电路设计

3.2.1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SPWM逆变主电路，其电路形式如图3.2所示。