8KVA单相逆变器设计与仿真资料

1、8KVA单相逆变器设计与仿真 姓 名: 班 级: 学 号: 同组同学： -i - 二设计 -23 - 、输出功率P0： 8KVA 、过载倍数：2倍 1.1技术要求 1、输出电压V0 （相）：220V2 3、输出频率f : 60HZ4 5、负载功率因数cos : 0.8-1 1.2单相逆变电路 因为输出功率为8KVA所以选择单相全桥逆变电路。单相全桥逆变电路，如图 1所示。 Ud 图1单相全桥逆变电路 1.3负载参数计算 负载输出部分电路图，如图2所示 图2负载输出电路 1.负载电阻最小值计算 当cos =1时，负载电阻计算计算公式为公式（ 电阻计算公式为公式（3-2） 3-1 );当 cos

2、=0.8 时，负载 220 8000 -6 .05 11 (3-1) 220 2 Scos80000.8 =7.5625 门 (3-2) 2.负载电感最小值计算 负载无功功率Qli为 Q L1 = S0 sin =8 sin 37 o = 4.8145 KVA (3-3) 负载电感感抗Zli为 Zl1 V。2 QL1 2202 二 10.053门 4814.5 (3-4) 负载电感L1为 10 .053 26 .667 mH (3-5) 1.4滤波电容计算 滤波电容与负载并联，对逆变电路输出电流影响较大，所以设计滤波电路时选 择滤波电容取滤波电容容抗等于负载电感感抗的 滤波电容容抗Zc为 Zc

3、 =2ZL1 = 210.053 二 20.106 - (4-1) 滤波电容C为 2fZL1 26020.106 131.997uF (4-2) 实际取值130uF,由13个10uF的电容构成 电容阻抗实际值Zc1为 Zc1 二 2-60 130 10 二 20.4148 1 (4-3) 1.5无隔离变压器时，逆变器输出电流有效值 长期最大电流Io （长）为 I 0(长) (爲)2 ( 202爲8)2=3 (5-1) 短期最大电流|0（短）为 1 0(短) 2 220)2 ( 220 )2 6.0520.4148 二 73.5214二 (5-2) 1.6无隔离变压器时，逆变器输出电流峰值 长期

4、电流峰值lOP（长）为 (6-1) I Op（长）= 2| o（长）= 2 37.9268 = 53.6366.-. 短期电流峰值lop（短）为 (6-2) I op（短）= 2| o（短）=、2 73.5214 = 103.975- 1.7滤波电感计算 1. 滤波电感的作用 1）.减小输出电压的谐波电压2）. 保证滤波电压的传输 60倍频） 2. 设计滤波器时应该注意以下问题 1）.滤波电路固有频率应远离输出电压中可能出现的谐波频率（例 2）.2 LC应该远小于1 （即-2LC . . 1） 3）.L应较小 R 根据设计滤波器时要注意的问题要求而选择L =1.6 滤波电感L为 (7-1) 1

5、.6 1.6 L4.246mH 2兀f2兀沢60 实际取值为5mH 所以滤波电感感抗ZL为 Zl =L = 2fL =2二 60 5 103 = 1.884 1 (7-2) 滤波电路的固有频率 2二、5 10 130 10“ -197.511HZ (7-3) 1.8逆变电路输出电压 滤波及负载部分电路图，如图3所以 IL 十 iR Vi Eli iL1 图3滤波及负载部分电路图 在过载2倍的情况下： 1 cos =1时（即纯阻性） 电感电流 Il与Ir间的夹角二为 电感电流 Il为 )=8.4286 2 20.4148 (8-1 ) 门R6.05 J - arctan( ) = arctan(

6、 2Zc Il (2Ir)2 (220 )2(2 220)2 .73.52U (8-2) 20.41486.05 电感L上的压降Vl为 Vl =LZl =73.521 1.884 = 138.514/(8-3) 逆变电路的输出电压Vj为 Vi = ,2202138.5142 -2 220 138.514 cos（90 - 8.4268 ）= 242.1835V（8-4） 2. cos，丸.8时（即阻感性） 负载电感电流I L1与滤波电容电流Ic之差为 2 江 220 1 L1 - 1 C = Z L1 220 Zc 2 220 220 10.05320.4148 = 32.9915- (8-5

7、) Ili - lc与Ir之间的夹角二为 j - arctan( )=arcta n( 32.9915 2 220 )=29.555 (8-6) 7.5625 电感电流Il为 Il - (2Ir)2(Il匚Ic)2(2上0)2 (32.9915)2 = 66.8847Z (8-7) V 7.5625 电感L上的压降为 VL为 .：VL = lLZL =66.8847 1.884 = 126.0107/(8-8) 逆变电路的输出电压Vj为 Vi 2202126.01072 -2 220 126.0107 cos(90 29.555 )= 302.7V(8-9) 1.9主开关器件的耐压 主开关器件

8、的耐压根据所有工作情况下的最高电压考虑，主开关器件所承受的最 高电压一般出现在输入电压最高、 输出负载最轻时，选主开关器件耐压为实际工作电 压的2倍。 取逆变电路在过载情况下的输出电压的2倍，即302.7 2 =605.4V。在留有一定 裕量下，实际选650V耐压的开关器件。 1.10输出滤波模型 输出滤波电路图，如图4所示 rL +口LUU VicJ_ Vo 图4输出滤波电路 根据输出滤波电路写出如下关系式 : L二 Vi - Vo -门(10-1) dt CdVo 珂-i。( 10=2) dt (10-3) 将式(9-1 )、(9-2 )变换形式后的式(9-3 )、(9-4) LsiVi

9、- Vo - ri. CsVo-i。(10-4) 根据(9-3 )、(9-4 )画出输出滤波仿真模型，如图5所示 1 LCs* 2 3 rcs 1 Vi Ls + r LCs2 rCs 1 (10-5) 1.11单相逆变器的控制策略 1.电压单闭环控制系统 单闭环控制系统仿真模型，如图 6所示 G-sin1 Vq Io(s) 期望的特征方程D,S）为 2星2m Dr (s) = (s - sr1)(s - sr2)(s -sr3) =(s 2 r，r 亠 4 )(s n r r) （11-5） 根据极点配置法求解，得 Kd =(n 2)丄C rC （11-6） KP =(2n :1) 2LC

10、-1 （11-7） 匕二 n r，；LC （11-8） r是阻尼比r是自然振荡频率L为滤波电感C为滤波电容 主导极点Si、为 Si、2 (11-3) 非主导极点S3为 S3 二- nr (n = 5-10) (11-4) 当 4=0.8、 r=3500、n =10、r=O.60 时，代入到（11-6 ）、（ 11-7 ）、（ 11-8） 中求得 KP =108.8825Ki = 222950Kd =0.02176 2.电流内环、电压外环双闭环控制系统 将滤波电感电流或滤波电容电流瞬时值作为反馈量引入控制系统，设置电流内化 改善系统动态性能 双闭环控制系统仿真模型有三种情况，如图 7、图在0.0

11、54s去除负载时，波峰电压 凸起到了 347V,比峰值电压高了 36V。突加，突减负载对系统影响比较明显。 Vo的FFT分析，如图14所示 Signal to anallyze a Display selected signalDlsptay FFT window Selected sig nal: 6 cycles. FFT win dow (in red): 2 cycles FFT analysis Fun dame ntal (60Hz) = 310.9 , THD= 0.02% 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 图14 V0的FFT分析 由图14可知，输出电

12、压V。峰值为310.9V，存在的主要谐波次数是1.5次谐波 当负载增加10倍，即在0.0208s时加入301的负载，在0.054s时去掉负载， 输出电压V。的波形，如图15所示 图15输出电压V 的波形（R=301时） 由图15知，在0.0208s时突加负载，波峰电压下凹到 307V;在0.054s时突减 负载，波峰电压凸起到313.2V。负载越大，突加、突减负载对系统的影响就越小， 当负载大到一定时，突加、突减负载对系统基本上没有什么影响。 当负载减小10倍，即在0.0208s时加入0.3门的负载，在0.054s时去掉，输出 电压V。的波形，如图16所示 图16输出电压V0的波形（R=0.3

13、） 由图16知，在0.0208s突加负载时，峰值电压最低下凹到 125.2V，在0.054s 突减负载时，峰值电压最高凸起到 688.6V。负载电阻减小10倍时，突加、突减负载 对系统影响很大，在突减负载时，峰值电压有正常电压的 2倍左右。 给定为幅值311V、频率60HZ的交流信号，负载电阻为，滤波电容为130uF 将滤波电容增大10倍后（即C=1300uF）,输出电压V。的波形，如图17所示 在0.0208s突加负载时，峰值电压最低下凹到 296.8V;在0.054s突减负载时, 峰值电压凸起到324.4V。滤波电容增大10倍，使在突加、突减负载时系统更稳定。 改变滤波电容后，V的FFT分

14、析，如图18所示 Sicjnail !l u iriiuly I r .,. 日 siyi sailDiKplaif FFT window Selected sig nal: 6 cycles. FFT win dow (in red): 2 cycles 200 -200 XXvaikablic： sicjnals Structure-: Inptit : irur -i Clonal number: T FFT winidow time (s); p wg Number of cyetts.: 12 r Ladame-ntaE frt在0.054s突减负载时，峰 值电压最高凸起到422V;

15、滤波电容减小10倍时，突减、突减负载对系统影响比较大， 且在突加、突减时，输出电压波形有明显的振荡。 比较图13、图15、图16可得，加入负载越小，负载电流越大，突加、突减负载 时系统波动越大，系统越不稳定；加入负载越大，输出波形越接近于给定信号。比较 图17、图19可得，滤波电容对系统的稳定性有很大的影响，滤波电容越小，突加、 突减负载时，系统波动越大；滤波电容越大，突加、突减负载时，系统波动较小，比 较接近于给定信号。 2.2电流内环、电压外环双闭环控制系统 双闭环控制系统仿真模型，如图 20、21、22所示 图20双闭环控制系统仿真模型1 （负载扰动在内环外） 图21双闭环控制系统仿真模

16、型2 （负载扰动在内环之内） 图22双闭环控制系统仿真模型3 （引入负载电流前馈补偿） 给定为幅值311V、频率60HZ的交流信号 当在0.0208s时突减6.05门的负载，在0.054s时突减负载，负载电流i0的波形 如图23所示，V。的波形如图24、25、26所示 图23负载电流i。的波形 在0.0208s时加入负载，加入负载时有一定的波动，在0.054s时去掉负载。 图24输出电压V。的波形（负载扰动在内环外） 在0.0208s加入负载时，峰值电压下凹到了 293.3V,在0.054s突减负载时，峰 图25输出电压V的波形（负载扰动在内环之内） 在0.0208s突加负载时，峰值电压下凹到

17、了 307.5V，在0.054s突减负载时，峰 值电压凸起到了 314V,与给定信号相差不大。比较图24和图25可知，负载扰动在 内环之内的系统比负载扰动在内环外的系统，有更好的抗干扰性能。 图26输出电压V的波形（引入负载电流前馈补偿） 在0.0208s突加负载时，峰值电压下凹到了 307.5V,在0.054s突减负载时，峰 值电压凸起到了 314V。引入负载电流前馈补偿的系统和负载扰动在内环之内的系统， 具体相差不多的稳定性能，抗干扰性能都比负载电流在内环外的系统要好。 双闭环控制系统三种仿真模型中 V。的FFT分析波形是一样的，如图27所示 Display3 FFT window Ava

18、ilable signals Structure : Signs! io analyze a DIspleiT/ selected signal Selected sig nal: 6 cycles. FFT win dow (in red): 2 cycles 200 -200 0.02 0.08 0.040.06 Time (s) l FFT an FFT window Start time (s): i 略口 Nunriljer of cycles: 2 FLJFKiinmnntinl frfiqLjeoQy (Htzy 屈 FFT settings Dispiny style : L亠

19、 Bar Crelertive to fundamental) + Base value:卞. Frequency Harmonic order仃 Mbik Frequency (Htet i iaoo h Display Close 图27输出电压V0的FFT分析 由图中可知，输出电压V。的主要谐波次数是1.5次谐波 当负载电阻改成3“时，输出电压 V的波形如图28 图28输出电压V波形（负载电流扰动在内环外） 当0.0208s突加负载时，峰值电压下凹到 276.3V，0.054s突减负载时，峰值电 压凸起到348V。与图24相比，可知突加的负载电阻值减小，负载电流增大，系统的 波动也就越大

20、，系统稳定性减弱。 当给定为幅值311V频率60HZ的交流信号时，负载电阻为6.05门，将输出滤波 电容缩小10 （即C=13uF时，输出电压V。的波形如图29、30、31所示 图29输出电压V。的波形（负载电流扰动在内环外） 在0.0208s突加负载是，峰值电压下凹到 272.7V,当0.054s突减负载时，峰值 电压凸起到349.5V。与图24相比知，在突加、突减负载时系统波动大了些。 .叫 a 01 01D2 am D.W a 05 0. a. 0. D.1 顺 图30输出电压V的波形（负载电流扰动在内环之内） 图31输出电压Vo的波形（引入负载电流前馈补偿） 在0.0208s突加负载时，峰值电压下凹到 287.3V，在0.054s突减负载时，峰值 电压突起到333.5V。 V。的FFT分析，如图32所示 -FFT window time Cs):0.1 -2/E3O -9 x 10 a4- m： % M 1 - 0