恒压恒频正弦波逆变电源(110V,700W)设计

1、武汉理工大学电力电子装置课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 李铭初 专业班级： 电气1002班 指导教师： 许湘莲 工作单位： 武汉理工大学 题 目: 恒压恒频正弦波逆变电源（110V,1000W）设计 初始条件：设计一个恒压恒频正弦波逆变电源，具体参数如下：单相交流输入220V/50Hz，输出单相交流电压110V/50Hz,THD<5%,负载为一般的阻感负载，功率700W。（根据具体仿真或设计可修改红色参数）要求完成的主要任务: （1） 主电路设计；（2） 控制方案设计；（3） 给出具体滤波参数的设计过程；（4） 在MATLAB/Simulink搭建闭环系统仿真模型，进行系统仿真；

2、（5） 分析仿真结果，验证设计方案的可行性。时间安排：2013年6月8日至2013年6月18日，历时一周半，具体进度安排见下表具体时间设计内容6.8指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求6.96.13开始查阅资料，完成方案的初步设计6.146.16由指导老师审核模型，学生修改、完善并对数学模型进行分析6.176.18撰写课程设计说明书6.18上交课程设计说明书，并进行答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘 要随着现代科学技术的迅速发展，逆变电源的应用越来越广泛，各行各业对其性能的要求也越来越高。单相正弦逆变电

3、源是将直流电逆变成单相交流电的装置，它可将蓄电池逆变成交流电，为用电器提供交流电，也可作为计算机的UPS电源等。本文首先介绍了逆变电源技术的应用与发展，分类与性能，及其控制技术。并在此基础上进行了方案论证，选取了合理的方案，以实现将220V交流电源经过整流滤波将交流电整流为直流电，然后采用正弦波脉宽调制法，通过脉冲控制IGBT的导通时间及顺序生成PWM波形，最后经过LC工频滤波电路，输出稳定的110V/50Hz正弦波电压，以达到供负载使用的目的。本文基于已选定方案为前提进行了各部分电路的设计与分析，完成了主电路及相应的输入输出保护电路的设计，并进行了参数计算，分别简要介绍了各部分的原理，阐述了

4、产生SPWM波的实现办法。同时利用MATLAB 建立了单相逆变器的仿真模型，对其进行了仿真和实验，从各种情况下的试验结果可以看出，通过该逆变电路而得到的单相正弦波稳定性高且失真度小，设计成功。关键词：逆变电源，整流，滤波，正弦脉宽调制目录1 主电路41.1 整流电路41.2 逆变电路52 SPWM控制电路设计52.1 SPWM波的基本原理52.2 基于DSP实现SPWM72.2.1 SPWM波生成方法72.3 PI调节器的设计83 电路设计83.1 全桥逆变电路设计83.2 原件参数计算93.3 LC滤波电路电路设计103.3.1 滤波电路及原理103.3.2 参数计算113.4 辅助电源设计

5、123.5 区时间的设置134 电路仿真与分析144.1仿真软件的介绍144.2 CVCF逆变电路的仿真154.2.1 电路设计154.2.2输出结果仿真并分析16结束语19参考文献20恒压恒频正弦波逆变电源设计1 主电路单相CVCF逆变电源先将交流电整流为直流电，再通过输入逆变电路逆变成交流电，然后用变压器降压；再进行SPWM调节，使输出为110V正弦波电压。输入逆变电路控制采用专用芯片，输出逆变电路SPWM控制及逆变电源的各种保护采用单片机控制。当蓄电池的电压过高或过低时逆变电源将停止工作并灯光指示报警，保护逆变电源和蓄电池；当蓄电池的电压在正常范围内波动时，输出电压不变；当输出电流过大时

6、，单片机将停止SPWM输出，保护电源的器件。1.1 整流电路整流电路采用桥式整流电路。桥式整流电路如图1-1所示。本电路中只要增加两只二极管口连接成桥式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。 图1-1桥式整流电路原理图该整流电路中，交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，所以该电路为全波整流。在输入电压一个周期内，整流电压波形脉动两次。整流电压平均值为二极管承受的最大正向电压为承受的反向电压为要使整流后电压连续需满足，不妨取C=9.4，R=10越大，则谐波越小，本设计取1.2 逆变电路采用全桥逆变电路。此电路有四只开关管，需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开

7、关管，难免导致驱动电路复杂。控制虽相对复杂，但电压利用率较高，在单相逆变中应用广泛，可实现各种控制电路。如图1-2：图12 全桥逆变电路输出原边部分电阻电容参数，为了使电路损耗较小尽量取得小，取，逆变器原边输出电压要得到电压，则有变压器变比得到正弦波幅值取，L=3.6H得到功率为700W2 SPWM控制电路设计2.1 SPWM波的基本原理SPWM调制主要是用于逆变器中实现幅度和频率可调的正弦波电压，是在逆变器输出交流电能的一个周期内，将直流电能斩成幅值相等而宽度根据正弦规律变化的脉冲序列。该脉冲序列的宽度是随正弦波幅值变化的离散脉冲，经过滤波后得到正弦波交流电能。如图2-1，三角波为载波，正弦

8、波为调制波即为期望输出正弦波，通过比较器将正弦调制波与三角载波进行比较，用比较后的脉冲波形去触发不同的开关管，即可得到一个SPWM波形。三角载波正弦调制波比较器SPWM图2-1 SPWM 调制示意图SPWM脉冲电压具有与理想正弦电压相一致的基波分量，而且最低次谐波的频率可以提高到SPWM调制频率，即开关频率附近。因此，当开关频率足够高时，只需要用较小的滤波器就能将其中的谐波滤除掉。此外，只需改变SPWM脉冲宽度，就可以平滑地调节输出电压的基波幅值。采用了SPWM技术的逆变器即为SPWM逆变器，它在波形质量和控制性能上相对方波型逆变器有了巨大的进步。图2-2 与正弦波等效的矩形脉冲序列波形全桥逆

9、变器的控制脉冲按调制方式可分为单极性SPWM，单极性倍频SPWM和双极性SPWM 三种。单极性SPWM 的输出电压只能在0 到Ud 或0 到-Ud 之间变化，没有极性的交替，双极性SPWM 的输出电压则可以在Ud 到-Ud 之间变化，变化幅度是单极性的两倍，在开关切换时，负载端电压极性非正即负，电流变化率较大，对外部干扰较强，故一般较少使用。单极性倍频SPWM 调制方式由于比单极性SPWM多一组相位相差180 度的三角载波进行比较，它能够在开关频率不变的情况下，使一个周期内正弦波包含的矩形脉冲数“加倍”，从而有利于减小逆变输出谐波。本课程设计SPWM模块的具体电路模型如图2-3所示。图2-3

10、SPWM产生模块电路其中载波频率为，调制比为0.8。2.2 基于DSP实现SPWM当负载为线性时，传统的比较器，专用集成电路，单片机等产生 SPWM 波形的方法应用于逆变器中实现幅度和频率可调的正弦波电压，效果勉强可以。但是当该逆变器带非线性负载时，电压将发生严重畸变，谐波含量增加，严重影响负载的正常工作。运用DSP我们方便的实现频率很高的SPWM控制信号，从而减小滤波器的尺寸，更好地滤除输出电压中含有的谐波。而且DSP完全有可能用于逆变器中实现输出电压进行逐点的控制。本文使用DSP来实现SPWM。2.2.1 SPWM波生成方法脉冲波的产生主要由脉冲调宽芯片SG3525A来完成。根据芯片SG3

11、525A的使用原理，先由集成函数发生芯片ICL8038产生50HZ的正弦波信号，该正弦波分两路输出。因为SG3525A内部的锯齿波幅度位于1V至3.3V之间，因而产生的正弦波一路经相应的处理后将其幅值调整至1V至3V之间，然后输入以SG3525A，在芯片内部通过与锯齿波比较产生高频的正弦波调宽脉冲。锯齿波的频率由芯片外接的震荡电阻和震荡电容决定，通常设置为几十KHZ。而另一路正弦波则经过处理转化为50HZ的方波作为基准信号，该基准信号与SG3525A产生的高频正弦波调宽脉冲输入与门芯片，最后将与门的输出信号输入两片场效应管专用驱动芯片IR2110，再由IR2110输出高频的调宽脉冲以控制四个场

12、效应管的交替导通，输出的电压在经过LC工频滤波后便可输出稳定的准正弦波供负载使用。2.3 PI调节器的设计在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分控制，简称PI控制，又称PI调节。PI控制器问世至今已有近70年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PI控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PI控制技术。其传递函数，本

13、设计采用3 电路设计3.1 全桥逆变电路设计 本文选用单相全桥电路结构，如图3-1所示。由于开关管在开通和关断过程中可能承受瞬时过压，过流，这种过大的电压，电流变化率，会使开关管的工作点超过安全工作区而引起器件的损坏，为了防止这种现象，给开关管设置缓冲电路显得犹为重要。缓冲电路不仅可以减小开关损耗，保证器件处于安全工作区，减少开关过程中过大的电压电流变化率带来的电磁干扰，还可以维持串联开关管的电压平衡。图3-1 逆变电桥3.2 原件参数计算整流器额定电压的确定：整流器的额定电压应为最高输入电压有效值3倍以上，其原因是电网中存在瞬态过电压，通常输出电压85265V，所以应选择600V以上耐压的整

14、流器或二极管。通常将输入电流峰值与有效值的比值称为波形系数，在交流220V输入整流器直接整流时，这个波形系数约为2.6，大于正弦波。整流器输出电流有效值与平均值之比为22.2，大于正弦波1.1，峰值电流与平均值之比约为5.56。因此，在选择整流器的额定电流时，整流器的额定电流应为输出电流的310倍。所以选择:5A/700V整流桥。无极性电容C的确定：为了供给逆变平滑的直流电压，必须在输入整流电路和逆变器之间加入滤波电容，以减小整流输出后直流电的交流成分。滤波电容一般采用电解电容器，因其滤波电解电容器自身串联等效电阻(R)和串联等效电感(L)的存在直接影响滤波效果，所以在电解电容C两端并联高频无

15、极性电容C，使高频交流分量从C中通过。去高频干扰电容C其电容量较难确定，因高频干扰包括电网的干扰，也包括电源的干扰，通常可选取C=2(1±5%)或该数量级其他电容，只要电容C的耐压峰值满足即可，耐压峰值电压Up=600V(取2/630V)。滤波电容器在输入电压为或输入电压为85265V时的最高整流输出电压可以达到370V，因此应选择不小于400V的电解电容器。滤波电容器为限制整流滤波输出电压纹波，正确选择电容量是非常重要的。通常滤波电容器的电容量在输入电压为时，按输出功率选择为：不低于1uF/W（即大于或等于1uF/W）。计算依据：当交流输入最低时，整流输出电压最低值不低于200V，

16、同一输入电压下的整流滤波输出电压约为10ms ，电压差为40V，每半个周期（10ms），整流器导电时间约2ms，其余8ms为滤波电容器放电时间，承担向负载提供全部电流，即：滤波电容的确定为。为负载电流（A），t为电容提供电流时间(s)；为所允许峰值纹波电压 (V)。 由上式计算得C为，即，实际选用标称值为的电容。3.3 LC滤波电路电路设计3.3.1 滤波电路及原理逆变出来的交流还需要经过LC滤波后波形才会使波形更接近标准正弦波。图3-2 滤波电路 SPWM调制本身的特性决定着逆变器的输出电压中含有较多的高次谐波分量，因而必须在逆变器的输出侧加低通滤波器来减小谐波含量，以得到50Hz 标准正弦

17、波。当阻性负载突然变为感性负载时，滤波电感电流可能会突变，为防止电感电流突变，因滤波电容和负载并联，它可以补偿感性电流，因此，在设计滤波电路时，在额定负载下，滤波电容要补偿一定的感性无功电流。但是，滤波电容过大，反而会增加变压器的负担，通常我们设计的基本原则就是在额定负载时，使容性电流补偿一半的感性电流。滤波电容C的作用是和滤波电感一起 用来滤除电压中的高次谐波，电容C大，则输出纹波小，但是电容C增大的同时，逆变器的无功电流也要增大，从而增加了逆变器的电流容量，使系统效率降低。滤波电容的选择原则是在保证输出波形较好的情况下，取值尽量小。由于滤波器输出调制波形中的高次谐波主要将在滤波电感两端，故

18、增加滤波器电感量可以更好的抑制低次谐波，减小输出电流的脉动量。滤波电感越大，电感电流变化越慢，动态时间越长，波形畸变越严重。故电感的取值，应综合考虑其稳态与动态性能。3.3.2 参数计算本系统采用双极性SPWM控制，为使输出不失真，综合考虑各种条件，要准确计算正弦波逆变器 LC 滤波器的参数确实是件繁琐的事，这里借鉴一套近似的简便计算方法17，在实际的检验中也证明是可行的。我的想法是SPWM 的滤波电感和正激类的开关电源的输出滤波电感类似，只是SPWM 的脉宽是变化的，滤波后的电压是正弦波不是直流电压。如果在半个正弦周期内我们按电感纹波电流最大的一点来计算是可行的。下面以输出先引入以下几个物理

19、量：输入逆变H 桥的电压有效值为198V；：输出电压有效值为110V；：SPWM 载波的占空比，是按正弦规律不断变化的；： SPWM 的开关频率，以1080Hz 为例；：输出电流，电感的峰值电流约为1.4 Io；：开关管的导通时间，实际是按正弦规律不断变化的；：LC 滤波器所需的电感量；：逆变器的负载电阻。于是有： 综合以上式可知： 本电路是一台输出功率1000W的逆变器，假设最小负载为满载的15%，则：从可以看出，的瞬间L=0，不需要电感；越小需要的L越大，我们可以折中取当=0.5时的。确定了滤波电感我们就可以确定滤波电容 C 了，滤波电容C 的确定相对就比较容易，基本就按滤波器的截止频率为

20、基波的5-10 倍计算就可以了。其计算公式为： 3.4 辅助电源设计逆变器除了功率变换回路外，还包含了小信号部分的供电，例如PWM 信号芯片的12V 供电，运放的单电源或双电源供电，单片机的5V 或3.3V 供电等。对上述电路提供一个稳定的纯净的电源供电在逆变器中也显得很重要18,19。对于 12V 电池供电的逆变器，一般经过一级RC 滤波给PWM 芯片如STC12，IR2110 等供电即可。需要注意的是R 的压降控制在0.5V1V 比较合适，因为一般PWM 芯片最低工作电压在8V 左右，为了使电池在10V 电压时还能工作，R 上的压降不能过大。还有PWM 芯片供电电压过低容易引起不工作或对功

21、率MOS 管驱动不足。在要求比较高的情况下可以先把 1015V 的电池电压升压到15V，再用L7812 降压到稳定的12V 给PWM 芯片供电，电路如图3-5所示：图3-5 辅助电源电路上图中 BT 为来自12V 电池，电压变动范围为10-15V。采用了MC34063 单片DCDC芯片比较简单经济地实现了上述功能。3.5 区时间的设置 死区时间设置电路最好用硬件电路实现为好。通常也可以采用两种实现方式，通过逻辑电路延迟实现死区时间的设置，也可以采用比较器电路通过延迟实现死区时间的设置。对于标准电平的IGBT，在一般的情况下死区时间应选择小于1，在本试题的解决方案中，考虑到种种因素，驱动IGBT

22、的速度可能不需要很高，因此，死区时间也应设置的大一些，如选择23。每个桥臂的上下两组驱动信号的死区设置电路可以用两种电路方式实现，通过逻辑电路延迟实现死区时间的设置和采用比较器电路通过延迟实现死区时间20的设置。每个上下桥臂的带有死区时间的驱动信号对应的时序如图3-6。图3-6 每个上下桥臂的带有死区时间的驱动信号对应的时序图中，、分别为高边脉宽调制输出、低边脉宽调制输出、驱动电路高边输入、驱动电路低边输入、死区时间。通过死区时间的设置，保证了在“死区时间”内，高、低边驱动信号均为零，确保消除共同导通现象。4 电路仿真与分析4.1仿真软件的介绍MATLAB 是一个功能强大的常用数学软件, 它不

23、但可以解决数学中的数值计算问题, 还可以解决符号演算问题, 并且能够方便地绘出各种函数图形。由于MATLAB带有一些强大的具有特殊功能的工具箱，而且随着近年来它的版本不断升级，所含的工具箱功能越来越丰富，工具越来越多，应用范围也越来越广，涵盖了当今几乎所有的工业、电子、医疗、建筑等各领域，MATLAB自1984年由美国的MathWorks公司推向市场以来，历经十几年的发展和竞争，现已成为国际最优秀的科技应用软件之一。Simulink提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大便利。在 Simulink 平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图，

24、并对模型进行仿真。在Simulink平台上仿真模型的可读性很强，这就避免了在 MATLAB 窗口使用 MATLAB 命令和函数仿真时，需要熟悉记忆大量 M 函数的麻烦，对广大工程技术人员来说，这无疑是最好的福音。MATLAB 已经不再是单纯的"矩阵实验室"了，它已经成为一个高级计算 和仿真平台。 Simulink原本是为控制系统的仿真而建立的工具箱，在使用中易编程、易拓展，并且可以解决MATLAB 不易解决的非线性、变系数等问题。它能支持连续系统和离散系统的仿真，支持连续离散混合系统的仿真，也支持线性和非线性系统的仿真，并且支持多种采样频率(Multirate)系统的仿真，

25、也就是不同的系统能以不同的采样频率组合，这样就可以仿真较大、较复杂的系统。因此，各科学领域根据自己的仿真需要，以MATLAB为基础，开发了大量的专用仿真程序，并把这些程序以模块的形式都放人Simulink中，形成了模块库。Simulink 的模块库实际上就是用 MATLAB 基本语句编写的子程序集。在此次的课程设计中主要应用的是MATLAB中电力电子中元件仿真功能，通过示波器观察相应的波形，从而完成示CVCF逆变电源的电路设计。4.2 CVCF逆变电路的仿真首先完成电路的开环的设计，再在开环的基础上加上电压反馈得到相应的波形，然后再将两者得到的波形相比较。4.2.1 电路设计下图4-1为电路的开环电路图。图4-1 开环电路仿真图把图4-1中的输出电压反馈给SPWM控制电路，并且经过PI调节器，形成闭环电路如下图4-2所示。图4-2 闭环控制电路4.2.2输出结果仿真并分析下图4-3为输入220V/50Hz的电压波形和整流后的波形。图4-3 输入电压波形和整流波形将图4-3中的电路部分放大可以观察相应的幅值，整流后的直流波形可以得到，输出的电压为314V。下图4-4为三角波和正弦波形比较得到相应SPWM波形。图4-4驱动信号波形其中上图中上下两个波形分别是两个互补的SPWM触发脉冲。下图4