18KVA单相逆变电源设计解析

1、1题目：18KVA单相逆变器设计与仿真院 系：电气与电子工程学院_专业年级：电气工程及其自动化 2010 级姓名：郑海强_学号：1010200224_同组同学： 钟祥锣王敢方骞2013 年 11 月 20 号2单相逆变器设计一. 设计的内容及要求1.1 设计内容要求设计一个输入为 150V 的直流电压，输出容量为 18KVA，输 出电压为 300V 单相交流电的逆变器。1.2 参数要求1、输出电压：AC 单相 300V2、输出频率：100Hz3、输出功率：18KVA4、负载功率因数：cos 0.81.0,滞后5、负载短时过载倍数：1.56、输入电压：直流 DC333V二. 设计方案介绍系统原理

2、框图如下图所示3方案简述将直流电变成交流电的电路叫做逆变电路。 根据交流侧接在电网 和负载相接可分为有源逆变和无源逆变，所以本次设计的逆变器设计 为无源逆变。换流是实现逆变的基础。通过控制开关器件的开通和关 断，来控制电流通过的支路这是实现换流的方法。直流侧是电压源的为电压型逆变器，直流侧是电流源的为电流型 逆变器，综上本次设计为电压型无源逆变器。三.主电路原理图及主要参数设计3.1 主电路原理图如图 1 所示图 13.2 输出电路和负载计算3.2.1 负载侧参数设计计算负载侧的电路结构图如图 2 所示，根据图 2 相关经计算结果如下：4图 2 负载侧电路结构图1. 负载电阻最小值：cosd.

3、o 时，R=V02/PO=3002/（18?103） 5W2cos=0.8 时，R=Vo/（Pocosj ）=3002/（18 仓 1030.8） = 6.25W2. 负载电感最小值：L二ZL7（2 ）=8.3/（2创p 100）=0.0132“3. 滤波电容：取滤波电容的容抗等于负载电感感抗的2 倍，贝心C=1/（2fZc）=1/（2100 32）=95.92 取电容为 100F,将 10 个 10 的 AC 电容进行并联，乙实）二1/（2二fC）=1/（2 仓 p 100 仓 100 10-6）=15.9W4. 滤波电抗 L 的计算选取主开关器件工作频率 加=Nf。=32 100=3200

4、Hz 由于移相原因， 输出线电压的开关频率变为：2fK=6400HZ 取滤波电路固有谐振频率f=1/（2：LC）=fK/6=533.3HzO O-b R -L L I I一I I L L - -11 - - I I .1.1. n n -1-1 n n n n I II I n n n n T TI I - - I I52则：L= 1/（ 42fC）= 1/（4 二2533210010）=880 小实选用 L=900uH由此特征阻抗ZT=丄C=900/100=33.2.2 逆变电路输出电压61.滤波电路输入端电压(无变压器时)逆变电路的输出与后续电路的连接电路如图 3 所示，有图 3 可以得到

5、UL=|iL?ZL18.9 ? 0.565210.7(V)。U =u-UL=300-厲二298.)这说明空载时输出电路是升压的。额定负载时：额定负载时，当cosj =1.0和cos，0.8的矢量图分别如图5 和图 6 所示。co$ =1.0：丿LIC图 4空载空载时：空载时的矢量图如图 4 所示，由图 4 可得: =1.LZc_ 300=15.9ZL= 2p foL = 2仓创3 100仓J900 10-6=图 6cos，=0.8时的矢量图如下的计算结果图 3 逆变电路输出电路图 5cosjtan-1=tan-1 515.9=1757l：+lC=,(3005)2+(30015.矿=62.9(A

6、)IL8UL=ZL?IL0.5652? 62.9 35.6(V)时，即使满载，输出电路也是升压的q=tafe =19.7903006.25iL= jlR+(lL-IC)=、 、(300/6.25)UL=ZL?L0.5652? 51.01 28.83(V)负载最重时 本设计中，负载最重为过载 150%时，功率因数最低为 0.8，此时:300 300 1.5300 300 c “-135.35“|ILC-IC=1.5?=-=35.35A)q =tan1- =26.13ZLCZC8.315.9、丿1.5300 6.25IL=R+fL- IC)=、(1.5?300/6.25)235.35 =36.3半

7、A)UL=ZL?|L .565236.34 20.5空），Ui=312.3q（V），可见输出电路此时降压比较严重。2.逆变电路输出正弦电压计算单相桥式电路输出电压为：U=.708E。考虑要保留“死区”间隔（图17.5)创 300 35.6=286.iqV)。这说明cos，=1.0cos =0.8.300 300 = 300 300ZLcZC= 8.3 15.3=17.28(A)2+17.2$ =51.01(A)Ui=+ 2 82-8 3309.65Ui=2+ 35.6 - 2?cos 91 9.79 = 300.8397 所示)以及开关器件导通时有压降，因而输出电压实际只能达到:0.708K(

8、E-叫喲)。其中：口= 2；K为“死区”间隔引起的T-DTK=压降系数：T，则：K=156.2&5. = 0.968156.25整流滤波电路的压降后，实际取为：E=350(V)。则三相逆变电路输u =0.708创0.68(350- 3? 2)235.7(V)实际取为：U=240(V)-才T图 7 死区“间隔”示意图3.2.3 逆变电路和输出电路之间的电压匹配:逆变电路和输出电路之间的电压匹配采用电源变压器，其结构简图如图 8 所示。由前面的计算可知输出电路输入端最高电压Ui=312.333(V),逆变电路输出线电压u=240,在逆变电路和输出电路 之间加入电源变压器。设变压器的变比为N

9、：1， 原副方各参数的矢量 图如图 9 所示： 以副方输出电压 为基准矢量，变压器原方电压Um=NUo,付方电流Io如图示(滞后)，原方电IL1?(1.031.05)g I。(1.031.05)=(1.031.05)本设计中3V，则:u= 0.708仓创0.968(E-3?2)，考虑出线电压10流5= lo/N。11图 8 电压匹配电路图uL1= wL1IL1= wN LIL1= wN L(IO, N)=NwLIo=NULN =UAB=240= 0.7684Ui 312.333,考虑变压器内=0.7533N和原万电流：1.02。故，取实际的变比为 0.7533,*1.04 =189.42(A)

10、一(丿。将电感折算到原边得:L. = N2L =(0.7533)2仓创900UABUmUoN :12LilLi=沖由矢量图可得：UAB二NUi阻和激磁等原因，调整变比1.(长)=88.7创 fc75331.04 = 122.46(A)1IL1(短)=137.2创 07533-610 =510.7(mH)和123.2.4 开关器件的选取1 电流参数:13开关器件中电流有效值：IT（长）=122.46（A）,IT（短）=189.42（A）开关器件中电流峰值：ITP=2?IL1（长）171叫A）ITP（短）=、2?IL1（短）.27189.42 267.8（A）在连续情况下安全裕量选为 2,则：IT

11、=*（长）=2?173.18 346.3qA）, 在过载情况下安全裕量选为 1.5,则：1丁=1.5唁（短产.5?267.8 401.7（A）3.3 变压器和交流电抗器设计计算在实际加工制造前还进行各种机械结构参数的计算，为制造提供依 据。主要是变压器的额定功率、初级线圈电流、铁心的截面积、各线 圈的匝数、线圈所用导线的直径和核算铁心窗口面积等几方面。1.计算变压器的额定功率：变压器输出功率为：P23j2l2（VA）=18kVA（单相为15kVA），输入功率为：p=J1|1（VA）那么P可按下式求得近似值：P =豆=翌=18.94(kVA) h 0.952、计算电流（11）变压器的额定功率:R

12、 + F22=18+18.94=2= 18.47(kVA)K旦= 1.1?込j124086.8(A),P218 1032= J2= 300=60(A)， 式中 K14般选 1.11.2153、计算变压器铁心净截面积及粗截面积铁心净截面积：SC=K、P=1.3仓U 18.47 103式中系数 K 一般选在 1.01.5 之间。由于硅钢片之间的绝缘和空隙，实际铁心截面积略大于计算值，应为: KjP SC 176.672SC=192.04(cm2)KcKC0.92式中一般KC=0.89；冷轧硅钢带的KC=0.92根据算出的SC求硅钢片中间舌宽 a 国家标准可查手册得到选择a=120mm。铁心叠厚 b

13、 的计算,SCJ100 192.04 100 b =a120以h = 2.3a = 2.3? 120 276(mm)4、计算各线圈的匝数：确定每伏匝数(N。)-8由E=4.44fNBmSc?10 (V)可得=160(mm)取b = 160mm=160=120= 1.333在 12 之间。窗高系数z=a取为 2.3,所16N1=U1?NO240?0.098 23.53匝)实际取为 56 匝 次级.2 =(1.051.1)鬃2N。=1.1创300 0.098= 32.34匝)实际取为 90 匝。5、计算各线圈导线直径四：控制系统和辅助电路设计4.1 逆变部分的控制系统设计导线电流:I=p4d j=

14、s?j(A)S|=虹=86.8= 34.72( mm)原边：j2.5，副边:&校核铁心窗口面积1260s2=24( mm)j 2.5变压器线圈绕在框架上，每层线圈之间一般均有绝缘层。线圈厚度、绝缘层厚度和框架厚度的总和应小于选用铁心窗口宽度原副边导线带绝缘尺寸大概为4.857.40mm2和4.36 8.40mm2原边每层匝数:276 - 2? 2m1=-1 = 347.40z1.05副边每层匝数:276- 2?2m2=8.401.05-1 = 29.8图 10 重复控制器控制框图17逆变部分采用的控制策略是数字PID 和重复控制相结合的综合控制策略。数字 PID 控制用于保证较快的动态

15、响应，重复控制用于保证输 出电压的波形质量。其控制框图如图 12 所示。那么该控制系统将兼 具良好的稳态和动态性能，通过控制参数的合理设计，就可以满足设 计指标要求。图 9逆变部分控制系统框图1、重复控制器的设计重复控制器控制框图如图 12 所示周期延迟正反馈环节对逆变器输出电压的误差进行逐工频周期的累加。补偿器 C(z)的作用是抵消二阶 LC 滤波器的谐振峰值，使重复控 制系统稳定。C(Z )的表示形式为：C(z)=心人 式中，Kr-重复控制器的增益，zk超前环节，S(z)滤波器18滤波器S(z)是为了抑制系统的高频干扰，削除被控对象的谐振峰值， 使其在谐振点处有较大的幅值衰减，且具有零相移

16、、零增益特性。因 此滤波器S(Z)可以由二阶低通滤波器S和零相移陷波器S2组成。2 数字 PID 控制器设计数字 PID 控制器的控制原理基本上与模拟PID 控制相同。数字 PID控制正弦波逆变电源系统的原理如图10 所示。为了改善系统的稳态和动态特性，系统中用了前馈补偿。PID 控制器可表示为i、(Kp+ Ki+Kd)-(Kp+2Kd)z1+KdZ2D(z)=亍1- z式中，Kp称为比例系数，Ki称为积分系数，Kd称为微分系数图 11 数字 PID 控制框图比例调节器的作用是对偏差瞬间作出快速反应。 偏差一旦产生，控制 器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的 强弱取决于

17、比例系数，比例系数越大，控制越强，但过大会导致系统 振荡，破坏系统的稳定性。积分调节的作用是消除静态误差，但它也 会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。微分调节的作用是在过 程开始时强迫过程加速进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高 系统的稳定性，加快系统的过渡过程。4.2 保护电路设计19保护电路分为欠压保护和过流保护。欠压保护电路如图 7 所示，它监测蓄电池的电压状况，如果蓄 电池电压低于预设的 10.8V，保护电路开始工作，使控制器 SG3524 的脚 10 关断端输出高电平，停止驱动信号输出。图 7 中运算放大器的正向输入端的电压由R1 和 R3 分压得到，而反向输入端的电压由稳压

18、管箝位在+7.5V，正常工作的时候，由三极管 V 导通，IR2110 输出驱动信号，驱动晶闸管正常工作，实现 逆变电源的设计。当蓄电池的电压下降超过预定值后，运算放大器 开始工作，输出跳转为负，LED 灯亮，同时三级管 V 截止，向 SG35 24 的 SD 端输出高电平，封锁 IR2110 的输出驱动信号。此时没有逆 变电压的输出。图 12.欠压保护电路图过流保护电路如图 8 所示，它监测输出电流状况，预设为 1.5A。 方波逆变器的输出电流经过采样进入运算放大器的反向输入端，当输出电流大于 1.5A 后，运算放大器的输出端跳转为负，经过CD4011 组成的 R S 触发器后，使三级管V1基

19、级的信号为低电平，三级管截止，向 IR2011 的 SD1 端输出高电平，达到保护的目的。204.3 驱动电路设计4.3.1 MOSFET 介绍MOSFE 是 一种电压控制的单极性器件，它是由金属氧化物和半导体组成的场效应晶体管，所以也叫绝缘栅型场效应管。应用VMOSFET工艺，生产出了大功率的产效应管，并在逆变电路中得到广泛应用。功率场效应管简称 VMOSFE 或 VMOS 作为开关器件，其常态是阻断 状态，即 VMO 都是增强型 MOSFETMOSFE 分为 N 沟道和 P 沟道两类。N 沟道 VMOS 勺导通电流的方向是从漏极 D 到源极 S； P 沟道 MO 啲导 通方向是从源极 S 到漏极 BVMOST 的工作原理是，源极 S 接零电位，漏极 D 接正电位，当 栅极接正电压时，由于电荷感应，在 P 区感应出电子，电子的累积便图 15.SG3524 引脚图21形成 N 沟道。源极 S 和漏极 D 之间便产生了电流。因此，栅极 G 上的电压的大小，决疋了源极 S 与漏极 D 之间的电流大小。图 14.MOFET!结构构图和电气图4.3.2 SG3524 及 IR2110 芯片介绍SG3524 采用 D