电力电子课程设计正弦波逆变器设计汇总

1、湖南工程学院课 程 设 计课程名称: 电力电子技术 课题名称: 正弦波逆变器的设计 专 业: 电气工程及其自动化班 级: 电气119 x 学 号: 20110101XXXX 姓 名: xx 指导教师: 谢卫才 杨青 2014年 2 月 23 日湖南工程学院课程设计任务书 课程名称： 电力电子技术 题 目：正弦波逆变器的设计 专业班级：电气工程1191 学生姓名：xx 学号：xx 指导老师：谢卫才, 杨 青 审 批： 任务书下达日期 2014年 2 月23日设计完成日期 2014年 3月9日 设计内容与设计要求一.设计内容：1. 分析逆正弦波逆变器的结构及功能2. 介绍正弦波逆变器技术要求和主回

2、路3. 正弦波逆变器主电路设计(主电路的选用依据和原则, 主电路的设计及分析, 主开关的选用依据和原则, 元器件定额及选型)4. 正弦波逆变器控制电路设计及选型二、设计要求：1、思路清晰，给出整体设计和电路图；2、给出具体设计思路和电路；3、写出设计报告； 主要设计条件1. 正弦波逆变器输入电源是直流电压DC180-285V, 输出电压是单相交流AC220V, 50HZ;输出功率1000W.2.提供设计要求,提供实验室. 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 正文5 总结与体会；6. 参考文献7、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 1: 课题内容介绍和查找资料； 2 :

3、总体电路设计和分电路设计； 3 : 写设计报告，打印相关图纸；4. 答辩 参 考 文 献1、 电力电子技术2. 现代逆变技术及其应用3. 交流电机变频调速技术目 录第1章 正弦波逆变器的概念第2章 总体设计思路2.1正弦波逆变器的设计要求2.2总体框架图2.3主电路形式选择2.4有工频变压器的逆变电源2.5无工频变压器的逆变电源第3章 正弦波逆变器主电路及参数设计3.1有工频变压器的逆变电源主电路形式及参数3.11电路形式3.1.2参数设计3.2无工频变压器的逆变器主电路设计及参数3.2.1电路形式3.2.2参数设计第4章 正弦波逆变器控制电路设计第5章 正弦波逆变器输出变频调制方式5.1正弦

4、脉宽调制技术5.2 SPWM正弦脉宽调制方式5.2.1单极性调制方式5.2.2双极性调制方式5.3 三种调制方式下逆变器输出电压谐波分析总结附录第1章 正弦波逆变器的概念什么是逆变器？所谓逆变器，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GTO,GTR,功率MOSFET 和IGBT等）的开通和关断作用，把直流电能换成交流电能，它是一种电能变换装置逆变器。特别是正弦波逆变器，其主要用途是用于交流传动，静止变频和UPS电源。逆变器的负载多半是感性负载。为了提高逆变效率，存储在负载电感中的无功能量应能反馈回电源。因此要求逆变器最好是一个功率可以双向流动的变换器，即它既可以把直流电

5、能传输到交流负载侧，也可以把交流负载中的无功电能反馈回直流电源。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。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。第2章 总体设计思路2.1正弦波逆变器的设计要求（1）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

6、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。（2）正弦波逆变器输入电源是直流电压DC180-285V, 输出电压是单相交流AC220V, 50HZ;输出功率1000W2.2总体框架图驱动电路SPWM控制电路滤波电路输出220V交流电调频电路输入180250V直流电逆变电路 升压电路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185285V,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。2.4

7、有工频变压器的逆变电源 桥式逆变电路以SPWM方式工作，将185285VDC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。2.5无工频变压器的逆变电源逆变电路以PWM方式首先将185285VDC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DCDC。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S

8、PWM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及参数设计3.1有工频变压器的逆变电源主电路形式及参数3.11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。 + TL C2C1 - 图1有工频变压器的逆变电源主回路 电源为180V285VDC，四个开关管分别为Tr1、Tr3、Tr2、Tr4.图中，Tr1Tr4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。参数设计（1）.逆变变压器变压器输

9、出220VAC得到峰值为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r=95%，则原边效率P1=Po/r1260W。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可选取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

10、副边匝数。N1=V1max/(KfSeBm)N2=N1/n导线截面：副边S2=I2/j=5.5/31.8(mm²),选1.2mm漆包线两股并绕；原边S1=I1/j=Ni2/J=1.87×5.5/33.43(mm²),1.2mm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=3×5.5×1.8731(A)3.2无工频变压器的逆变器主电路设计及参数电路形式我们知道，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

11、路形式如图2所示。+LC-图2单相SPWM逆变主电路电源350V，各个管子分别为Tr1、Tr3、Tr2、Tr4。参数设计（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，TO274封装的IGBT管。（2）LC滤波 L为工频电感，电感量可选为12mH，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-250VAC。第4章 正弦波逆变器控制电路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

12、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，

13、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。第5章 正弦波逆变器输出变频调制方式5.1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

14、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，2N1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。本文采用的是外环为平均值环、内环为瞬时值环的双环控制策略、内环同过瞬时值控制获得快速的动态性能，保证变压变频电源输出电压畸变率较低，外环使得变压变频电源在各

15、个频率阶段的输出电压具有较高的精度，并使用DSPTMS320F240全数字的控制实现。单相全桥式电压型SPWM逆变器电路拓扑结构图6所示。图中S1S4的通断由正弦脉宽调制产生的信号来控制。图6主电路拓扑图5.2 SPWM正弦脉宽调制方式。5.2.1单极性调制方式 单极性调制方式的特点是，在一个开关周期内两只功率管比较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压，另两只功率管比较低的输出电压基波频率工作，从而在很多程度上减小了开关损耗。但又不是固定其中一个桥臂始终为低频（输出基频），另一个桥臂始终为高频（载波频率），而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在

16、后半个周期则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡。对于选用同样的工作管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。5.2.2双极性调制方式双极性调制方式的特点是4个功率管都工作在较高频率（载波频率），虽然能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。5.23单极性倍率调制方式单极性倍率调制方式的特点是输出SPWM波的脉动频率是单极性的两倍，4个功率管都工作在较高频率（载波频率），因此，开关管损耗与双极性相同。5.3 三种调制方式下逆变器输出电压谐波分析5.3.1 单极性调制方式公式如下 5.3.2 双极性调制方式公式如下5.3.3单极性倍频调制方式公式如下 控制电路采用r TMS320F240数字信号处理器，主要任务是在定时中断内完成变压变频控制。控制程序由主程序和一个定时中断程序，主程序主要完成读取给定电压，过流判断，平均值外环计算等功能。定时中断程序完成采样输出电压，实时计算出下个开关周期输出的脉宽。三种调制方式下逆变器输出电压未经滤波前，单极性调制方式和双极性调制方式下逆变器输出电压谐波分量主要集中在升关频率及其倍频附近，且单极性调制方式下逆变器输出电压谐波分量比双极性要小。单极性倍频调制方式下输出电压的谐波分量主要有2倍升关频率及4