恒压恒频正弦波逆变电源设计方案

1 恒压恒频正弦波逆变电源设计方案 1 主电路 单相 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 输出为 110入逆变电路控制采用专用芯片，输出逆变电路 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，单片机将停止 出，保护电源的器件。 流电路 整流电路采用桥式整流电路。 桥式整流电路如图 1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t二极管承受的最大正向电压为 承受的反向电压为122 要使整流后电压连续需满足3妨取 C=R=10 2 谐波越小，本设 计取变 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 G 3 6 G 3 6 G 3 6 G 3 6图 1 2 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 取 1R，逆变器原边输出电压d 要得到电压02 ，00270m 取6L=到功率为 700W 3 2 制电路设计 的基本原理 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角波为载波，正弦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 图 2制示意图 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 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 冲宽度，就可以平滑地调节输出电压的 基波幅值。采用了 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。 三角载波 正弦调制波 比较器 4 tt正弦波等效的矩形脉冲序列波形 全桥逆变器的控制脉冲按调制方式可分为单极性 极性倍频 种。单极性 输出电压只能在 0 到 0 到 间变化，没有极性的交替，双极性 输出电压则可以在 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 制方式由于比单极性 80 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 块的具体电路模型如图 2 图 2生模块电路 其中载波频率为制比为 于 现 负载为线性时，传统的比较器，专用集成电路，单片机等产生 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 5 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 们方便的实现频率很高的 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 文使用 生成方法 脉冲波的产生主要由脉冲调宽芯片 完 成。根据芯片 使用原理，先由集成函数发生芯片 生 50正弦波信号，该正弦波分两路输出。因为 部的锯齿波幅度位于 1而产生的正弦波一路经相应的处理后将其幅值调整至 1后输入以 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 另一路正弦波则经过处理转化为 50方波作为基准信号，该基准信号与 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 由 出高频的调宽脉冲以控制四个场效应管的交替导通，输出的电压在经过 频滤波后便可输出稳定的准正弦波供负载使用。 I 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，简称称 0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 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 其传递函数，00 K 6 3 电路设计 桥逆变电路设计 本文选用单相全桥电路结构，如图 3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变电桥 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 600 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 于正弦波。整流器输出电流有效值与平均值之比为 2于正弦波 值电流与平均值之比约为 。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。 7 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%) F 或该数量级其他电容，只要电容 压峰值电压 00V(取 2 F /630V)。 滤波电容器在输入电压为 V%)201(220 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 V%)201(220 时，按输出功率选择为：不低于 1（即大于或等于 1）。 计算依据：当 V%)201(220 交流输入最低时，整流输出电压最低值不 低于200V，同一输入电压下的整流滤波输出电压约为 10电压差为 40V，每半个周期（ 10整流器导电时间约 2余 8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V 01。0A）， t 为电容提供电流时间 (s)； V 为所允许峰值纹波电压 (V)。 6030 102 0 040 108 0000 200 2000000 由上式计算得 C 为 60 10 实际选用标称值为 50220的电容。 8 C 滤波电路电路设计 滤波电路及原理 逆变出来的交流还需要经过 波后波形才会使波形更接近标准正弦波。 12J P ?H E A D E R 2 0 n 0 P FU q yI i n I o u 波电路 11)()()(2 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 50准正弦波。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 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。 9 数计算 本系统采用双极性 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 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 滤波电感和正激类的开关电源的输出滤波电感类似，只是 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量： 入逆变 H 桥的电压有效值为 198V； 出电压有效值为 110V； D ： 波的占空比，是按正弦规律不断变化的； 开关频率，以 1080例； 出电流，电感的峰值电流约为 o； 关管的导通时间，实际是按正弦规律不断变化的； L ： 波器所需的电感量； R ：逆变器的负载电阻。 于是有： )( 综合以上式可知： f 1( 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： 2%151 0 0 0 2 2 0 2R 从1( 可以看出， U 的瞬间 L=0，不需要电感； 小 10 需要的 L 越大，我们可以折中取当70 。 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基波的 5计算就可以了。其计算公式为： 21 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 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 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 波给 片如供电即可。需要注意的是 R 的压降控制在 V 比较合适，因为一般 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 片供电电压过低容易引起不工作或对功率 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 压到稳定的 12V 给 片供电，电路如图 3示： D?D 1 N 4 9 3 4C? E E E E E U 8 1 2C?E L E C T R O 1C O M A W W 4M C 3 4 0 6 3C?C?E L E C T R O 1L?+ 1 2 助电源电路 上图中 来自 12V 电池，电压变动范围为 10用了 片 片比较简单经济地实现了上述功能。 11 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 一般的情况下死区时间应选择小于 1 s ，在本试题的解决方案中，考虑到种种因素，驱动 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 s 。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 Lv dt dt dt dt 个上下桥臂的带有死区时间的驱动信号对应的时序 图中， A 、 A 、111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 真软件的介绍 一个功能强大的常用数学软件 , 它不但可以解决数学中的数值计 12 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， 984 年由美国的 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。 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 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，并对模型进行仿真。在 台上仿真模型的可读性很强，这就避免了在 口使用 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。 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。 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 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 (统的仿真，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 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 成 了模块库。 模块库实际上就是用 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 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 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。 13 路设计 下图 4 图 4环电路仿真图 把图 4且经过 节器， 形成闭环电路如下图 4 图 4环控制电路 出结果仿真并分析 下图 420V/50电压波形和整流后的波形。 14 图 4入电压波形和整流波形 将图 4流后的直流波形可以得到，输出的电压为 314V。 下图 4 15 图 4动信号波形 其中上图中上下两个波形分别是两个互补的 下图 4有经过变压器）的波形， 图 4逆变后波形 由上图可以得到逆变后的波形的幅值为 300V。再经过变压器变压之后得到输出波形。 加上闭环控制之后输出波形为下图 4 16 图 4环控制输出电压、电流、功率波形图 17 结束语 通过此次综合课程设计，我的计算及分析问题能力有了较大提高 ,并能将学到的理论知识很好的运用到工程实践中。设计过程中我阅读了大量有关电力电子方面的书籍，