电气工程课程设计-正弦波逆变器设计.doc

东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 2012 年 7 月 18 日 课 程 电气工程课程设计 题 目 正弦波逆变器设计 院 系 电气信息工程学院电气工程系 专业班级 电气 1 班 学生姓名 学生学号 指导教师 东北石油大学课程设计任务书 课程 电气工程课程设计 题目 正弦波逆变器设计 专业 电气工程及其自动化 姓名 学号 主要内容： 了解正弦波逆变器的重要性，及其在单极性、双极性和单极性倍频调制方式下所 产生的不同作用，并在有工频和无工频变压器的逆变电源下，进行正弦波逆变器设计。 基本要求： 了解开关管逆变器允许输出的峰值，电流的额定值可选为 30A，600V，TO274 封装的 IGBT 管及 LC 滤波的含义及功能。 参考资料： 1 李梅.电工基础 M 北京：中国电力出版社，2004 2 何仰赞，温增银电力系统分析 M 武汉：华中科技大学出版社，2004 3 张桂香机电类专业毕业设计指南 M 北京：机械工业出版社，2005 4 朱成.全面理解理论联系实际 J. 社会科学, 1983. 5 郭瑞.异步电动机自适应矢量控制系统的设计与仿真 D辽宁工程技术大学, 2000 . 完成期限 2012.7.10 至 2012.7.18 指导教师 专业负责人 2012 年 7 月 9 日 目 录 1 设计要求 1 2 正弦波逆变器的设计要求和主电路形式 1 2.1 逆变电源的设计和目标2 2.2 主电路形式选择2 2.3 有工频变压器的逆变电源2 2.4 无工频变压器的逆变电源.2 3 有工频变压器的逆变器主电路设计 2 3.1 电路形式2 3.2 参数设计3 4 无工频变压器的逆变器主电路设计4 4.1 电路形式4 4.2 参数设计 .5 5 逆变控制电路的设计 5 6 正弦波输出变压变频电源调制方式 7 6.1 正弦脉宽调制技术7 6.2 三种调制方式下逆变器输出电压谐波分析.8 7 结论9 参考文献.11 电气工程课程设计（报告） 1 1 设计要求 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。 电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR） 、可关断晶闸管（GTO） 、晶体管 （BGT） 、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、 低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT 具有高可 靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些 高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术。 IGBT 最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它 的并联不成问题，由于它本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管 IGBT 模块 在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主 要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外，绝缘材料的缺陷 也是一个问题。 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，在此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了较高的要求。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，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 电子领域的研究特点之一。 在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了达到 SPWM 波，一般都采 用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的 4 个功率管都工作在较高频率 （载波频率） ，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高损耗越大。本文针对 正弦波输出变压变频电源 SPWM 调制方式及数字化控制策略进行了研究，以 YMS320F240 数字信号处理器为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实 现逆变电源变压、变频输出。 2 正弦波逆变器的设计要求和主电路形式 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， 电气工程课程设计（报告） 2 所以需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。 逆变电源的工作原理与 UPS 有以下两点区别： (1) 逆变电源不需要与交流电网锁相同步，因为其负载可以瞬间停电。 (2) 逆变电源的输入直流电压为 180285V，而 UPS 内置电池电压为 12V 或 24V。 2.1 逆变电源的设计和目标 (1) 输出电压：输出为单相 220VAC（有效值），频率为 50Hz1Hz。 (2) 输出功率：以 1KW 为例，允许过载 20，即 Pomax=1200W (3) 输出电流：允许失真度为 3 倍，即在电压峰值时的电流峰值允许最大为 有效值的 3 倍，最大有效值为 Pomax/Voe=1200W/220V5.5A。 (4) 整机效率：设计目标 82% 2.2 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。 2.3 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。 2.4 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 SPWM 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。 3 有工频变压器的逆变电源主电路形式 3.1 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 电气工程课程设计（报告） 3 成以 IGBT 为开关的桥式逆变电路形式，如图 1 所示。 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。 3.2 参数设计 3.2.1 逆变变压器 变压器输出 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 + - C1 C2 L T 电气工程课程设计（报告） 4 23 ce cm1140104.11 .21103.30.90504.445.90 5.9011200 AA ）（ 可选取 CD 型 400Hz 硅钢铁芯查出截面积 Ae，求出有效面积 Se=AeKe, 然 后就可以由下面的两个公式先求出原边匝数，再求出副边匝数。 N1=V1max/(KfSeBm) N2=N1/n 导线截面：副边 S2=I2/j=5.5/31.8(mm),选 1.2mm 漆包线两股并绕；原 边 S1=I1/j=Ni2/J=1.875.5/33.43(mm),1.2mm 漆包线三股并绕。 3.2.2 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=35.51.8731(A) 4 无工频变压器的逆变器主电路设计 4.1 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，其电路形式如图 2 所示。 图 2 单相 SPWM 逆变主电路 电源 350V，各个管子分别为 Tr1、Tr3、Tr2、Tr4。 + - C L 电气工程课程设计（报告） 5 4.2 参数设计 4.2.1 开关管 逆变器允许输出峰值为 Im=3Iom=35.5A=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。 4.2.2 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 CBB61-10F- 250VAC。 5 逆变控制电路的设计 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 电气工程课程设计（报告） 6 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 电气工程课程设计（报告） 7 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，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。 6 正弦波输出变压变频电源调制方式 6.1 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。 SPWM 正弦脉宽调制可分为双极性调制方式、单极性调制方式和单极性倍 频调制方式。 电气工程课程设计（报告） 8 图 6 主电路拓扑图 6.1.1 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。 6.1.2 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。 6.1.3 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。 6.2 三种调制方式下逆变器输出电压谐波分析 电气工程课程设计（报告） 9 6.2.1 单极性调制方式公式如下 2 0 1 0 0 4211 ( )12sinsin1sin2 22 N K EKffK UfM NffNNff 6.2.2 双极性调制方式公式如下 2 0 1 0 0 4211 ( )sinsinsin2 2 N K EKfMfK Uf NffNNff 6.2.3 单极性倍频调制方式公式如下 0 1 0 0 4211 ( )sinsinsin2 2 N K EKfMfK Uf NffNNff 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 倍开关频率附近。选择 SPWM 逆变器的 输出 LC 滤波器的转折频率为开关频率的 I/IO,LC 滤波器对开关频率及其倍频附 近的谐波具有明显的衰减作用。 7 结论 10 年前，IGBT 出现在世界技术舞台的时候，尽管它凝聚了高电压大电流晶 闸管制造技术和大规模集成电路微细加工手段二者的精华，表现出很好的综合性 能，许多人仍难以相信这种器件在大功率领域中的生命力。现在，跨世纪的 IGBT 显示了巨大的进展，形成了一个新的器件应用平台。 本课程设计对正弦波输出变频变压电源的不同调制方式进行了分析研究，结 果表明，在输出电压要求的频率范围内，无论是变压变频电源输出电压的 THD 仿真结果，还是实际输出电压的 THD 实测数据（包括开环、闭环） ，单极性调制 方式下正弦波输出变压变频电源输出电压的 THD 值比其它两种调制方式小；而 且单极性调制方式下功率管的损耗小于其它两种调制方式，因此，对正弦波输出 电气工程课程设计（报告） 10 变频变压电源来说，单极性调制方式无论无论输出电压波形的质量还是开关损耗， 都优于其它两种调制方式。正弦波逆变器在日常生产生活中，起