电力电子技术课程设计-正弦波逆变器的设计.doc

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1091 学 号: 201001019130 姓 名: 张文碧 指导教师: 谢卫才 杨青 2013年 6月 17 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 1091 学生姓名：张文碧 学号：201001019130 指导老师：谢卫才, 杨 青 审 批： 任务书下达日期 2013年 6 月3日设计完成日期 2013年 6 月17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 : 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 录基于CPWM控制方式的正弦波逆变器电路1引言21 单极性三阶SPWM谐波分析22 UPWM和HPWM的缺点33. CPWM控制方式原理44基于CPWM方式的逆变控制电路设计541工频正弦波、方波振荡电路542精密整流电路64.3闭环调节器设计64.4CPWM信号形成电路64.5死区形成电路64.6保护和软启动功能实现65实验与结果76结论8参考文献8基于CPWM控制方式的正弦波逆变器电路摘要：对单极性三阶sPwM波进行了谐波分析，指出了uPwM和HPWM存在的缺点，给出了CPWM逆变控制方式的原理CPWM方式对单极性正弦波逆变控制电路进行了具体设计，最后研制了一台独立光伏系统用单相正弦波逆变器。实验结果表明，基于CPWM控制方式的正弦渡逆变器性能优良，具有实用价值。关键词：CPWM控制方式、正弦波逆变器、调制失效、死区振荡引言采用SPWM逆变技术能有效改善输出正弦波的波形质量，相同条件下SPWM全桥逆变单极性控制比双极性控制的输出电压频谱有所改善，但传统的单极性控制方式存在着换相期间调制失效等缺点，为此，本文基于一种新型的单极性控制方式Complementary PWM(CPWM)即互补型设计了一台用于太阳能光伏系统的单相正弦波逆变器，实验结果表明，该逆变器能很好地克服传统单波极性逆变器的不足。图1 单极性三阶SPWM逆变波形1 单极性三阶SPWM谐波分析单极性三阶SPWM逆变波形如图l所示。在不考虑死区，且调制度US/UC=M1，波比S/C=N情况下，对单极性三阶SPWM波进行傅立叶级数载分析可得：式中：Uo为逆变器输入直流电压, s为调制正弦波角频率，Jm(mMrc)为积分算子：式中：M=096，N=400，s=100兀/rad时单极性三阶SPWM波的频谱如图2所示。图2 单极性三阶SPWM波的频谱图2 UPWM和HPWM的缺点单极性SPWM逆变通常有普通型单极(UPWM)和混合型单极性(HPWM)两种控制模式，UPWM的控制方式具有实现简单、桥臂“直通”可能性低、开关损耗较小等优点，但也存在低频桥臂换相时高频桥臂因反并二极管续流而无法实现调制从而造成输出谐波含量大的显著缺点，图3为UPWM控制方式下后SPWM电压和滤波电感电流PSpice仿真表明，在换相期间存在明显的调制失效现象，而且低频桥臂的死区期间还可能产生振荡。口wM的控制方式工作中每一个桥臂在前半个周期工作在低频，而后个半周则工作在高频，虽然能够克服UPWM方式的些不足，但又存在实现起来比较复杂的缺点。图3 UPWM方式调制失效和死区振荡仿真波形3. CPWM控制方式原理CPWM控制方式原理如图4(a)、(b)所示。图4(a)为SPWM逆变电路原理图，图4(b)中，UQ1、UQ2为高频(载波频率)桥臂彼此互补的一对驱动信号，UQ3、UQ4为低频(输出基频)桥臂彼此互补的一对驱动信号，低频桥臂换相时，如Q4关断、Q3开通时，滤波电感电流尚未换向，D3续流，而此时若高频桥臂的Q2处于关断状态，则Q1必处于开通状态，因此有效克服了UPWM方式的调制失效和死区振荡问题。 （a）SPWM逆变电路原理图（b）CPWM控制方式图4 CPWM控制方式原理4基于CPWM方式的逆变控制电路设计本文将常规PWM控制芯片KA3525引入单相单极性SPWM逆变控制电路的设计中，通过外接逻辑电路实现对逆变电路的CPWM单极性控制，电路设计如图5所示。图5 CPWM方式逆变控制电路41工频正弦波、方波振荡电路图5中，ARl、AR2构成正弦波、方波发生器，与通常的文氏电桥振荡器相比，它频率调节比较方便，只需改变尺1或尺2一个元件的数值即可调节振荡频率，它输出波形好，幅度稳定，且能同时输出正弦波和方波两种信号，若取Cl=C2=C，则振荡频率：根据光伏逆变应用要求，振荡频率为50 Hz。42精密整流电路图5中，AR3、AR4构成精密整流电路，输出负向全波正弦整流信号。该电路具有输入阻抗高、结构简单等优点，电路设计中R12、R13、R15应采用精密电阻，且R12=R13， R15=2R14。4.3闭环调节器设计逆变器闭环反馈控制由JPl(模拟乘法器AD633)实现，其原理是：由误差调节器送来差信号经EA如JUSTING端子输入，AD633的X2、Y1接地，则输出：式中：X1为误差信号，Y2为精密整流输出的负向波正弦信号，z应为KA3525A的5脚锯齿的最小值，在本文KA3525A参数设置条件下实测Z0875 V。4.4CPWM信号形成电路KA3525、G9、G10、G1l等组成高频CPWM信号形成电路。KA3525将AD633输出的幅度经反馈调节后的单向正弦波与自身产生的锯齿波比较，形成两路PWM信号A和B。G9、G10、G11组成的逻辑电路将其合成两路互补的高频CPWM信号。AR2输出的50 Hz方波由G1、G2倒相输出互补信号M和N，经死区形成和隔离放大作为低频桥臂Q3、Q4的驱动信号。4.5死区形成电路由于H桥逆变器的高、低频桥臂均工作于互补状态，因此，为确保功率电路工作安全可靠必须为每个桥臂的上下对管的驱动信号设置死区时间。图5中，R10、C4、G3、G4、G5和R11、C5、G6、G7、G8组成低频桥臂的死区形成电路，R20、C8、G12、G13、G14和R21、C9、G15、G16、G17组成高频桥臂的死区形成电路。4.6保护和软启动功能实现KA3525控制芯片的引入，不仅使得SPWM控制电路的设计得到简化，而且能方便地实现软启动和各种保护功能。KA3525的10脚外接过压保护电路送来的检测信号PROTECTION，一旦检测信号超过阈值，则启动保护机制封锁输出。同时KA3525内部还设置了完善的欠电压锁定电路, 以自动实现控制电路电源的欠压保护。图3中，只需一个电容C7即可实现系统的软启动。5实验与结果基于CPWM控制方式的H桥正弦波逆变器主开关管采用IRF840，两片IR2110作驱动，滤波电感L=11.2 mH，滤波电容C=4F。主要设计技术指为：输入DC80-285V，输出AC220 V，输出功率1000w，输出频率50 Hz，SPWM逆变载波频率4.8 kHz，载波比96。在阻感负载条件下实验主要波形如图6、图7所示。图6 逆变输出SPWM电压波形图7 逆变器输出工频正弦波电压和电流波形 6结论本文作为独立光伏电源系统的一个组成部分，对具有直流中间环节的高频环节逆变器的DCAC部分进行了研究和设计，实验结果表明，单极性CPWM控制方式具有输出谐波含量小、波形畸变小，能很好克服UPWM方式在输出滤波电感较大时存在的调制失效和死区振荡现象；并且引入常规PWM控制器KA3525A后实现起来也十分方便。参考文献1刘风君现代逆变技术及应用【M】北京：电子工业出版社2006LIU FengjunModem Inverting Technology and Its ApplicationsM Bering：Publishin House of Electronics Industry，20062胡兴柳彭小兵，穆新华SPWM逆变电源的单极性控方式实现【J】机电工程，20