高频链逆变器研究与设计.doc

Comment 微微微微1 英文未体现 东北石油大学本科生毕业设计 论文 摘 要 在电力电子技术领域中 逆变技术有着其重要地位 它是现代电力传动系统 中的主要支撑 是不间断电源 UPS 的核心技术 随着通讯 电子技术和电力系 统的进步 对电源的性能 重量 体积 效率和可靠性及环保提出了更高的要求 高频链逆变技术正是在这种情况下得到重视并蓬勃发展的高新技术领域 目前 单向电压源高频链 DC AC 功率变换器应用较为广泛 这类变换器适用 于从电源向负载单向传输功率的系统 通态损耗低 系统效率高 本文采用逆变 总体方案为 DC AC 直流电源向负载传输功率时 首先对逆变器进行 SPWM 调制 逆变器将直流电能转变成交流电能 再经过高频变压器输出高频交流电 然后经 过 LC 滤波器滤波得到低频交流电之后供给负载 最后通过 MATLAB7 0 Simullnk 环境下 对单向电压型高频链逆变器进行了建模和仿真 仿真结果证明了该方案 的可行性 关键词 高频链逆变技术 PWM 控制技术 高频变压器 东北石油大学本科生毕业设计 论文 Abstract In the field of power electronics technology Inverter technology has an important position It is a modern electric drive system of the main support Is an uninterruptible power supply UPS of the core technology As the communications electronics and advances in power system the performance of the power weight volume efficiency and reliability and environmental protection put forward higher requirements High frequency link inverter technology is taken seriously in this case and booming high tech fields Now one way frequency link voltage DC AC power converter is widely used These converters suitable for one way transmission from the power supply to the load power system state low loss high efficiency of the system In this paper the overall program for the inverter DC AC DC power to the load when the transmission power First modulation SPWM inverter for the inverter to direct current into AC power through the high frequency transformer AC output frequency and then after LC filter after filtering by low frequency AC supply load Finally MATLAB7 0 Simullnk environment on the one way voltage inverter with high frequency were modeling and simulation simulation results prove the feasibility of the program Keywords High frequency link inverter technology High frequency transformer 东北石油大学本科生毕业设计 论文 I 目录目录 目录 I 第 1 章 概述 1 1 1 高频链逆变技术的现状和发展 1 1 2 课题研究的背景与意义 3 1 3 本课题研究主要内容 3 1 4 本章小结 4 第二章 高频链 DC AC 逆变器的原理 4 2 1 逆变电源的控制技术 4 2 2 高频链技术的分类及特点 7 2 3 单向电压型高频链 SPWM 逆变器的研究 12 2 4 本章小节 13 第三章 高频链逆变电源的设计 14 3 1 逆变电源的性能要求 14 3 2 高频链逆变电源的总体方案设计 15 3 3 高频变压器的设计 16 3 4 输出滤波器的设计 21 3 5 本章小节 24 第四章 仿真与实验结果分析 24 4 1MATLAB 软件仿真介绍 24 4 2 高频链逆变器的系统仿真模型 25 4 3 仿真结果与分析 27 4 4 本章小结 28 结论 29 参考文献 30 致谢 32 东北石油大学本科生毕业设计 论文 1 第 1 章 概述 21 世纪是能源开发 资源利用与环境保护互相协调发展的世纪 能源的优化 利用与清洁能源的开发 是能源资源与可持续发展战略的重要组成部分 具有世 界三大能源之称的石油 天然气和煤等化石燃料将逐渐被耗尽 氢能源与再生能 源将逐渐取代化石燃料而成为人类使用的主体能源 这种能源的变迁将迫使发电 方式产生一次大变革 使用氢能源与再生能源的高效低污染燃料电池发电方式 将成为主体发电方式 在这种形式下 电力电子技术在新能源的开发和利用领域 有着至关重要的地位 1 在电力电子领域中 逆变技术有着其重要地位 它是现 代电力传动系统的主要支撑 是不间断电源 应急电源的核心技术 更是太阳能 风能潮汐能和化学能等为代表的新能源转化为电能并形成并网发电的关键 此外 逆变技术还在如下领域有着广泛的应用前景 1 以直流发电机 蓄电 池 太阳能电池和燃料电池为直流电源的领域 如航空静止变流器 DC27V 或 270 AC115V 400Hz 通信静止变流器 DC48V AC220V 50Hz 2 以变频或 恒频交流电为主交流电源 而且采用交一直一交变换方式的场合 如飞机变速恒 频电源 变频交流电 AC115V 400Hz 和变频电源 AC220V 50Hz AC115V 400Hz 或 AC115V 400Hz AC220V 50Hz 3 交流 电机变频调速系统中的核心部件一逆变器等 本文主要针对小功率单向电压型高频链逆变器展开理论 技术和工程方面的 研究 这一类逆变器的共同点是低压直流输入并且电路拓扑中加入高频链进行隔 离 其输出可为一般电气设备提供工频或可变频率的交流电源 这一类电源在航 空 民用和新能源转换领域有着较为广泛的应用前景 1 1 高频链逆变技术的现状和发展 EMC 滤波器 全桥 逆变器 工频隔离 变压器 低频 滤波器 24V 48V DC输入 220V AC输出 图 1 1 传统逆变器电路结构 如图 1 1 为传统逆变器电路结构 此种逆变器通常用于 UPS 车载电源 光 伏电源等小功率电源 此结构中主功率变换电路由全桥逆变器 工频隔离变压器 东北石油大学本科生毕业设计 论文 2 和低频滤波器三部分组成 控制电路产生驱动信号来驱动开关器件进行开关动作 将直流电转换为基频为 50Hz 的正弦脉宽调制波 再经过隔离变压器 低频滤波 器得到 50Hz 的正弦交流 这种传统的逆变电路结构性能可靠 技术成熟 已经得到了广泛的应用 但 是仍然存在一定的不足 6 1 升压变压器工作在低频状态并且原副边电压差较大 因此 由于传递的电 压波形是 SPWM 波 其中含有的谐波成分会引起变压器的附加发热 为满足散 热要求 不得不加大变压器的体积和重量 同时为了减小谐波引起的铁耗 需要 采用更薄的冷轧硅钢片 带来成本的增加 此外 谐波也是噪音的根源 2 逆变器体积大 损耗大 由于在全桥逆变器输出端接入了工频隔离升压变 压器 无形中增加了整个系统的体积 3 对于输入电压及负载的波动 装置的动态响应性能较差 为了解决以上问题 人们不断提出了各种各样的方法 特别是将逆变器的开 关频率提高至 20KHz 以上 可以解决上面提到的滤波器体积 噪音和动态响应问 题 但是由于工频变压器的体积和逆变器的开关频率无关 只是和变压器的基波 频率有关 因此单纯的从提高逆变器的开关频率这方面并不能减小变压器的体积 7 为了实现逆变电源的小型化 轻便化和高效化的目的 必须研究新的逆变拓 扑结构或控制策略 高频链逆变技术就是在这种背景之下应运而生 Paul M Espelage 和 Bimal K Bose 于 1977 年提出了高频链逆变技术 8 采用 高频链逆变技术的目的就是高频变压器取代基频 工频 变压器传输能量 并实现 变流装置的一 二次侧的电气隔离 这样不仅仅减小了逆变器的体积 重量 而 且也大大提高了逆变器的性能 虽然该文献提出的可变高频链逆变技术的概念具 有许多的优点 然而由于当时半导体器件的限制 其工作频率局限在 2 4KHz 的 范围 还不能完全体现出高频链逆变技术的优点 1980 年 Mr Jaiade 从另一个 角度分析了高频链逆变技术的拓扑结构 9 如图 1 2 所示 参考电压降压或升压变压器全控桥 负载反馈 图 1 2 高频链逆变器框图 该拓扑结构通过高频 DC DC 环节获得合适的直流电压 然后通过逆变器获 东北石油大学本科生毕业设计 论文 3 得所需的交流输出 这种拓扑在 DC DC 环节中使用了高频变压器 避免了使用 工频变压器 进入上世纪 90 年代 高频链逆变技术开始受到国内学者的极大关注 发表 了大量的相关文献 文献 7 首次提出了一种适用于中小功率场合 新颖的全桥电 流源高频链逆变器 其特点是电路拓扑结构简单 无需输出滤波电感 控制方案 容易实现等 进入本世纪 又相继出现了一些新的高频链逆变器电路拓扑结构和 控制方案 文献 18 23 主要提出了推挽式 半桥式和反激式电流源高频链逆变器的 电路拓扑和控制方案 电路结构都是基于反激式 Fly back 变换器 它是由高频逆 变器和周波变换器组成 其中高频变压器不但提供电气隔离和电压调整还兼具储 能作用 因此可以省去输出滤波电感 与传统的逆变拓扑相比 高频链逆变技术 具有以下优点 l 系统的效率高接近 DC DC 变换器的效率 2 可靠性较高 3 系统的动态响应好 4 输出电压的波形失真度小 5 系统易于串并联 1 2 课题研究的背景与意义 经研究发现 当前提出的电流源高频链逆变电路拓扑在每一个工作模式下等 效于反激变换器 此种电流模式逆变器具有拓扑紧凑 动态响应好 控制简单 无输出滤波电感等优点 由于电流模式高频链逆变器工作在不连续状态 这就导 致了很高的开关电流 电压应力和相当高的导通损耗 在输出电压的正 负半周 变压器都在连续的 SPWM 脉冲下工作 高频变压器在把能量释放给负载前存储 了所有的能量 因存在器件和磁性材料的容量限制等原因 使之难以用于大输的 情况 这将引起输入直流侧电压的波动 对直流母线上工作的其他部件造成不良 影响 尽管双向逆变器的技术水平高于单向逆变器 但对某一类应用来说依据功 能 性能 可靠性和成本等综合考虑 最合适的方案才是最佳方案 对于应用于 运输工具 UPS 和分布式发电系统大量选用的小功率装置来说 单向电压型高频 链逆变器有其自身独特的优势 技术成熟 成本低 可靠性高 尤其对小功率的高 频链逆变器来说 产品的成本和可靠性是非常重要的 1 3 本课题研究主要内容 本文主要研究了一种基于 PWM 控制高频 DC AC 逆变器 整个装置以全桥 逆变器和变压器为主拓扑结构 以电解电容作为储能滤波元件 当负载为感性或 东北石油大学本科生毕业设计 论文 4 容性时 提供变换器能量交换所需的无功功率 而不需要将能量送回直流侧 利 用 MATLAB SIMULINK 软件包建立其仿真模型并采用单极性移相 SPWM 控制策 略 给出了主要的仿真波形 仿真结果表明 采用单极性移相 SPWM 控制策略 的高频脉冲 DC AC 逆变器是可行的 1 4 本章小结 本章介绍了传统逆变技术和高频链逆变技术的现状和发展以及两种逆变技术 的区别 深入分析了现有的逆变拓扑结构 东北石油大学本科生毕业设计 论文 1 第二章 高频链 DC AC 逆变器的原理 2 1 逆变电源的控制技术 PWM Pulse Width Modulation 控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技 术 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制 来等效的获得所需要的波形 含形状 和幅值 面积等效原理是 PWM 技术的重要基础理论 一种典型的 PWM 控制 波形 SPWM 脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形称为 SPWM 波 PWM 控制技术在逆变电路中的应用十分广泛 目前中小功率的逆变电路几乎 都采用了 PWM 技术 逆变电路是 PWM 控制技术最为重要的应用场合 根据 PWM 控制的基本原理 PWM 控制技术可分为计算法和调制法 如果给出 了逆变电路的正弦波输出频率 幅值和半个周期内的脉冲数 PWM 波形中各脉冲 的宽度和间隔就可以准确计算出来 按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的 通断 就可以得到所需要的 PWM 波形 这种方法称之为计算法 可以看出 计算 法是根烦琐的 当需要输出的正弦波的频率 幅值或相位变化是 结果都要变化 与计算法相对应的是调制法 即把希望输出的波形作为调制信号 把接受调 制的信号作为载波 通过信号波的调制得到所期望的 PWM 波形 通常采用等腰三 角波或锯齿波作为载波 其中等腰三角波应用最多 因为等腰三角波上任一点的 水平宽度和高度成线性关系且左右对称 当它与任何一个平缓变化的调制信号波 相交时 如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制 就可以得到宽度正 比与信号波幅值的脉冲 这正好符合 PWM 控制的要求 在调制信号波为正弦波时 所得到的就是 SPWM 波形 这种情况应用最广 由于实际中应用的主要是调制法 下面结合具体电路对这种方法作进一步说明 Comment 微微微微2 固定行距 20 磅 东北石油大学本科生毕业设计 论文 2 高频变压器 LC滤波器 R L VT1 VD1 VT2VD2 VT3 VD3 VT4 VD4 Ud 调制 电路 Ur Uc 信号波 载波 C U0 图 2 1 单向桥式 PWM 逆变电路 图 2 1 是采用 IGBT 作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路 设负载为阻 感负载 工作时 V1和 V2的通断状态互补 V3和 V4的通断状态也互补 具体的控 制规律如下 在输出电压的正半周 让 V1保持通态 V2保持断态 V3和 V4交 0 u 替通断 由于负载电流比电压滞后 因此在电压正半周 电流有一段区间为正 一区间为负 在负载电流为正的区间 V1和 V4导通时 负载电压等于直流电 0 u V4关断时 负载电流通过 V1和 VD3续流 0 在负载电流为负的区间 d U 0 u 仍为 V1和 V4导通时 因为负 故实际上从 VD1和 VD4流过 仍有 0 i 0 i d Uu 0 V4关断 V3开通后 从 V3和 VD3续流 0 这样 总可以得到和零两 0 i 0 u 0 u d U 种电平 同样 在的负半周 让 V2保持通态 V1保持断态 V3和 V4交替通断 0 u 负载电压可以得到 和零两种电平 0 u d U Comment 微微微微3 东北石油大学本科生毕业设计 论文 3 UcUr u 0 u0 uof u0 Ud Ud wt wt 图 2 2 单极性 PWM 控制方式波形 控制 V3和 V4通断的方法如图 2 2 所示 调制信号 Ur 为正弦波 载波 Uc 在 Ur 的正半周为正极性的三角波 在 Ur 的负半周为负极性的三角波 在 Ur 和 Uc 的交点时刻控制 IGBT 的通断 在 Ur 的正半周 V1保持通态 V2保持断态 当 Ur Uc 时使 V4导通 V3关断 U0 Ud 当 Ur Uc 时使 V4关断 V3导通 U0 0 在 Ur 的负半周 V1保持断态 V2保持通态 当 Ur Uc 时使 V3导通 V4关断 U0 Ud 当 Ur Uc 时使 V3关断 V4导通 U0 0 这样 就得到了 SPWM 波形 U0 4 根据采样控制理论中一个重要的结论 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具 有惯性的环节上时 其效果基本相同 冲量即指窄脉冲的面积 这里所说的效果 基本相同 是指环节的输出响应波形基本相同 如果把各输出波形用博里叶变换 分析 则其低频段非常接近 仅在高频段略有差异 将正弦半波分成 N 等分 则 可将正弦半波看成由 N 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形 这些脉冲宽度相等 都等于 p N 但幅度不等 且脉冲顶部不是水平直线 而是曲线 各脉冲的幅度 按正弦规律变化 如果把上述脉冲序列用相同数量的幅度相等而宽度不等的矩形 脉冲代替 使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合 且使矩形脉冲和相 应的正弦波部分面积相等 则得到新的脉冲序列这就是 SPWM 波形 可见该波形 东北石油大学本科生毕业设计 论文 4 的各脉冲幅度相等而其宽度是按正弦规律变化的 根据面积等效原理 该波形和 正弦半波是等效的 对于正弦波的负半周可用同样的方法获得 SPWM 波形 产生 SPWM 波一般有三种方法 模拟电路 数字电路和大规模专用集成芯片 在模拟电子电路中采用正弦波发生器 三角波发生器和比较器来实现上述的 PWM 控制 这种电路元件多 线路复杂 精度不高 随着 PWM 技术的广泛应用 国际 上出现了多种 PWM 专用集成电路 这些集成芯片精度高 可靠性高 但一般专用 性较强 广泛应用于交流电机变频调速以及 UPS 系统中 随着微处理器性价比的不断提高 数字化 PWM 的发展很快 改成数字控制后 开始时只是把同样的方法数字化 即在正弦波和三角波的自然交点处 控制功率 开关器件的通断 称作 自然采样法 自然采样法是最基本的方法 所得 SPWM 波形也很接近正弦波 但这种方法运算比较复杂 在采用微机控制时需花费大量 的时间 难以实现实时控制 目前在工程上实际应用不多 在工程上更实用的是 简化的规则采样法 其效果接近自然采样法 而运算量则要小得多 取三角波两 个正峰值之间为一个采样周期 Tc 在自然采样法中 每个脉冲的中点并不和三角 波一个周期中点 即负峰值点 重合 而规则采样法使两者重合 也就是使每个脉 冲的中点都与对应的三角波中点重合 从而使计算大为简化 用规则采样法获得 的脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近 SPWM 调制可分为一单极性和双极性调制 在单极性 SPWM 电路中 输出电压 只能在 0 3 3V 之间变化 没有极性的交替 而双极性的电路中 输出电压的变 化是在 3 3V 3 3V 之间变化 变化幅度比单极性大两倍 单极性调制电路与双 极性调制电路相比 优点是输出电压谐波分量小 易于滤除 2 2 高频链技术的分类及特点 2 2 1 电压型高频链逆变器 电压型高频链逆变器按电路拓扑结构可分为升 降压变换型 Buck boost Converter Type 高频链逆变器和周波变换型 Cycloconverter Type 高频链逆变器 即带有中间直流环节和不带中间直流环节的高频链逆变器 电压型逆变电路有以下主要特点 1 直流侧为电压源 或并联有大电容 相当于电压源 直流侧电压基本无脉动 直流回路呈现低阻抗 2 由于直流电压源的钳位作用 交流侧输出电压波形为矩形波 并且与负载阻 抗角无关 而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同 3 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率 直流侧电容起缓冲无功能量的作 用 为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道 逆变桥各桥壁都并联 Comment 微微微微4 首行缩进 东北石油大学本科生毕业设计 论文 5 反馈二极管 单向电压型高频链逆变器的电路框图如图 2 5 所示 逆变器整流器SPWM逆变器 输出滤波器 变压与电气隔离型DC DC变换器 a SPWM逆变器整流器 输出滤波器 工频 逆变 器 b 图 2 5 单向电压型高频链逆变器电路结构 由图可知 单向电压型高频链逆变器的拓扑结构采用的是直流 高频交流 直流 低频交流的电路拓扑结构 具有中间直流环节 能量从电源侧向负载侧单 向传输 实际上就是在直流侧和逆变器之间插入了一级 DC AC 变换器 从而能 够使用高频变压器实现电压调整和电气隔离 省掉了传统的笨重的工频变压器 单向型高频链拓扑结构主要有两种控制策略 第一种控制策略如图 2 5 a 图所示前 级高频逆变器部分输出等占空比 50 的高频方波电压 经高频隔离变压器后 通过整流滤波变成直流 然后经过后级 SPWM 逆变器部分逆变和 LC 滤波器滤波 输出工频交流电 第二种控制策略如图 2 5 b 图所示前级高频逆变部分输出的是 高频 SPWPM 波 经高频隔离变压器后 通过整流滤波变成脉动直流 即馒头波 然后经过后级的工频逆变器部分逆变输出工频交流电 进一步分析可知 由于图 2 5 a 中前级 DC DC 变换器和后级 SPWM 逆变器中的功率开关管 均工作于高 频状态下 导致整个系统的损耗增大 效率降低 相对于图 2 5 a 图 2 5 b 中 只有前级 SPWM 逆变器中开关管工作于高频状态 后级工频逆变部分工作于低 频 所以整个系统的损耗较少 效率也得到提高 东北石油大学本科生毕业设计 论文 6 2 2 2 单向电压型高频链逆变器 Ud Lin Cin C1 Vd Vc V1 D1 T A D2 VTf Cr VT1 VD1 L VT4 VT2 VD2 VT3 VD3 C RL VD4 图 2 6 单端正激有源钳位电压型高频链逆变电路 图 2 6 为单端正激有源钳位电压型高频链逆变器电路拓扑结构 该电路由输 出低频正弦半波的高频隔离 DC DC 变换器和低频逆变桥级联而成 前级高频隔 离 DC DC 变换器采用单端正激变换器电路 功率管采用 SPWM 控制方式 让直 流变换器的输出跟踪一个低频正弦的绝对值电压波 即馒头波 以使直流变换器 的输出得到一个低频正弦半波 再经过桥式功率管的换向和低频滤波器的滤波 最终在输出端得到正弦交流 钳位开关管 Vc 与钳位电容 C1串联 构成了正激变 换器的有源钳位支路 实现了高频变压器 T 的磁复位 功率开关 vTr 与电容 C 串联支路不但可以用来吸收 DC AC 全桥逆变器交流侧回馈的无功能量 而且还 可以实现高频脉冲电压波占空比的扩展 2 2 3 电流型高频链逆变器 电压型高频链逆变器虽然具有变换效率高 输出容量大及输出电压文波小等 优点 但是电压型高频链逆变器在过载甚至短路时 其功率开关管电流的上升率 要比正常工作时大得多 减小了保护电路的动作时间 因而可靠性较差 基于反 激 Fly back 变换器的电流型高频链逆变器 由于储能式变压器的电感能够自动 起到限流作用 在过载甚至短路时 其功率开关管电流的上升率与正常工作时相 差不大 从而为功率开关管的保护电路赢得了足够的动作时间 因而其可靠性将 比电压型高频链逆变器高 电流型逆变电路有以下主要特点 1 直流侧串联有大电感 相当于电流源 直流侧电流基本无脉动 直流回路呈 现高阻抗 2 电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径 因此交流侧输出电流 为矩形波 并且与负载阻抗角无关 而交流侧输出电压波形和相位则因为负 Comment 微微微微5 同 3 东北石油大学本科生毕业设计 论文 7 载阻抗情况的不同而不同 3 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率 直流侧电感起缓冲无功能量的作 用 因为反馈无功能量时直流电流并不反向 因此不必像电压型逆变电路那 样要给开关器件反并联二极管 基于 Fly back 变换器的电流型高频链逆变器的电路拓扑如图 2 7 所示 此电 路拓扑结构由高频逆变器 高频储能式变压器 频率变换器和输出滤波器构成 具有电路结构简单 变换效率高 输出纹波大和输出容量小等特点 高频逆变器整流器 输出滤波器 高频储能变 压器 图 2 7 电流型高频链逆变器电路拓扑结构 直流电源向负载传输功率时 高频逆变器将直流电能变换成脉动的电流能储 存在储能式高频变压器中 频率变换器将此脉动电流低频解调 经过输出滤波器 滤波后得到低频交流电 当负载向直流电源回馈能量时 频率变换器工作在制状态 高频逆变器工作在整流状态 实现能量的双向传输 2 2 4 单向电流型高频链逆变器 Ud L Cd VT1 T VT2 VD1 C RL VD2 VT3 图 2 8 单向电流源高频链逆变器 东北石油大学本科生毕业设计 论文 8 图 2 8 所示为单管单向电流源高频链逆变器 该种形式的逆变器具有拓扑结 构简单 紧凑 动态响应好 控制策略简单等优点 但是每一个次级绕组只工作 半个周期 变压器的利用率较低 电流模式的高频链逆变器工作在不连续工作状 态 这就导致了很高的功率开关管电压 电流应力问题和较大的导通损耗 2 2 5 双向电流型高频链逆变器 VT1 VD1 Ud VT2 VD2 L1 L2 Ls T VT3 VD3 C VT4 VD4 Z0 图 2 9 推挽式单级电流源高频链逆变器 与单向电流源高频链逆变器相比 双向电流源高频链逆变器具有简单的变 器结构 次级周波变换器中功率开关管的电压应力较小 正常情况下 周波变换 器中的功率开关管工作在低频状态 只有当功率从负载向直流电源回馈时 1 一作 在高频 这就解决了电压型高频链逆变器固有的电压过冲问题 图 2 9 所示为推 挽式高频链单级电流型逆变器电路结构 其中 VT1 VT2 组成高频逆变器 VT3 VT4 几组成了周波变换器 T 为高频变压器 功率开关管 VT1 VT2 主要用 来控制每个开关周期传递到次级侧的直流能量 高频变压器具有电气隔离 调整 电压和储能的作用 周波变换器 VT3 VT4 用来实现交流电压的换向 Comment 微微微微6 标题修改 东北石油大学本科生毕业设计 论文 9 2 3 单向电压型高频链 SPWM 逆变器的研究 2 3 1 取代工频变换器的基本原理 变压器示意图如图 2 10 所示 当加在变压器原边的电压波形是频率的正弦f 波 则有 2 1 SBfNU m11 44 4 N2N1 U1U2 图 2 10 变压器示意图 其中 U1 原边电压有效值 V U2 副边电压有效值 V 变压器工作频率 Hz f N1 原边绕组匝数 匝 N2 副边绕组匝数 匝 Bm 磁通密度的最大值 T S 铁心有效横截面积 m2 由 2 1 式可知 当原边电压 U1和铁心材料选定即 Bm 选定时 变压器的工作 频率与原边绕组匝数 N1和铁心有效横截面积 S 之积 N1S 成反比 即如果越大 ff 则 N1S 越小 也即增大变压器的工作频率可以大大减小变压器的体积和重量 Comment 微微微微7 本章小结 东北石油大学本科生毕业设计 论文 10 2 3 2 主电路结构与工作原理 高频变压器 LC滤波器 R L VT1 VD1 VT2VD2 VT3 VD3 VT4 VD4 Ud 调制 电路 Ur Uc 信号波 载波 C U0 图 2 11 电压型高频链 SPWM 逆变器 电压型高频链 SPWM 逆变器主电路结构如图 2 11 所示 可看出它是由高频逆 变器 高频变压器 LC 滤波器 负载构成 直流电源向负载传输功率时 逆变器 将直流电能转变成交流电能 再经过高频变压器输出高频交流电 然后经过 LC 滤波器滤波得到低频交流电之后供给负载 逆变器与滤波器之间的高频变压器 起电源侧与负载侧电压匹配及两侧电气隔离的作用 电路工作状态为 在输出电压的正半周 让 VT1保持通态 VT2保持断态 0 u VT3和 VT4交替通断 在输出电压的负半周 让 VT2保持通态 VT1保持断态 0 u VT3和 VT4交替通断 2 4 本章小节 本章首先介绍了对脉冲宽度调制的 PWM 控制技术 然后介绍了几种高频链 逆变器及其特点以及取代工频变压器的基本原理 最后针对单向电压型高频链逆 变器进行相应的研究 Comment 微微微微8 分段过多 东北石油大学本科生毕业设计 论文 11 第三章 高频链逆变电源的设计 3 1 逆变电源的性能要求 逆变电源能够长期 稳定地工作在允许的环境条件下的额定输出功率称为逆 变器的容量 容量的单位是伏安或千伏安 VA 或 KVA 一般来说 逆变电源的负载可以在短时间内超过逆变器的额定输出功率 而 不致令逆变器损坏 衡量这种短时间内超负载输出能力的指标为逆变器的过载能 力 通常负载电流为额定负载电流的 150 时 允许时间为 10 秒 120 时为 5 10 分钟 这是稳态负载的过载能力 逆变器对负载突然启动时所形成的浪涌冲击能 够承受或处理的能力 是瞬态负载的过载能力 这项指标反映了逆变电源保护方 式的强弱 逆变电源的输入电压允许变动范围一般为 10 以上 逆变电源的输出电压精度 是指逆变电源在正常稳定地工作时 输出电压相 对标准值的允许偏离程度的百分比 无论逆变电源是空载还是满载 无论输入电 压是偏高还是偏低 逆变电源的输出电压均应符合输出电压的精度要求 逆变电 源的输出电压精度一般在 220v 1 2 左右 逆变电源的输出频率精度是指逆变电源在正常工作条件下 逆变输出频率相 对标准值的允许偏离程度的百分比 一般定在 1 逆变电源的输出电压调整率是指逆变电源在允许的范围内工作条件发生变化 时 其输出电压的变化率 工作条件的变化包括输入电压的变化 负载的变化 工作环境的变化等 一般主要考虑负载变化的调整率 稳态负载调整率是指逆变电源从空载至满载或从满载至空载缓慢变化时 逆 变电源输出电压的变化率 通常该调整率定为 220V 1 瞬态负载调整率是指逆变电源从空载至满载或从满载至空载突变时 逆变电 源输出电压的变化率 通常该调整率定为 22OV 5 负载瞬变恢复时间是指逆变电源的负载发生突变时 输出电压发生变化直至 恢复到逆变电源的输出电压精度要求范围内所需的时间 该恢复时间通常在几个 PWM 周期至几个正弦波周期 逆变电源的输出功率受负载功率因数的影响 以功率因数为 0 8 电流滞后的 1KVA 逆变电源为例 当负载为线性负载 功率因数为 1 0 时 逆变电源的输出功 率为 80OVA 当负载为非线性负载时 它对逆变电源造成的不良影响较大 例如 计算机为整流性负载 其开机冲击电流为稳态电流的 7 10 倍 稳态尖峰电 流为有效电流的 2 3 倍 功率因数值为 0 6 0 7 在这种情况下 虽然逆变器 的输出功率并未超载 但逆变器的电流峰值会超出允许值 为保证逆变器不被击 东北石油大学本科生毕业设计 论文 12 穿 必须对逆变器的输出功率作进一步限制 当负载功率因数降低时 逆变电源 的输出能力急剧下降 逆变电源电路设计的目的 是在保证良好性能的前提下要有高可靠性 逆变 电源的效率影响其可靠性 因为若效率不高 必然损耗大 因损耗而引起的发热 会使可靠性显著下降 因此提高效率是提高电源装置可靠性的最有效的方法 通 过改进开关管的驱动方法 改进吸收回路 合理地选择变压器等 可以减少损耗 提高效率 总之 逆变电源的设计应在系统方案的选择 器件的选用 主回路方式 控 制方法及保护电路的设计等各方面综合考虑 才能设计出满足上述性能指标的可 靠性的逆变电源 3 2 高频链逆变电源的总体方案设计 根据以上讨论 结合电力系统的实际情况 并考虑性能 体积 成本等因素 逆变电源系统框图如图 3 1 所示 由于逆变电源处于试制阶段 其功率定为 300VA 逆变器 高频变压 器 滤波器 电池 输出 控制电路 驱动 图 3 1 逆变电源系统框图 逆变电源的主电路采用单向电压型高频链 DC AC 逆变器结构 中间用高频变 压器隔离 输出采用 LC 滤波 控制电路采用数字分频器 EPROM 及 D A 等器件 产生 SPWM 调制信号 经驱动电路放大后去驱动逆变器的功率开关 每个开关管 都并联低损耗电容 利用高频变压器漏电感或附加电感 实现逆变器软开关运行 控制电路产生与 SPWM 同步的解调信号 经驱动电路去驱动循环换流器的功率开 关 解调后的波形恢复为高频 SPWM 波形 经滤波器输出标准正弦波的工频电压 该系统方案的特点是 主电路结构简单 控制方式灵活 可靠性高 整个装 置成本低廉 本课题的重点是逆变电源的主电路设计 以及多仿真及实现 Comment 微微微微9 首行缩进 Comment 微微微微10 同 1 Comment 微微微微11 见表格 东北石油大学本科生毕业设计 论文 13 3 3 高频变压器的设计 变压器是根据电磁感应原理 通过磁祸合来实现电压和阻抗变换或电气隔离 的磁性器件 变压器的种类有很多 按工作频率可分为高频变压器 中频变压器 和低频变压器 按工作性质可分为电源变压器 稳压变压器 参数变压器和脉冲 变压器 按连接方式可分为单相变压器 三相变压器 自祸变压器等 变压器的 是整个高频链逆变器设计中的核心器件 其设计的好坏直接关系到整个高频链逆 变器性能好坏 直接决定了整个逆变器的性能 不合格的变压器将导致温升高 效率低 漏感严重 输出波形畸变大等问题 直接影响电源的可靠性和稳定性 甚至会损坏功率半导体器件 变压器的设计流程如下 1 根据变压器的输出功率容量 确定变压器的工作频率 2 根据变压器的工作频率 选择合适材料的铁芯和铁芯形状 3 确定铁芯窗口利用系数 4 确定合适的最大工作磁通密度 使铁芯有合理的利用率 又能限定铁芯损耗 5 确定铜线的电流密度 合理设计导体的截面积和合适的铜耗 使铜耗和铁耗 相匹配 本文设计的高频变压器输出功率 500W 工作频率了 40KHz 变换效率f 80 芯材料选择软磁材料 软磁材料具有较高的磁导率 低的矫顽力和高的 电阻率 磁导率高 在一定线圈匝数时 通过较小的励磁电流就能有较高的磁感 应强度 线圈就能承受较高的外加电压 因此在输出功率一定的情况下 可减轻 磁芯体积 磁芯的矫顽力小 磁滞回环面积小 则变压器的铁损也小 电阻率高 则涡流小 从而使铁损较小 铁氧体就是一种应用极为广泛的软磁材料 它具有 细窄的磁滞回线 较高的磁导率和较高的电阻率 非常适合于高频应用 这里介绍几种常用磁芯材料 各种磁芯材质虽然外形相似 但其性能有极大 的区别 常用磁芯材料特性如下图 3 2 所示 Comment 微微微微12 表格格式不对 见日志 Comment 微微微微13 格式 东北石油大学本科生毕业设计 论文 14 特性 铁损 磁导率 温度影响 饱和磁密度 加工 价格 薄硅钢片铁氧体坡莫合金非晶合金 高 中 小 高 易 低 低 中 中 低 易 低 中 高 小 中 难 中 低 高 中 高 难 中 图 3 2 常用铁磁材料特性表 本论文采用的是铁氧体材料 此种材料是合成氧化物烧结体 具有价格低 电阻率高的优点适合高频下使用 但其饱和磁密度比金属软磁材料小很多 适合 于小功率使用 3 3 1 磁芯尺寸的确定 确定磁芯几何尺寸常用方法有两种 29 第一种是先求出磁芯窗口面积 Aw 和 磁芯有效截面积 Ae 的乘积 AP AP Aw Ae 然后根据 AP 的值 查表找出所需磁 芯材料的编号 从而确定磁芯几何尺寸 第二种是先求出几何参数 查表找出磁 芯编号 再进行设计 此方法又称为 KG法 本文主要采用面积乘积法最为变压器 设计的方法 设变压器初 次级匝数分别为 NP和 Ns 输入电压为 Vl 由法拉第电磁感应 定律 得 3 1 ewpsf ABNfKV 1 式中 开关工作频率 Hz s f 工作磁通密度 T w B 磁芯有效密度 m2 e A 波形系数 有效值与平均值之比 正弦波时为 4 44 方波为 f K 4 东北石油大学本科生毕业设计 论文 15 整理得 3 2 ewsf p ABfK V N 1 磁芯窗口面积 Aw 乘上使用系数 K0 为有效面积 该面积为初级绕组 Np 占据 的窗口面积与次级绕组占据的窗口面积之和 即 PPA N S N SSA N 3 3 SSPPW ANANAK0 式中 窗口使用系数 1 0 K 0 K 初级绕组每匝所占面积 P A 铁芯窗口面积 W A 次级绕组每匝所占面积 S A 每匝线圈所占面积与流过该匝线圈的电流值 I 和电流密度 J 有关 如下式 所示 3 4 J I AP 1 3 5 J I AS 2 带入整理得 3 6 J I ABfK V J I ABfK V AK eWSfeWSf W 2211 0 即 3 7 JBfKK IVIV AA wsf eW 0 2211 为变压器窗口面积和磁芯截面积得乘积 为初级和次级功率 此 eWA A 2211 IVIV 外工作磁通密度 开关工作频率 窗口面积使用系数和电流密度 J 对面 W B s f f K 积的乘积都有影响 电流密度 J 直接影响温生 也影响的值 eW AA 3 8 x eWj AAKJ 式中 电流密度比例系数 j K Comment 微微微微14 同上 东北石油大学本科生毕业设计 论文 16 常数 由所用磁芯确定 X 3 9 X eWjWsf T eW AAKBfKK P AA 0 整理得 3 10 X jwsf T KBfKK P AP 1 1 0 4 10 式中 AP 为面积的乘积 cm4 eW AA 为变压器的视在功率 W T P 2211 IVIV 工作磁通密度 T w B 开关工作频率 Hz s f 电路的拓扑结构不同 变压器视在功率也不同 对于采用推挽结构的电路 视在功率可以表示为 3 11 1 1 2 0 PPT 变压器的效率 本论文中 假设效率 0 8 WPPT1590 1 1 2 0 采用 EE 型磁芯 容许温升 25 时 Kj 323 X 0 140 选用高频铁氧体材料 R2KBD 其饱和磁密约为 Bs 0 51T 考虑到高温时饱和磁通密度会下降 为防止 高频变压器饱和 取 Bw 0 25T 其中由于通过变压器的波形为方波 所以取 K0 0 4 Kf 4 0 J 2 0A mm2 带入公式 4 14 0 1 1 3 8 1 1 0 4 6364 3 32325010400 44 0 101590 10 cm TKBfKK P AP X jwsf T 增加 20 的裕量 取 AP 4 36cm4 查磁芯材料手册选取 EE50 铁氧体磁芯 磁芯窗 口面积 Aw E B C 42Omm4 有效截面积 Ae 2 26cm2 AP 9 492cm4 可见选取 EE50 铁氧体磁芯能满足输出功率的要求 并且有一定的设计裕量 东北石油大学本科生毕业设计 论文 17 3 3 2 变压器初 次级匝比的确定 为了提高高频变压器的利用率 减小开关管的电流 降低输出整流二极管的 反向电压 从而减小损耗和降低成本 高频变压器初 次级匝比应尽可能取大一 些 为了在最恶劣的环境下能够输出工程技术指标中所要求的输出电压 变压器 的变比应按最低输入电压选取 实际输出最大占空比 D 0 5 单管 这里取占空 比 D 0 45 开关频率 40KHz 输入电压最低为 26V 保证输出电压峰值不小于 311 考虑到逆变器能够输出稳定的 220V 交流电压 则变压器次级直流母线电压 必大于 311V 次级整流快恢复二级管 HER3O8 的通态压降标称值 VFM为 1 85V 实际取 VFM 2V 次级直流电压取为 320V 则变压器的匝数比为 3 12 7 13 2645 0 2 2320 2 minmax 0 in FM VD VU N 实际取匝数比 N 14 取 EE50 铁氧体磁芯 Bw 0 25T Ae 2 26cm2 3 13 40 2 26 2 3 010400 4 102610 3 44 esf in P ABfK V N 实际取初级绕组 Np 3 根据匝数比 N 14 得次级绕组匝数 Ns 42 匝 初级绕组电流A 8 28 2 1 0 in p V P I 电流密度 214 0 7 235 492 9 323 cmAAPKAAKJ X j X ewj 初级绕组螺线面积 2 08639 0 707 0 cm J I A P XP 次级绕组螺线面积 20 00618 0 707 0 cm J I AXS 3 3 3 初 次级绕线设计 在变压器的绕制过程中 通以高频开关电流的漆包线会产生高频电流积聚在 导体表面的 集肤效应 使高频交流电阻大于直流电阻 且频率越高 高频电 流在导线中的穿透深度越小 导致电阻增大 所以 在电流密度和导线线径的选 择过程中要充分考虑导体电流在高频状态下的 集肤效应 穿透深度用 来表示 其表达式为 东北石油大学本科生毕业设计 论文 18 3 14 2 式中 是铜线的导磁率 是铜线的电导率 可见高频电流的穿透深f 2 度是随着工作频率 导线导磁率和电导率变化而变化的 因此为了保证高频电流 的穿透深度 尽量减小交流电阻 可以采用多股导线并绕的方法来降低这一效应 20 在绕制过程中 为了减小变压器漏感 初级绕组和次级绕组要尽可能地 紧密耦合 一层初级一层次级 把次级绕组紧密包在中间 每层中间要加一 二 层的绝缘胶带 导线要实现紧密 平坦 均匀地排列绕制 3 4 输出滤波器的设计 在正弦波逆变电源中 输出滤波器是必不可少的重要组成部分 它的作用在 于衰减逆变器输出的 PWM 波的谐波幅值 使输出电压波形正弦化 一般对滤波器 的要求如下 1 使输出电压的单次谐波及总谐波含量降到指标允许的范围以内 2 在最恶劣的工作情况下 直流侧输入欠压且满载 输出电压仍能达到额定 值并且不会出现低次谐波畸变 3 不过分影响逆变电源带非线性负载的能力 4 空载时滤波器的输入电流要小 5 成本低 体积小 重量轻 元件少 在逆变电源中 虽然加入 LC 滤波器的初衷是为了衰减谐波 但 LC 滤波器的 加入也给逆变电源带来了一些负面影响 表现如下 1 增大了逆变器开关器件的负担 例如 空载状况下 没有 LC 滤波器时输 出变压器的原边电流很小 仅为变压器空载电流 有 LC 滤波器时 空载时变压 器次级绕组电流等于电容 C 上的电流 故原边电流将增大 逆变器开关器件的负 担也将增大 2 影响逆变电源的带载能力 虽然空载时 LC 滤波器具有升压作用 但带载 情况下 LC 滤波器常表现为降压特性 如果 LC 参数选择不当 在直流侧欠压或负 载过大时 输出电压可能达不到额定值 即使能达到额定值 输出电压也可能因 逆变桥的过调制而出现低次谐波畸变 3 影响逆变电源系统的输出阻抗 如果 LC 参数选择不当 使系统的输出阻 抗过大 不仅会使逆变电源对非线性负载的适应性减小 而且也会使系统的瞬态 特性变坏 可见 如果 LC 参数设计不合理 不仅会使输出电压的波形达不到要求 还 会影响逆变电源的其它特性 所以研究 LC 滤波器参数的设计方法是非常必要和 有意义的 21 常见的输出滤波器类型有串联谐振型 并联谐振型 型 M 型 本论文采 东北石油大学本科生毕业设计 论文