逆变电源的设计

逆变电源的设计专业电子信息工程第一章绪论11研究背景及意义逆变电源是一种采用电力电子技术、控制技术进行电能转换的电力装置，它可将输入的12V或24V等直流电转换成220V/50HZ交流电或其它类型的交流电，它输出的交流电可用于各类设备，最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。目前世界各国电源标准并不统一，各种新兴的能源形式也不断出现，逆变电源有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器，在太阳能及风能发电领域，逆变电源有着不可替代的作用。有了逆变电源，就可利用直流电蓄电池、开关电源、燃料电池等转换成交流电为电器提供稳定可靠得用电保障，如笔记本电脑、手机、手持PC、数码相机以及各类仪器等、小型逆变电源还可利用汽车、轮船、便携供电设备，在野外提供交流电源。逆变电源的研制将带来可观的经济效益和社会效益。逆变技术的原理早在1931年就有人研究过。从1948年美国西屋电气公司研制出第一台3KHZ感应加热逆变器至今已有近60年历史了，而晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件，到了20世纪70年代，可关断晶闸管GTO、电力晶闸管BJT的问世使得逆变技术得到发展应用。到了20世纪80年代，功率场效应管MOSFET绝缘栅极晶体管IGBT、MOS控制晶闸管MCT以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化、大容量化创造了条件。进入20世纪80年代后，逆变技术开始从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高速器件、提高开关频率的方向发展，使逆变器体积进一步减小，效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。而微电子技术的发展又为逆变技术的实用化建立了很好的平台，传统的逆变器需要通过许多的分立元件或模拟集成电路加以完成。随着逆变技术复杂程度的增加，所需处理的信息量越来越大，而微处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展要求，从8位的带有PWM口的微处理器到单片机，发展到今天的32位DSP器件，使先进的控制技术如矢量控制技术、模糊控制等在逆变领域得到较好的应用。总之，逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展而发展的，进入21世纪，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展。而逆变电源是光伏发电系统中的重要组成部分，逆变电源的性质决定了光伏发电系统输出电能的质量。随着逆变电源的类型的增多和控制技术的不断发展，使得光伏发电系统可以应用到与国民生产和日常生活相关的各个领域。12国内研究水平以及发展趋势近年来，现代逆变技术主要朝着高频化、模块化、数字化、绿色化以及并机技术的趋势发展。而目前我国国内的逆变电源按变换方式主要采用工频变换。工频变换逆变电源是先产生50HZ交流信号，然后利用工频升压器产生220V交流电。这种逆变器结构简单，工作可靠，但这种逆变器体积大、笨重、噪音大、价格高、效率方面也有待进一步提高。高频变换逆变电源是通过高频DCDC变换技术，先将低压直流变为高频低压直流，经过高频变压器升压后再整流成高压直流，对其再进行正弦变换，即可得到220V/50HZ正弦波交流电。虽然这种逆变器控制环节较多，电路复杂，但是因为采用了高频变换，因而体积小、重量轻、噪音小、效率高，是目前可再生能源发电系统中首选产品。13论文主要研究的的内容以及目标本课题主要是研究逆变技术，通过给定输入的直流电转化为能带动额定负载的交流电输出，并以此为基础利用MATLAB与DSP混合编程研究单相逆变电源的仿真，并将做出相应的参数辨别曲线，做出估算及计算精度。主要涉及到的问题包括以下几个方面1、确定系统的总体结构；2、建立逆变电源主要部件的数学模型；3、如何实现逆变系统的PWM控制；4、了解MATLAB与SIMULINK软件的使用方法、编程以及仿真方法；5、用MATLAB对逆变系统进行仿真。第二章独立逆变电源的系统分析逆变技术是在电力电子技术中最主要、最核心的技术，它主要应用于各种逆变电源、变频电源、开关电源、UPS电源、交流稳压电源、电力系统的无功补偿、电力有源滤波器、变频调整器、电动汽车、电气火车、燃料电池静置式发电站等。本章将对独立逆变系统的整体结构进行分析和比较，对独立逆变电源的控制和结构进行分析和简化并对其进行参数整定。21逆变技术的分类现代的逆变技术种类很多，可以按照不同的形式进行分类，主要有如下几种1、按逆变器输出交流的频率，可分为工频逆变5060HZ、中频逆变400HZ到十几KHZ、高频逆变十几KHZ到几MHZ。2、按逆变器输出的相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。3、按输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。4、按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。5、按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场效应管逆变、IGBT逆变等等。6、按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。7、按输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。8、按控制方式，可分为调频式PFM逆变和调脉宽式PWM逆变。9、按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频硬开关式逆变和定频软开关式逆变。22独立逆变系统结构的比较目前常见的逆变系统结果主要有一下三种221工频变压器形式电路即单结构（DCAC），如图21所示，先将电流电压转换成有效值相同的交流电压，再由工频变压器将所得的交流电压升到预期的额定交流电压（比如220V）。工频变压器形式电路的工作效率一般可以达到90以上，可靠性高、抗输出短路的能力强。但是采用工频变压器造成体积庞大，所以质量较大，价格也比较昂贵，而且响应速度慢、波形畸变严重、带非线性负载的能力比较差。蓄电池负载滤波环节工频逆变工频升压图21工频变压器形式222高频变压器形式电路即三级结构（DCACDCAC），如图22所示，主电路分为高频升压部分和工频逆变部分，系统相对复杂。（1）高频升压部分（DCACDC）首先将直流电压逆变成有效值相同的高频交流电压，然后经过高频变压器升压，再整流滤波可以得到一个稳定的高压直流电压。（2）工频逆变部分（DCAC）滤波得到的高压直流电压经过工频逆变电路得到220V或者380V的交流电压。此系统的逆变效率一般可以达到90以上，由于采用了高频变压器，使系统的体积、重量、噪声等都明显减小，但是该电路也相对比较复杂。蓄电池负载滤波环节高频逆变逆变整流高频升压直流升压DCDC环节逆变DCAC环节图22高频变压器形式223无变压形式电路即两级结构（DCDCAC），如图23所示，将直流电压经过非隔离变化后得到高压直流电压，再通过工频逆变得到交流电压。由于不采用变压器进行输入和输出的隔离，所以系统体积小、重量轻、效率高、成本低而且系统也不复杂。但是由于没有进行隔离，所以存在许多不安全因素，为了进行保护和防止干扰，必须采取许多防护措施。蓄电池负载升压滤波环节工频逆变图23无变压器形式由于本次设计主要是针对逆变电源进行仿真，综合比较上述方案，本设计最终将采用无变压器形式的主电路方案，设计中分为升压环节和逆变环节。23独立逆变系统升压环节的比较和分析本设计中，逆变器的输入为24V直流电压，而其输出则要求为稳定的220V交流电压，所以系统中必须有升压变压器。升压环节实际上是DCDC开关电源，由于DCDC变换器的结构非常多，本文只介绍其中几种常见的结构电路231正激式如图24A所示，该电路结构简单，在变压器绕组中增加一个去磁绕组便可实现去磁效果，是中小功率变压器常用的设计方案，但是该电路变压器铁心单向磁化，利用率比较低，主功率管承受两倍的输入电压，只能适合低压输入电路。232反激式如图24B所示，该电路的形式与正激式变换器相似，主功率管承受的电压相同，但是变压器的接法却不相同。而从输出端看，反激式电路可以看做一个电流源，所以不能开路。图24A图24B正激式变换反激式变换233半桥式如图25A所示，变压器铁芯不存在直流偏磁现象，变压器在两象限工作，功率管只承受电源电压，所以该电路适合用于高压中功率场合。234全桥式如图25B所示,变压器铁芯利用率高，容易采用软开关工作方式，功率管也只承受电源电压，但是功率器件相对比较多，而且存在直通现象，适合用于大功率场所。图25A图25B半桥式变换全桥式变换235推挽变换如图26所示，电路结构简单，完全可以看作是有两个对称的单端正激式变换器组成的，所以变压器铁芯是双向磁化的，在相同的铁芯尺寸下，推挽电路可以比正激式电路输出更大的功率。但是如果该电路不能严格对称的话，铁芯就非常容易引起直流偏磁饱和，而且偏压器原边存在漏感，所以主功率管必须承受超过两倍的电源电压，因此适合用于低压大电流场合。图26推挽变换236直流升压斩波电路如图27所示，该电路结构非常简单，控制方式简单，而且用直流斩波器代替变阻器可节约电能30左右，所以直流斩波器不仅能起调压的作用开关电源，同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。图27直流升压斩波电路综合比较上述方案，本设计最终决定采用直流升压斩波电路作为升压环节的主电路，下面就简要的分析一下该直流升压斩波电路的工作方式。如图27所示，升压斩波电路中的开关器件可以根据具体的应用需要来选择，其中二极管VD可以防止电容C通过电源放电。该电路的工作过程可以分为三种模式，其等效电路如图28所示。当电流连续时，该电路工作在模式1和模式2；当电流断续时，电路工作于模式1、模式2和模式3。A模式1B模式2C模式3图28升压斩波电路等效电路当电流连续工作时，升压斩波电路的主要工作波形如图29A所示，设在T时刻驱动V导通，在时间内，电路工作在模式1，开关器件V0TONT导通时间为，电路等效为两个回路，在直流侧，电感L中的电流按指数ON上升，由上升到，此时开关器件V的电压为0V，所以电感电压就为电1LI2LI源电压，又因此时的二极管VD截止，即电流为0A，直流电源的能量将全部储存在电感L中，负载上的电流由电容C放电来维持恒定。在时刻驱动V关断，电路工作方式为模式2，此时电源和电感储能释1T放，同时向电容和负载供电。有，其中成为升压比，升压SOFNUTOFTT比的倒数记作,和的关系可以表示为1，所以上面公式整理后又可以表示为。其中，占空比时，使1V2RCU导、关断，。当时，使关断、导通，0。4OUDRUC34O图35单极性PWM控制方式波形332双极性PWM控制方式如图36所示，在调制信号和载波信号的交点的时刻控制各个开RUCU关器件的通断。A在的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM波也有正有RU负，在的一个周期内，输出的PWM波只有两种电平。DUB在的正负半周，对各个开关器件的控制规律相同。当时，RRUC和导通，和关断，这时如果0，则和导通，如果1V423VOI1V423OI23OI0，则和导通，但是不管哪种情况都是。23ODU图36双极性PWM控制方式波形第四章单相逆变电源的MATLAB仿真为了验证设计好的独立逆变系统是否符合设计的技术要求，这就要求对设计好的系统进行检测、分析、比较，若是做出实物后再进行检测，则相对比较麻烦，而在MATLAB软件中，只要将设计好的电路进行模拟后却完全可以实现仿真，这样不仅相对容易，而且也快捷、方便、直观明了。41MATLAB的简称MATLAB是矩阵实验室（MATRIXLABORATORY）的简称，是美国MATHWORKS公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和SIMULINK两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、FORTRAN）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和MATHEMATICA、MAPLE并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。它可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通信、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C、FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像MAPLE等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C、FORTRAN、C和JAVA的支持。用户可以直接调用，也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。42SIMULINK的简介SIMULINK是MATLAB最重要的组件之一，它提供了一个动态建模、仿真和综合分析的集成环境，在该环境中，无需大量书写程序，只需要通过简单直观的鼠标操作，便可以构造出复杂的系统。SIMULINK具有适用性广、结构和流程清晰、仿真精细、贴近实际、效率高和灵活等特点，并且已广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真及设计中。此外，大量的第三方软件和硬件可以应用于或者被要求应用于SIMULINK系统。SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。SIMULINK可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间来进行建模，为了创建动态系统模型，SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口GUI，这个创建动态过程只需要单击和拖动鼠标操作就可以完成，而且用户可以立即看到系统的仿真结果，所以，它为用户提供了一种更加快捷、直观明了的方式。此外，SIMULINK还具有丰富的可扩充的预定义模块库、交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图，并以设计功能的层次来分割模块，来实现对复杂设计的管理。43升压环节的建模及仿真根据独立逆变系统的总体结构，可以将其分为PWM升压电路和单相全桥逆变电路，下面分别对其进行仿真建模。直流升压电路的工作原理在第二章已经介绍过，其原理图如图27所示，图27直流升压斩波电路在该电路中，开关器件用IGBT，控制IGBT的信号波形由PWM脉冲生成器PULSEGENERATOR产生，其他的电源、电感、电容、电阻以及二极管分别对应于SIMULINK中的DC、L、C、R以及DIODE。为了方便观察仿真输出，所以应在输出端另外加上一个电压检测装置VOLTAGEMEASUREMENT，并且将其输出值送入示波器SCOPE中。以上各种器件都可以在SIMPOWERSYSTEMS的下拉菜单ELECTRICALSOURCES中找到，如图41所示。当把上面所用到的器件都找齐之后，就可以按照直流升压斩波电路连接电路，便可以得到如图42所示的仿真模拟图。图41升压电路中使用的各个器件图42直流升压斩波电路的仿真模拟图建立好模拟仿真图后，根据设计要求以及参考资料，一边运行一边调试图中各器件的参数，直到符合要求为止。经调试后，电路的输出波形如图43所示，其中各个器件参数设置为直流电源为DC24V，开关器件IGBT和二极管DIODE使用默认参数，电阻R50，电感L1E3H，电容C50E6F，在脉冲生成器PWM的设置中，周期PERIOD为00001，占空比为895，并且在示波器中，将DATAHISTORY中LIMITDATAPOINTSTOLAST前面复选框中的“”去掉，以方便观察波形。下面就简单的分析电感、电容、电阻单独变化时对仿真波形的影响1电感L取值越大，则曲线反应速度越慢，超调越小；反之，L越小，曲线响应速度越快，但是超调则越大。2电容C取值越大，纹波越小，超调越大且调整时间越长；反之，C越小，纹波越大，超调越小或者无超调，曲线比较平滑，而且调整时间也越小。3电阻R取值越大，则纹波越小，超调越大，系统越不稳定；反之，R越小，纹波越大，超调越小或无超调，系统越稳定。图43升压电路的电压输出仿真波形44制作并生成SPWM波形因为在全桥逆变电路中，由SPWM波信号来控制全桥中的IGBT管，所以在对逆变环节进行仿真之前，应该首先制作出SPWM波形，而由第三章我们又可以知道SPWM波是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定的，根据这个原则，可以构建出电路模型如图44所示。在图中调节各个器件的参数便可以得到各种不同的仿真波形，如将正弦信号生成器SINEWAVE中的幅值AMPLITUDE设置为2，把频率FREQUENCY也设置为2；将三角波生成器REPEATINGSEQUENCE中的TIMEVALUES设为0025，把OUTPUTVALUES设置为44；将比较器SWITCH中的CRITERIAFORPASSINGFIRSTINPUT设置为U2THRESHOLD。调节好参数后，运行程序，便可以得到如图45所示的波形，其中每一屏所对应的波形分别为正弦波、SPWM波以及三角波，且由图中可以看出SPWM波形为双极性波形。图44制作SPWM波的电路模拟图图45正弦波、SPWM波及三角波的仿真图45逆变环节的建模及仿真在制作出SPWM波以后，便可以开始对逆变电路进行建模，而全桥逆变电路的工作方式在第二章已经介绍，其电路原理图如图212所示。图212全桥逆变电路在SIMULINK中，该电路的全桥部分可以用一个通用桥来表示，也可以由4个IGBT和4个二极管DIODE组成。为使仿真电路比较形象，最后采取4个IGBT和4个二极管DIODE组成全桥电路，在找到所用器件之后，按照该电路构建模型，因为电路中全桥部分的4个IGBT中和为一对，1T4和为一对，所以电路就需要两个控制信号来控制这4个IGBT的断通，2T3为方便仿真，暂时用两个脉冲发生器PULSEGENERATOR生成的波形来作为控制信号。同时，为了方便观察电路的工作情况，在测量电路输出电压的同时，另外还测量流经电源的总电流以及流经负载RL的输出电流，并SIOI同时送到示波器中输出观察其波形，这样便得到如图46所示的全桥逆变电路的仿真模型。建立好模型之后，便开始调节图中各器件的参数，经过反复调整之后，最终确定的参数为直流电压DC220V；脉冲发生器PULSEGENERATOR1的幅值AMPLITUDE为1，周期PERIOD为002，占空比为50；脉冲发生器PULSEGENERATOR2的幅值、周期、占空比均与PULSEGENERATOR1相同，但是相位延迟PHASEDELAY为001；负载R10、L002；其余的各个IGBT以及二极管DIODE均取默认值。调整好参数后，运行仿真并得到如图47所示的仿真波形，其中示波器中每一屏的波形分别为电源电流、输出电流以及输SIOI出电压。OU图46全桥逆变电路仿真模型图47电源电流、输出电流、输出电压的仿真波形SIOIOU46独立逆变系统总电路的仿真将升压环节以及逆变环节连接后便可以得到如图48所示的系统总电路的仿真模型，由该图可以看出，24V的直流电压经过直流斩波升压电路后得到220V的直流电压，然后再将经升压后所得到的电压通过全桥逆变电路将其逆变成为220V的交流电压。对其进行仿真后可以得到如图49所示的各种输出波形，其中图中至上而下的波形分别为电源电流、输出电流以SIOI及输出电压。并且可以有波形图中看出，电压在001S后进入正常周期，OU并且周期T002S；而对比电源电流以及输出电流之后可以得出，电源SIOI电流的周期仅为输出电流的一半，即电源电流的频率为输出电流的一倍。OSIIF2图48系统总电路的仿真模