A单相逆变电源设计

1、题目：18KVA 单相逆变器设计与仿真院 系：电气与电子工程学院专业年级：电气工程及其自动化 2010级姓 名:郑海强学 号:1010200224同组同学:钟祥锣王敢方骞2013年11月20号单相逆变器设计.设计的内容及要求1.1设计内容要求设计一个输入为150V的直流电压，输出容量为18KVA，输出电压为300V单相交流电的逆变器。1.2参数要求1、输出电压:AC单相300V2、输出频率:100Hz3、输出功率:18KVA4、负载功率因数：cos0-8:1-0,滞后5、负载短时过载倍数：1.56、输入电压：直流DC333V二.设计方案介绍系统原理框图如下图所示保护电路k150V DC-1供电

2、方案简述将直流电变成交流电的电路叫做逆变电路。 根据交流侧接在电网 和负载相接可分为有源逆变和无源逆变，所以本次设计的逆变器设计 为无源逆变。换流是实现逆变的基础。通过控制开关器件的开通和关 断，来控制电流通过的支路这是实现换流的方法。直流侧是电压源的为电压型逆变器，直流侧是电流源的为电流型 逆变器，综上本次设计为电压型无源逆变器。.主电路原理图及主要参数设计3.1主电路原理图如图1所示D2CL2L1Zf3.2输出电路和负载计算3.2.1负载侧参数设计计算负载侧的电路结构图如图2所示，根据图2相关经计算结果如下：ll-I 一胃 XRn 一图2负载侧电路结构图1. 负载电阻最小值:cos =1.

3、0 时，R=Vo2/PO=3002 /(18?103) 5W；cos =0.8 时，R=Vo /(P0 cosj ) = 3OO2/(18创103 0.8) = 6.25W2. 负载电感最小值:L =Zl7(2 f)=8.3/(2创b 100)=0.0132 H3. 滤波电容:取滤波电容的容抗等于负载电感感抗的c=1/(2 f Zc)=1/(2 100 32)=95.92 1/(2 fC)=1/(2仓p 100创100 1O-6)=15.9 W取电容为 100 F ,将10个10 F的AC电容进行并联，Zc（实）=4. 滤波电抗L的计算选取主开关器件工作频率fK =N fo=32 r00=32

4、00Hz由于移相原因,输出线电压的开关频率变为：2 fK =6400HZ取滤波电路固有谐振频率f = 1/(2 应)二 fK/6=533.3Hz2则：L= 1/(4 2 f C ) = 1/(42 5332 100 1O6)=88O h实选用L=900uH由此特征阻抗ZT = JL/C = J90。/100 = 3 3.2.2逆变电路输出电压1.滤波电路输入端电压（无变压器时）逆变电路的输出与后续电路的连接电路如图 3所示，有图3可以得到如下的计算结果。逆变电路LL图3逆变电路输出电路图4空载时的矢量图空载时：空载时的矢量图如图4所示，由图4可得:&=?= 300 = 18.9 (A)Zl =

5、2 pfoL=2 创 100 创900 10-6 = 0.5652( W)屁= I&?Zl 18.9 ? 0.565210.7 (V)。& = i& - i& = 300- 1.5 = 298.5(V)这说明空载时输出电路是升压的。额定负载时：额定负载时,当cosj =1.0和cos =0-8的矢量图分别如图5和图6所示。&Uo图5 cosj =1.0时的矢量图=0.8时的矢量图cos =1-0qWnf/Rjtan1%Il =/；+!；二J(30d5)2 +(30015.9|2 = 62.9(A)i& =Zl?& 0.5652?62.9 35.6(V) 1& 二 J3OC2 +35.6 - 2

6、?cos(9C0 17.5)创300 35.6 = 286.1V)。这说明 cos 1.0时，即使满载，输出电路也是升压的。cos=0.8.齐詈晋-簷“呼）-117.28oq = tan = 19.79300/6.25I& = J & +(& -= J(300/6.25)2 +17.28 = 51.01(A)U =Zl?& 0.5652? 51.01 28.83(V)U& = j30rf+28.83- 2?89(：0 19.7)仓300 28.83=309.6罟)负载最重时 本设计中，负载最重为过载 150%时，功率因数最低为0.8，此时: 缶& =1.畀0300=心型=35呻)q=tan1

7、亠=26.15Zlc Zc8.3 15.9 V 丿1.53006.25& = &+(&-&) = 1.5?300/6.25)2 35.35 = 36.34(A)U&=Zl?& O.565?36.34 20.54V) , & = 312.3犁)，可见输出电路此时降压比较严重。2.逆变电路输出正弦电压计算单相桥式电路输出电压为：u =0.708E。考虑要保留“死区”间隔（图7所示）以及开关器件导通时有压降，因而输出电压实际只能达到:u = 0.708 K/E - mV/set 亠c “ “卄十”、十一-，亠“（）。其中：m = 2 ； K为“死区”间隔引起的T- DTK=压降系数：T ，则:K=1

8、56.25- 5. = O.968156.25本设计中取 VcE (set) = 3V，则：U = 0.708创0.968 (E-3?2)，考虑整流滤波电路的压降后，实际取为：E=35（v）。则三相逆变电路输出线电压为.u =0.708创0.68 (350- 3? 2) 235.7(V)实际取为.u=240T、匕T图7死区“间隔”示意图323逆变电路和输出电路之间的电压匹配:逆变电路和输出电路之间的电压匹配采用电源变压器，其结构简图如 图8所示。由前面的计算可知输出电路输入端最高电压U&=312-333（V），逆变电路输出线电压u = 240，在逆变电路和输出电路之间加入电源变压器。设变压器的

9、变比为N ：1，原副方各参数的矢量图如图9所示：以副方输出电压 Uo为基准矢量，变压器原方电压Um =NUo,付方电流Io如图示（滞后），原方电流Il1 = Io/N。UABb1Umu。N :1图8 电压匹配电路图L1=L fc2=n2l由扣沖，可得：uL1 = wL1I L1 = wN2LI L1 =wN2L(Io/N)= NwLI o = NuLwL1 =wN2L 和由矢量图可得：Uab =NUi阻和激磁等原因，调整变比N =240= 0.7684Ui 312.333,考虑变压器内n和原方电流：102 = 0.7533。故，取实际的变比为0.7533,Il1 ?(1.031.05) 2 1

10、。(1.031.05) = Io (1.031.05)1.1(长)=88.7 创07533 1.04=122.46(A)1lL 仃短=137.2 仓U 1.04 =189.42 （A）（短）0.7533（丿。将电感折算到原边得:L, = N2L = (O.7533)2 仓 J900 10-6 =510.7(mH) 3.2.4开关器件的选取1电流参数:开关器件中电流有效值：It（长）=122.46 （A），It（短） =189.42 （A）开关器件中电流峰值：itP（长）m?il1（长）171.18?）Itp(短)二运?Il1 罔 72? 189.42 267.8(A)在连续情况下安全裕量选为2

11、,则：It=2Itp（长）=2?173.18 346-36（A），在 过载情况下安全裕量选为1.5,则：厂1%（短严.5?267.8仙.7/）3.3变压器和交流电抗器设计计算在实际加工制造前还进行各种机械结构参数的计算，为制造提供依 据。主要是变压器的额定功率、初级线圈电流、铁心的截面积、各线 圈的匝数、线圈所用导线的直径和核算铁心窗口面积等几方面。1. 计算变压器的额定功率:变压器输出功率为:p2 =血212旳）=18kVA（单相为15kVA），输入功率为：R =U1I1（VA）那么R可按下式求得近似值:P = F=095 = 18-94(kVA)p = J51F2=8.94 =18.47(

12、kVA)变压器的额定功率：22()2、计算电流（11）磴“1?雷86.8（A）弋霁曲，式中K 一般选3、计算变压器铁心净截面积及粗截面积铁心净截面积：SC=k7P=1.3/18.47 103 = 176.67(cm2)式中系数K 一般选在1.01.5之间。由于硅钢片之间的绝缘和空隙，实际铁心截面积略大于计算值，应为:SCdW = SC = d=192.04(cm2)Kc Kc O.92式中一般Kc=0.89；冷轧硅钢带的Kc =0.92。根据算出的SC求硅钢片中间舌宽a国家规范可查手册得到选择 a=120mm。铁心叠厚b的计算b = SC =160(mm)a12O取b = 160mm，r誥九3

13、33在i2之间。窗高系数Z=a取为2.3,所以 h = 2.3a = 2.3?120276(mm)。4、计算各线圈的匝数：确定每伏匝数（N。） 由 E = 4.44fNBmSc?10-8(V)可得No = E = 4.44仓J100 13000?176.67 = 0.098(匝 / 伏)108经过计算得初级：N1=U1?No 240? 0.098 23.53匝）实际取为56匝。次级.N2 = （1.051.1鬃2 No =1.1 创300 0.098=32.34匝）实际取为90匝。5、计算各线圈导线直径I =Pd2j =s?j（A）I260s2 节= _ = 24（mm）导线电流：4S1= =

14、 = 34.72（mm） 原边：j2.5，副边:6校核铁心窗口面积变压器线圈绕在框架上，每层线圈之间一般均有绝缘层。线圈厚度、绝缘层厚度和框架厚度的总和应小于选用铁心窗口宽度2 2原副边导线带绝缘尺寸大概为4.85 7.40mm和4.36 8.40mm。276 - 2? 2, m1 =1 = 34原边每层匝数：7.40 1.05m2 = 272?2-1 = 29.8副边每层匝数：8.40 1.05四：控制系统和辅助电路设计4.1逆变部分的控制系统设计逆变部分采用的控制策略是数字PID和重复控制相结合的综合控制策略。数字PID控制用于保证较快的动态响应，重复控制用于保证输 出电压的波形质量。其控

15、制框图如图 12所示。那么该控制系统将兼具良好的稳态和动态性能，通过控制参数的合理设计，就可以满足设 计指标要求。图9 逆变部分控制系统框图1、重复控制器的设计重复控制器控制框图如图12所示PZ)图10重复控制器控制框图周期延迟正反馈环节对逆变器输出电压的误差进行逐工频周期的累 加。补偿器C(z)的作用是抵消二阶LC滤波器的谐振峰值，使重复控制系统稳定。C(z )的表示形式为：C=kNBz)式中，Kp重 复控制器的增益，zk 超前环节，S(z)滤波器 滤波器S(z)是为了抑制系统的高频干扰，肖U除被控对象的谐振峰值, 使其在谐振点处有较大的幅值衰减，且具有零相移、零增益特性。因 此滤波器S(z

16、)可以由二阶低通滤波器S和零相移陷波器S2组成。2数字PID控制器设计数字PID控制器的控制原理基本上与模拟PID控制相同。数字PID控制正弦波逆变电源系统的原理如图 10所示。为了改善系统的稳态和动态特性，系统中用了前馈补偿。PID控制器可表示为1- z-1D(z) =(K P+Ki+Kd)-(K pg*2式中，Kp称为比例系数，Ki称为积分系数，Kd称为微分系数。图11 数字PID控制框图比例调节器的作用是对偏差瞬间作出快速反应。 偏差一旦产生，控制 器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的 强弱取决于比例系数，比例系数越大，控制越强，但过大会导致系统 振荡，破坏系统的

17、稳定性。积分调节的作用是消除静态误差，但它也 会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。微分调节的作用是在过 程开始时强迫过程加速进行，过程结束时减小超调，克服振荡，提高 系统的稳定性，加快系统的过渡过程。4.2保护电路设计保护电路分为欠压保护和过流保护。欠压保护电路如图7所示，它监测蓄电池的电压状况，如果蓄电池电压低于预设的10.8V，保护电路开始工作，使控制器SG3524的脚10关断端输出咼电平，停止驱动信号输出。图7中运算放大器的正向输入端的电压由R1和R3分压得到,而反向输入端的电压由稳压管箝位在+7.5V，正常工作的时候，由三极管V导通，IR2110输出驱动信号，驱动晶闸管正常工作，实

18、现 逆变电源的设计。当蓄电池的电压下降超过预定值后，运算放大器 开始工作，输出跳转为负，LED灯亮，同时三级管 V截止，向SG35 24的SD端输出高电平，封锁IR2110的输出驱动信号。此时没有逆变电压的输出。图12.欠压保护电路图过流保护电路如图8所示，它监测输出电流状况，预设为 波逆变器的输出电流经过采样进入运算放大器的反向输入端, 出电流大于 组成的R1.5A。方当输CD40111.5A后，运算放大器的输出端跳转为负，经过S触发器后，使三级管 V1基级的信号为低电平，三级 向IR2011的SD1端输出高电平，达到保护的目的。管截止，4.3驱动电路设计4.3.1 MOSFET 介绍MOS

19、FET是 一种电压控制的单极性器件，它是由金属氧化物和半导体 组成的场效应晶体管，所以也叫绝缘栅型场效应管。应用VMOSFEX 艺，生产出了大功率的产效应管，并在逆变电路中得到广泛应用。功 率场效应管简称VMOSFET, VMOS作为开关器件，其常态是阻断状态，即VMOSfE是增强型 MOSFETMOSFE分为N沟道和P沟道两类。N沟道VMOS勺导通电流的方向是从漏极 D到源极S； P沟道MO啲导通方向是从源极S到漏极DVMOSt的工作原理是，源极 S接零电位，漏极D接正电位，当栅极接正电压时，由于电荷感应，在 P区感应出电子，电子的累积便形成N沟道。源极S和漏极D之间便产生了电流。因此，栅极 G上的电压的大小，决定了源极S与漏极D之间的电流大小