A单相逆变电源设计.docx

.题目 ：18KV A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;.单相逆变器设计一 . 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150V DC供电触发电路逆变主电路工频变压器滤波器300V AC;.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。三 .主电路原理图及主要参数设计3.1 主电路原理图 如图 1 所示图 13.2 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 ：;.LI LI CI L I RViCL R Vo图 2负载侧电路结构图1. 负载电阻最小值：cos=1.0时， R=Vo2/ Po = 3002/ (18? 103 ) 5W；cos=0.8时， R=Vo2/( Po cosj) = 3002 / (18创103 0.8) = 6.25 W2. 负载电感最小值：L = ZL /(2f )=8.3/( 2创p 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2 倍，则：C =1/(2f Zc )=1/(210032)=95.92 F取电容为100F ,将10 个 10 F的 AC电容进行并联，Z c(实 ) =f C创创- 6) =15.9 W1/(2)=1/ (2p 100100 104.滤波电抗 L 的计算选取主开关器件工作频率 f K =N f O =32100=3200Hz 由于移相原因，输出线电压的开关频率变为： 2 f K =6400HZ 取滤波电路固有谐振频率f =1/(2LC )= f K /6=533.3Hz则： L = 1/（42 f 2C ）= 1/(425332 100 10 6)=880 H实选用L=900uH由此 特征阻抗ZT = L C = 900 /100 = 33.2.2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L&I LuL变&&UiCL RUoI CuL电路&ui&uO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=创创=W= uo18.9 ( A)- 6I LZ C15.9Z L2p f o L2 p100 900100.5652()u&L= I&L ?Z L 18.9 ? 0.565210.7&&&= 300- 1.5 = 298.5(V)(V ) 。 ui= uo- uL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。&&uLuiI&C&I&CI&L&uL&&&I RuouiI&L I&C &uL&I LuL&&I&LI Ruo图 5cosj = 1.0时的矢量图图 6 cos= 0.8 时的矢量图cosj =1.0：- 11 ZC)- 1R- 15oq = tan(ZC = tan15.9 =17.51 R = tanIL = I R2 +IC222= 62.9(A)=(300 5) +(30015.9);.&&35.6(V )= ZL ?I L0.5652? 62.9，uL2200cos1.0&= 300 +35.6 - 2? cos(9017.5)创300 35.6 = 286.16(V) 。这说明ui时，即使满载，输出电路也是升压的。300300300300cos =0.8I&L- I&C = ZL-ZC=8.3-15.3=17.28(A)：，- 117.28oq = tan= 19.79300 6.25，2222I&L=I&R +(I&L - I&C )= (300/ 6.25) +17.28 = 51.01(A)，&&0.5652? 51.01 28.83(V )= ZL ?I L，uL&=2200创ui300 +28.83 - 2? cos(9019.79) 300 28.83=309.65(V)，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：I&L- I&C=1.5?300 300 1.5300 300- 135.35o=-=35.35Aq = tan= 26.15ZL ZC8.315.9( )，1.53006.25，2222+(I&L - I&C ) =(1.5? 300/ 6.25)I&L =I&R35.35 = 36.34(A)，&&u& = Z?I0.5652? 36.34 20.54VLu = 312.33 VLL( ) ， i( ) ，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) )。其中： m = 2 ； K 为“死区”间隔引起的K =T - DT156.25 5.0压降系数 :T , 则: K =-= 0.968156.25本设计中取V CE ( set ) = 3 V ，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 = 350 (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 = 240 (V ) 。TT图 7死区“间隔”示意图3.2.3 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&i = 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 I o 如图示（滞后），原方电流 I L1 = I o / N 。;.L1I L 1I ouABumCL RuoN :1图 8 电压匹配电路图骣21122L1琪IO2L2L1I L1 =LI O= L 琪= N由 22， 可 得 ：I， wL1 = wN L和桫 L1uL 1 = wL1 I L 1 = wN 2 LI L 1 = wN 2 L (I ON ) = NwLI O= NuL ，N =uAB =240= 0.7684由矢量图可得： uAB = Nui ，ui312.333，考虑变压器内N= 0.7533阻和激磁等原因，调整变比 N 和原方电流： 1.02。故，取实际的变比为 0.7533，I L1 ?(1.031.05)11N IO (1.031.05)=0.7533IO (1.031.05)I= 88.7创11.04 =122.46A长L 1( )0.7533()11.04 = 189.42 ( A) 。 将电感折算到原边得：I L 1(短)= 137.2 创0.7533L1=2L=2- 6=510.7(mH )创N(0.7533)900103.2.4开关器件的选取1 电流参数：;.开关器件中电流有效值：I T (长 ) = 122.46 (A) ， I T (短 ) = 189.42 ( A)开关器件中电流峰值：ITP(长) = 2?IL 1(长) 171.18(A)ITP(短) = 2?IL1(短)2? 189.42 267.8(A)在连续情况下安全裕量选为2，则： I T= 2I TP(长) = 2? 173.18 346.36(A) ，在过载情况下安全裕量选为1.5，则： I T =1.5ITP(短) =1.5? 267.8401.7(A)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 = 3U 2 I 2 (VA) = 18 kVA (单相为 15kVA )，输入功率为：P = U I (VA)那么 P可按下式求得近似值：1111P1= P2 =18 = 18.94( kVA )h0.95P1+ P2=18+18.94P =2= 18.47( kVA)变压器的额定功率：22、计算电流（ I1）IP18.9410386.8(A)=P231=K 11.1I 2=18 10=60( A)U1= ?U 23002401.11.2。，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 = KP =1.3创 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： K PSC176.672SC =192.04(cm )KC = 0.89K CK C0.92式中一般；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192.04100 = 160( mm)b = SC 创100 =a120b = 160= 1.333z = h取 b = 160mm， a 120在 12 之间。窗高系数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（NO ）由 E = 4.44 fNBmSC ? 10- 8 (V ) 可得NO = N =108= 0.098(匝 / 伏 )E4.44创100 13000 ? 176.67;.经过计算得初级： N1 =U1 ?NO240? 0.098 23.53(匝)实际取为 56 匝。次级： N2 = (1.05 1.1)鬃U 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 = p d 2 j = s? j ( A)导线电流：4d =4I= 1.13I (mm)p jjs1I1 p=86.8s2I 2=60= 34.72( mm)= 24(mm)原边：j2.5，副边：j2.56、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原副边导线带绝缘尺寸大概为4.857.40mm2 和 4.368.40mm2 。m1 = 276 - 2? 2 - 1 = 34原边每层匝数：7.401.05；m2 = 276 - 2? 2 - 1= 29.8副边每层匝数：8.401.05；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。+重复控制+XX-+PID控制DSP输入电压检测Vd比较比较输入电流检测判断判断保护过流保护SVPWM脉冲驱动/隔离变压器及形成三相逆变桥LC滤波电路保护比较判断输出电压检测图 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dr + e +yC(z) +P(z)+- +C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 ( z) = K r zk S( z) 式中， Kr 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，削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) 可以由二阶低通滤波器S1 (z) 和零相移陷波器 S2 ( z) 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( K p + K i + K d ) - ( K p + 2K d )z- 1 + K d z- 2D( z) =1- z- 1式中，K p称为比例系数，Ki称为积分系数，Kd称为微分系数。+Vref +D（ Z ）+VP（Z ）Vo-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 关断端输出高电平，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 SG3524 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1.5A 。方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，当输出电流大于1.5A 后，运算放大器的输出端跳转为负，经过CD4011组成的 RS 触发器后，使三级管V1 基级的信号为低电平，三级管截止，向IR2011 的 SD1端输出高电平，达到保护的目的。图 13. 过电流保护电路图4.3 驱动电路设计4.3.1 MOSFET介绍MOSFET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 VMOSFET工艺，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,或 VMOS，作为开关器件，其常态是阻断状态，即 VMOS都是增强型 MOSFET。 MOSFET分为 N沟道和 P 沟道两类。N沟道 VMOS的导通电流的方向是从漏极 D到源极 S；P 沟道 MOS的导通方向是从源极S 到漏极 D。VMOS管的工作原理是，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。SDDGN+P N+N +P N +N-GG沟道N+SSDN沟道P沟道a)b)图 1- 19图 14. MOFET结构图和电气图4.3.2 SG3524 及 IR2110 芯片介绍SG3524 采用 DIP-16 封装，引脚排列如下图4 所示。各引脚功能如下：第 1、2 脚分别为误差放大器的反相输入端与同相输入端。第3 脚是振荡器输出端。第 4、5 脚依次是限流比较器检测端。第6、7 脚分别接定时电阻 (RT)和定时电容 (CT)。第 8 脚为接地端。第9 脚为误差放大器的频率补偿端。第l0 脚为关断电路控制端改变此脚电位就可控制 PWM 的通断。第11、14脚为输出管 EA 、EB 的发射极。第 l2 、l3 脚为输出管的集电极；第 l5脚为电源输入端，接 +5V +30V 。第l6 脚为 +5V 基准电压引出端。 7图 15.SG3524引脚图;.驱动电路如下图6 所单相逆变器仿真一：仿真模型如图二、仿真结果2.1输入直流电压波形;.输入电压为直流333V2.2 输出电流波输出电流接近正弦波，但是还有纹波，滤波不充分导致2.3输出电压波形2.3 输出电压输出电压波形为方波，接近300V，由于损耗计算不是很精确，所以有所有一定误差。一定误差。;.;.