1、1題目：18KVA單相逆變器設計與仿真院 系：電氣與電子工程學院_專業年級：電氣工程及其自動化 2010 級姓名：鄭海強_學號：1010200224_同組同學： 鐘祥鑼王敢方騫2013 年 11 月 20 號2單相逆變器設計一. 設計的內容及要求1.1 設計內容要求設計一個輸入為 150V 的直流電壓，輸出容量為 18KVA，輸 出電壓為 300V 單相交流電的逆變器。1.2 參數要求1、輸出電壓：AC 單相 300V2、輸出頻率：100Hz3、輸出功率：18KVA4、負載功率因數：cos 0.81.0,滯后5、負載短時過載倍數：1.56、輸入電壓：直流 DC333V二. 設計方案介紹系統原理

2、框圖如下圖所示3方案簡述將直流電變成交流電的電路叫做逆變電路。 根據交流側接在電網 和負載相接可分為有源逆變和無源逆變，所以本次設計的逆變器設計 為無源逆變。換流是實現逆變的基礎。通過控制開關器件的開通和關 斷，來控制電流通過的支路這是實現換流的方法。直流側是電壓源的為電壓型逆變器，直流側是電流源的為電流型 逆變器，綜上本次設計為電壓型無源逆變器。三.主電路原理圖及主要參數設計3.1 主電路原理圖如圖 1 所示圖 13.2 輸出電路和負載計算3.2.1 負載側參數設計計算負載側的電路結構圖如圖 2 所示，根據圖 2 相關經計算結果如下：4圖 2 負載側電路結構圖1. 負載電阻最小值：cosd.

3、o 時，R=V02/PO=3002/（18?103） 5W2cos=0.8 時，R=Vo/（Pocosj ）=3002/（18 倉 1030.8） = 6.25W2. 負載電感最小值：L二ZL7（2 ）=8.3/（2創p 100）=0.0132“3. 濾波電容：取濾波電容的容抗等于負載電感感抗的2 倍，貝心C=1/（2fZc）=1/（2100 32）=95.92 取電容為 100F,將 10 個 10 的 AC 電容進行并聯，乙實）二1/（2二fC）=1/（2 倉 p 100 倉 100 10-6）=15.9W4. 濾波電抗 L 的計算選取主開關器件工作頻率 加=Nf。=32 100=3200

4、Hz 由于移相原因， 輸出線電壓的開關頻率變為：2fK=6400HZ 取濾波電路固有諧振頻率f=1/（2：LC）=fK/6=533.3HzO O-b R -L L I I一I I L L - -11 - - I I .1.1. n n -1-1 n n n n I II I n n n n T TI I - - I I52則：L= 1/（ 42fC）= 1/（4 二2533210010）=880 小實選用 L=900uH由此特征阻抗ZT=丄C=900/100=33.2.2 逆變電路輸出電壓61.濾波電路輸入端電壓(無變壓器時)逆變電路的輸出與后續電路的連接電路如圖 3 所示，有圖 3 可以得到

5、UL=|iL?ZL18.9 ? 0.565210.7(V)。U =u-UL=300-厲二298.)這說明空載時輸出電路是升壓的。額定負載時：額定負載時，當cosj =1.0和cos，0.8的矢量圖分別如圖5 和圖 6 所示。co$ =1.0：丿LIC圖 4空載空載時：空載時的矢量圖如圖 4 所示，由圖 4 可得: =1.LZc_ 300=15.9ZL= 2p foL = 2倉創3 100倉J900 10-6=圖 6cos，=0.8時的矢量圖如下的計算結果圖 3 逆變電路輸出電路圖 5cosjtan-1=tan-1 515.9=1757l：+lC=,(3005)2+(30015.礦=62.9(A

6、)IL8UL=ZL?IL0.5652? 62.9 35.6(V)時，即使滿載，輸出電路也是升壓的q=tafe =19.7903006.25iL= jlR+(lL-IC)=、 、(300/6.25)UL=ZL?L0.5652? 51.01 28.83(V)負載最重時 本設計中，負載最重為過載 150%時，功率因數最低為 0.8，此時:300 300 1.5300 300 c “-135.35“|ILC-IC=1.5?=-=35.35A)q =tan1- =26.13ZLCZC8.315.9、丿1.5300 6.25IL=R+fL- IC)=、(1.5?300/6.25)235.35 =36.3半

7、A)UL=ZL?|L .565236.34 20.5空），Ui=312.3q（V），可見輸出電路此時降壓比較嚴重。2.逆變電路輸出正弦電壓計算單相橋式電路輸出電壓為：U=.708E。考慮要保留“死區”間隔（圖17.5)創 300 35.6=286.iqV)。這說明cos，=1.0cos =0.8.300 300 = 300 300ZLcZC= 8.3 15.3=17.28(A)2+17.2$ =51.01(A)Ui=+ 2 82-8 3309.65Ui=2+ 35.6 - 2?cos 91 9.79 = 300.8397 所示)以及開關器件導通時有壓降，因而輸出電壓實際只能達到:0.708K(

8、E-叫喲)。其中：口= 2；K為“死區”間隔引起的T-DTK=壓降系數：T，則：K=156.2&5. = 0.968156.25整流濾波電路的壓降后，實際取為：E=350(V)。則三相逆變電路輸u =0.708創0.68(350- 3? 2)235.7(V)實際取為：U=240(V)-才T圖 7 死區“間隔”示意圖3.2.3 逆變電路和輸出電路之間的電壓匹配:逆變電路和輸出電路之間的電壓匹配采用電源變壓器，其結構簡圖如圖 8 所示。由前面的計算可知輸出電路輸入端最高電壓Ui=312.333(V),逆變電路輸出線電壓u=240,在逆變電路和輸出電路 之間加入電源變壓器。設變壓器的變比為N

9、：1， 原副方各參數的矢量 圖如圖 9 所示： 以副方輸出電壓 為基準矢量，變壓器原方電壓Um=NUo,付方電流Io如圖示(滯后)，原方電IL1?(1.031.05)g I。(1.031.05)=(1.031.05)本設計中3V，則:u= 0.708倉創0.968(E-3?2)，考慮出線電壓10流5= lo/N。11圖 8 電壓匹配電路圖uL1= wL1IL1= wN LIL1= wN L(IO, N)=NwLIo=NULN =UAB=240= 0.7684Ui 312.333,考慮變壓器內=0.7533N和原萬電流：1.02。故，取實際的變比為 0.7533,*1.04 =189.42(A)

10、一(丿。將電感折算到原邊得:L. = N2L =(0.7533)2倉創900UABUmUoN :12LilLi=沖由矢量圖可得：UAB二NUi阻和激磁等原因，調整變比1.(長)=88.7創 fc75331.04 = 122.46(A)1IL1(短)=137.2創 07533-610 =510.7(mH)和123.2.4 開關器件的選取1 電流參數:13開關器件中電流有效值：IT（長）=122.46（A）,IT（短）=189.42（A）開關器件中電流峰值：ITP=2?IL1（長）171叫A）ITP（短）=、2?IL1（短）.27189.42 267.8（A）在連續情況下安全裕量選為 2,則：IT

11、=*（長）=2?173.18 346.3qA）, 在過載情況下安全裕量選為 1.5,則：1丁=1.5唁（短產.5?267.8 401.7（A）3.3 變壓器和交流電抗器設計計算在實際加工制造前還進行各種機械結構參數的計算，為制造提供依 據。主要是變壓器的額定功率、初級線圈電流、鐵心的截面積、各線 圈的匝數、線圈所用導線的直徑和核算鐵心窗口面積等幾方面。1.計算變壓器的額定功率：變壓器輸出功率為：P23j2l2（VA）=18kVA（單相為15kVA），輸入功率為：p=J1|1（VA）那么P可按下式求得近似值：P =豆=翌=18.94(kVA) h 0.952、計算電流（11）變壓器的額定功率:R

12、 + F22=18+18.94=2= 18.47(kVA)K旦= 1.1?込j124086.8(A),P218 1032= J2= 300=60(A)， 式中 K14般選 1.11.2153、計算變壓器鐵心凈截面積及粗截面積鐵心凈截面積：SC=K、P=1.3倉U 18.47 103式中系數 K 一般選在 1.01.5 之間。由于硅鋼片之間的絕緣和空隙，實際鐵心截面積略大于計算值，應為: KjP SC 176.672SC=192.04(cm2)KcKC0.92式中一般KC=0.89；冷軋硅鋼帶的KC=0.92根據算出的SC求硅鋼片中間舌寬 a 國家標準可查手冊得到選擇a=120mm。鐵心疊厚 b

13、 的計算,SCJ100 192.04 100 b =a120以h = 2.3a = 2.3? 120 276(mm)4、計算各線圈的匝數：確定每伏匝數(N。)-8由E=4.44fNBmSc?10 (V)可得=160(mm)取b = 160mm=160=120= 1.333在 12 之間。窗高系數z=a取為 2.3,所16N1=U1?NO240?0.098 23.53匝)實際取為 56 匝 次級.2 =(1.051.1)鬃2N。=1.1創300 0.098= 32.34匝)實際取為 90 匝。5、計算各線圈導線直徑四：控制系統和輔助電路設計4.1 逆變部分的控制系統設計導線電流:I=p4d j=

14、s?j(A)S|=虹=86.8= 34.72( mm)原邊：j2.5，副邊:&校核鐵心窗口面積1260s2=24( mm)j 2.5變壓器線圈繞在框架上，每層線圈之間一般均有絕緣層。線圈厚度、絕緣層厚度和框架厚度的總和應小于選用鐵心窗口寬度原副邊導線帶絕緣尺寸大概為4.857.40mm2和4.36 8.40mm2原邊每層匝數:276 - 2? 2m1=-1 = 347.40z1.05副邊每層匝數:276- 2?2m2=8.401.05-1 = 29.8圖 10 重復控制器控制框圖17逆變部分采用的控制策略是數字PID 和重復控制相結合的綜合控制策略。數字 PID 控制用于保證較快的動態

15、響應，重復控制用于保證輸 出電壓的波形質量。其控制框圖如圖 12 所示。那么該控制系統將兼 具良好的穩態和動態性能，通過控制參數的合理設計，就可以滿足設 計指標要求。圖 9逆變部分控制系統框圖1、重復控制器的設計重復控制器控制框圖如圖 12 所示周期延遲正反饋環節對逆變器輸出電壓的誤差進行逐工頻周期的累加。補償器 C(z)的作用是抵消二階 LC 濾波器的諧振峰值，使重復控 制系統穩定。C(Z )的表示形式為：C(z)=心人 式中，Kr-重復控制器的增益，zk超前環節，S(z)濾波器18濾波器S(z)是為了抑制系統的高頻干擾，削除被控對象的諧振峰值， 使其在諧振點處有較大的幅值衰減，且具有零相移

16、、零增益特性。因 此濾波器S(Z)可以由二階低通濾波器S和零相移陷波器S2組成。2 數字 PID 控制器設計數字 PID 控制器的控制原理基本上與模擬PID 控制相同。數字 PID控制正弦波逆變電源系統的原理如圖10 所示。為了改善系統的穩態和動態特性，系統中用了前饋補償。PID 控制器可表示為i、(Kp+ Ki+Kd)-(Kp+2Kd)z1+KdZ2D(z)=亍1- z式中，Kp稱為比例系數，Ki稱為積分系數，Kd稱為微分系數圖 11 數字 PID 控制框圖比例調節器的作用是對偏差瞬間作出快速反應。 偏差一旦產生，控制 器立即產生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。控制作用的 強弱取決于

17、比例系數，比例系數越大，控制越強，但過大會導致系統 振蕩，破壞系統的穩定性。積分調節的作用是消除靜態誤差，但它也 會降低系統的響應速度，增加系統的超調量。微分調節的作用是在過 程開始時強迫過程加速進行，過程結束時減小超調，克服振蕩，提高 系統的穩定性，加快系統的過渡過程。4.2 保護電路設計19保護電路分為欠壓保護和過流保護。欠壓保護電路如圖 7 所示，它監測蓄電池的電壓狀況，如果蓄 電池電壓低于預設的 10.8V，保護電路開始工作，使控制器 SG3524 的腳 10 關斷端輸出高電平，停止驅動信號輸出。圖 7 中運算放大器的正向輸入端的電壓由R1 和 R3 分壓得到，而反向輸入端的電壓由穩壓

18、管箝位在+7.5V，正常工作的時候，由三極管 V 導通，IR2110 輸出驅動信號，驅動晶閘管正常工作，實現 逆變電源的設計。當蓄電池的電壓下降超過預定值后，運算放大器 開始工作，輸出跳轉為負，LED 燈亮，同時三級管 V 截止，向 SG35 24 的 SD 端輸出高電平，封鎖 IR2110 的輸出驅動信號。此時沒有逆 變電壓的輸出。圖 12.欠壓保護電路圖過流保護電路如圖 8 所示，它監測輸出電流狀況，預設為 1.5A。 方波逆變器的輸出電流經過采樣進入運算放大器的反向輸入端，當輸出電流大于 1.5A 后，運算放大器的輸出端跳轉為負，經過CD4011 組成的 R S 觸發器后，使三級管V1基

19、級的信號為低電平，三級管截止，向 IR2011 的 SD1 端輸出高電平，達到保護的目的。204.3 驅動電路設計4.3.1 MOSFET 介紹MOSFE 是 一種電壓控制的單極性器件，它是由金屬氧化物和半導體組成的場效應晶體管，所以也叫絕緣柵型場效應管。應用VMOSFET工藝，生產出了大功率的產效應管，并在逆變電路中得到廣泛應用。功率場效應管簡稱 VMOSFE 或 VMOS 作為開關器件，其常態是阻斷 狀態，即 VMO 都是增強型 MOSFETMOSFE 分為 N 溝道和 P 溝道兩類。N 溝道 VMOS 勺導通電流的方向是從漏極 D 到源極 S； P 溝道 MO 啲導 通方向是從源極 S 到漏極 BVMOST 的工作原理是，源極 S 接零電位，漏極 D 接正電位，當 柵極接正電壓時，由于電荷感應，在 P 區感應出電子，電子的累積便圖 15.SG3524 引腳圖21形成 N 溝道。源極 S 和漏極 D 之間便產生了電流。因此，柵極 G 上的電壓的大小，決疋了源極 S 與漏極 D 之間的電流大小。圖 14.MOFET!結構構圖和電氣圖4.3.2 SG3524 及 IR2110 芯片介紹SG3524 采用 D