1、實(shí)用文案題目：18KVA 單相逆變器設(shè)計(jì)與仿真院 系：電氣與電子工程學(xué)院專業(yè)年級：電氣工程及其自動化 2021級姓 名： 鄭海強(qiáng)學(xué) 號： 1010200224同組同學(xué)： 鐘祥鑼王敢方騫2021年11月20號標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案單相逆變器設(shè)計(jì)一.設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容要求設(shè)計(jì)一個(gè)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(shù)要求1、輸出電壓：AC單相300V2、輸出頻率：100Hz3、輸出功率：18KVA4、負(fù)載功率因數(shù)：儂*0.8山.0,滯后5、負(fù)載短時(shí)過載倍數(shù)：1.56、輸入電壓：直流 DC333V2 .設(shè)計(jì)方案介紹系統(tǒng)原理框圖如下列

2、圖所示保護(hù)電路-150V DCBl觸發(fā)電路|逆變主電路工頻變壓器濾波器300V AC標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案方案簡述將直流電變成交流電的電路叫做逆變電路. 根據(jù)交流側(cè)接在電網(wǎng) 和負(fù)載相接可分為有源逆變和無源逆變,所以本次設(shè)計(jì)的逆變器設(shè)計(jì) 為無源逆變.換流是實(shí)現(xiàn)逆變的根底.通過限制開關(guān)器件的開通和關(guān) 斷,來限制電流通過的支路這是實(shí)現(xiàn)換流的方法.直流側(cè)是電壓源的為電壓型逆變器,直流側(cè)是電流源的為電流型 逆變器,綜上本次設(shè)計(jì)為電壓型無源逆變器.3 .主電路原理圖及主要參數(shù)設(shè)計(jì)3.1 主電路原理圖如圖1所示圖13.2 輸出電路和負(fù)載計(jì)算3.2.1 負(fù)載側(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算負(fù)載側(cè)的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,根據(jù)圖2相關(guān)經(jīng)

3、計(jì)算結(jié)果如下：標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案V圖2負(fù)載側(cè)電路結(jié)構(gòu)圖1 .負(fù)載電阻最小值： 22_3cos9=1 0 時(shí) R=Vo2/ Po =3002/(18?103) 5W. 2cos =0.8 時(shí),R=Vo /( P0 X cosj ) =3002 /(18創(chuàng)03 0.8) = 6.25W2 .負(fù)載電感最小值：L' = Zl'/(2 n f )=8.3/( 2倉ip 100)=0.0132 HH3 .濾波電容：取濾波電容的容抗等于負(fù)載電感感抗的2倍,那么：C=1/(2 兀 f Zc)=1/(2 '兀'100' 32)=95.92 桿取電容為100忤,將10個(gè)10&

4、#187;F的AC電容進(jìn)行并聯(lián),乙(實(shí))=1/(2 f f C )=1/ (2 倉p 100創(chuàng)00 10-6) =15.9 W4 .濾波電抗L的計(jì)算選取主開關(guān)器件工作頻率fK =N fO =32' 100=3200Hz由于移相原因,輸出線電壓的開關(guān)頻率變?yōu)椋? fK =6400HZ取濾波電路固有諧振頻率f' = 1/(2 二 LC)= fK /6=533.3Hz2 22_6那么：L= 1/ (4h f C) = 1/(4 父n M 5332 M100M10 )=880 H實(shí)選用L=900uH由此特征阻抗乙=展=故0/100=33.2.2逆變電路輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案1 .濾波

5、電路輸入端電壓無變壓器時(shí)逆變電路的輸出與后續(xù)電路的連接電路如圖 3所示,有圖3可以得到如下的計(jì)算結(jié)果圖3逆變電路輸出電路空載時(shí)：空載時(shí)的矢量圖如圖圖4空載時(shí)的矢量圖4所示,由圖4可得:Il =UozC_ 300一 15.9=18.9 (A)ZL =2p foL =2倉ijp 100創(chuàng)900 10-6 = 0.5652( W)UL = IlL?ZL 18.9 ? 0.565210.7 (V).u = u0 - 4 = 300- 1.5 = 298.5(V)這說明空載時(shí)輸出電路是升壓的.額定負(fù)載時(shí)：額定負(fù)載時(shí),當(dāng)cosj= 1.0和=0.8的矢量圖分別如圖5和圖6所不圖5 cosj =1.0時(shí)的矢

6、量圖圖6 cos*0.8時(shí)的矢量圖-1q =tancos =1.= tan1 515.9=17.5°Il = IR+IC = (300 5)2 +(30015.鄉(xiāng)2 =62.9(A)標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案UL =ZL?llL 0.5652?62.9 35.6(V)u = ,3002 +35.6 - 2?8196 17.5)倉300 35.6 = 286.1?V) o 這說明 cosJl.0時(shí),即使?jié)M載,輸出電路也是升壓的.cos =0.8.*I.-300 300 300 300“人c =17.2年 A)ZL. ZC 8.3 15.3 A ),117.28oq = tan = 19.7930

7、0 6.25lL = JR+(ll- lc j = (300/6.25)2+17.29=51.01(A)Ul=Zl?Il 0.5652? 51.01 28.83(V)Ui = ,3002+28.83 - 2? cos(9C° 19.79)倉30028.83= 309.65V)負(fù)載最重時(shí)本設(shè)計(jì)中,負(fù)載最重為過載 150%寸,功率因數(shù)最低為 0.8,止匕時(shí):,-135.35oq =tan=26.1515 3006.25I300 300 1.5 300 300Il但 lC =15 =-=35.35A)Zlc Zc8.3 15.9()Il = JlR +(九-lc )2 = (1.5? 30

8、0/6.25)2 35.352 = 36.34(A) uL=ZL?|L 0.565N36.34 20.5電),& = 312.3"),可見輸出電路此時(shí)降壓比擬嚴(yán)重.2 .逆變電路輸出正弦電壓計(jì)算單相橋式電路輸出電壓為：Q=0.708E.考慮要保存“死區(qū)間隔圖標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案7所示)以及開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)有壓降,因而輸出電壓實(shí)際只能到達(dá):u = 0.708 K /E - mV、().其中：m = 2 ； K為“死區(qū)間隔引起的T-DTK =壓降系數(shù)：T ,那么：K = 156.25- 5.0 =0.968156.25本設(shè)計(jì)中取VCE(set)3V ,那么:u = 0.708 倉 10

9、.968整流濾波電路的壓降后,實(shí)際取為：E=350(V).那么三相逆變電路輸出線電壓為:u = 0.708倉068 (350- 3? 2) 235.7(V)實(shí)際取為："=240 (V ) o圖7死區(qū)“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,具結(jié)構(gòu)簡圖如圖8所示.由前面的計(jì)算可知輸出電路輸入端最高電壓 ui =312.3331),逆變電路輸出線電壓u = 24.,在逆變電路和輸出電路 之間參加電源變壓器.設(shè)變壓器的變比為 N :1 ,原副方各參數(shù)的矢量 圖如圖9所示：以副方輸出電壓 4為基準(zhǔn)矢量,變壓器原方電壓 Um =N

10、uo,付方電流Io如圖示(滯后),原方電流Il1 ='o/N O標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案CvUABUmUo電壓匹配電路圖1L |211 L1=2L|OL1 =Io、沙L12.wLi =wN L 和uL1 =wL1IL1 = wN2LI L1 = wN2L(IO1. N ) = NwLI O = NuL由矢量圖可得：Uab = NUiuab 240 N =0.7684ui312.333,考慮變壓器內(nèi)阻和激磁等原因,調(diào)整變比N和原方電流：1.02N= 0.7533O故,取實(shí)際的變比為0.7533,Il1?(1.031.05)1|1O (1.031.05)= 0 7533b (1.031.05)IL

11、1(長)=887 叫0.75331.04 = 122.46(A)Ili(短)=137.2 創(chuàng)0.75331.04 =189.42 (A).將電感折算到原邊得:2L. = N2L = (0.7533)倉2006106 =510.7(叫3.2.4 開關(guān)器件的選取1電流參數(shù):標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案開關(guān)器件中電流有效值：1長=346與一短=189.42 A開關(guān)器件中電流峰值：1Tp長=、2?Il1長171.12/廣 2?/必189,2 267.曾在連續(xù)情況下平安裕量選為2,那么：It=21Tp產(chǎn)？173/8 346.36A,在 過載情況下平安裕量選為1.5,那么：“"飛尸5?267.8 4.1 3

12、.3變壓器和交流電抗器設(shè)計(jì)計(jì)算在實(shí)際加工制造前還進(jìn)行各種機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算,為制造提供依據(jù).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(shù)、線圈所用導(dǎo)線的直徑和核算鐵心窗口面積等幾方面.1.計(jì)算變壓器的額定功率：變壓器輸出功率為：H=G2l2VA=18kVA單相為i5kVA,輸入功率為：pi =UiIiVA 那么p可按下式求得近似值：R =旦= J8_ = 18.94( kVA) h 0.95P+P218+18.94P = - =18.47( kVA)變壓器的額定功率:222、計(jì)算電流I1I =K P 仔 18.94'103 86 8P-_18,103-11 = K

13、 =1.1?86.8(A) I - = = = 60( A)Ui240U-300,式中 K般選 1.11.2標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案3、計(jì)算變壓器鐵心凈截面積及粗截面積鐵心凈截面積：SC=K#=1.3 倉38.47 103 = 176.67(cm2)式中系數(shù)K一般選在1.01.5 之間.由于硅鋼片之間的絕緣和空隙,實(shí)際鐵心截面積略大于計(jì)算值,應(yīng)為: K、P SC 176.672SC&=192.04(cm )_KCKC0.92式中一般Kc=°.89；冷軋硅鋼帶的Kc=0.92O根據(jù)算出的SC求硅鋼片中間舌寬a國家標(biāo)準(zhǔn)可查手冊得到選擇a=120mrnio鐵心疊厚b的計(jì)算,SCJ100 1

14、92.04 100、b = 160( mm)a120b=磔=1.333z = h取b = 160mm, a 120 在12之間.窗高系數(shù) a取為2.3 ,所以 h = 2.3a = 2.3?120 276(mm)4、計(jì)算各線圈的匝數(shù)：確定每伏匝數(shù)(NO)由 E = 4.44fNBmSC?10-8(V)可得NO = N =-=0.098(匝 /伏)E 4.44 創(chuàng)00 13000?176.67標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案經(jīng)過計(jì)算得初級:實(shí)際取為56匝次級.N2 = (1.05-1.1)82 4=1.1倉舊00 0.098=32,34他)實(shí)際取為90匝.5、計(jì)算各線圈導(dǎo)線直徑導(dǎo)線電流:P 2-I =pd j

15、=s?j(A)4d = J-4 = 1.13 J-(mm)Vpxj山s1 ='= 34.72( mm)原邊：j2.5,副邊:6、校核鐵心窗口面積I260=24(mm)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(yīng)小于選用鐵心窗口寬度原副邊導(dǎo)線帶絕緣尺寸大概為4.85丈7.40mm2和4.36父8.40 mm2276- 2? 2一 ,m1 =1 = 34原邊每層匝數(shù)：7.40' 1.05276- 2? 2 m2 = 1 = 29.8副邊每層匝數(shù)： 8.40' 1.05四：限制系統(tǒng)和輔助電路設(shè)計(jì)4.1逆變局部的限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)文檔N

16、1=U1?NO 240? 0,098 23.53他)實(shí)用文案逆變局部采用的限制策略是數(shù)字 PID和重復(fù)限制相結(jié)合的綜合限制 策略.數(shù)字PID限制用于保證較快的動態(tài)響應(yīng),重復(fù)限制用于保證輸 出電壓的波形質(zhì)量.其限制框圖如圖 12所示.那么該限制系統(tǒng)將兼 具良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能,通過限制參數(shù)的合理設(shè)計(jì),就可以滿足設(shè) 計(jì)指標(biāo)要求.圖9逆變局部限制系統(tǒng)框圖1、重復(fù)限制器的設(shè)計(jì)重復(fù)限制器限制框圖如圖12所示圖10重復(fù)限制器限制框圖標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案周期延遲正反響環(huán)節(jié)對逆變器輸出電壓的誤差進(jìn)行逐工頻周期的累加.補(bǔ)償器C(z)的作用是抵消二階LC濾波器的諧振峰值,使重復(fù)控k制系統(tǒng)穩(wěn)定.C(Z)的表示形式為：C

17、(z) = KzS式中,Kr 重復(fù)限制器的增益,zk 超前環(huán)節(jié),S濾波器濾波器S是為了抑制系統(tǒng)的高頻干擾,削除被控對象的諧振峰值, 使其在諧振點(diǎn)處有較大的幅值衰減,且具有零相移、零增益特性.因 此濾波器鼠才可以由二階低通濾波器§(z)和零相移陷波器與組成.2數(shù)字PID限制器設(shè)計(jì)數(shù)字PID限制器的限制原理根本上與模擬 PID限制相同.數(shù)字PID控 制正弦波逆變電源系統(tǒng)的原理如圖10所示.為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和 動態(tài)特性,系統(tǒng)中用了前饋補(bǔ)償.PID限制器可表示為12D(z)=(Kp + Ki+Kd)-(Kp+2Kd)z1+Kdz2iTz71式中,K p稱為比例系數(shù),Ki稱為積分系數(shù),(稱為

18、微分系數(shù)VVoVref圖11 數(shù)字PID限制框圖比例調(diào)節(jié)器的作用是對偏差瞬間作出快速反響. 偏差一旦產(chǎn)生,限制 器立即產(chǎn)生限制作用,使限制量向減少偏差的方向變化.限制作用的 強(qiáng)弱取決于比例系數(shù),比例系數(shù)越大,限制越強(qiáng),但過大會導(dǎo)致系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案振蕩,破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性.積分調(diào)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差,但它也 會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度,增加系統(tǒng)的超調(diào)量.微分調(diào)節(jié)的作用是在過 程開始時(shí)強(qiáng)迫過程加速進(jìn)行,過程結(jié)束時(shí)減小超調(diào),克服振蕩,提升 系統(tǒng)的穩(wěn)定性,加快系統(tǒng)的過渡過程.4.2 保護(hù)電路設(shè)計(jì)保護(hù)電路分為欠壓保護(hù)和過流保護(hù).欠壓保護(hù)電路如圖7所示,它監(jiān)測蓄電池的電壓狀況,如果蓄 電池電壓低于預(yù)設(shè)的10

19、.8V,保護(hù)電路開始工作,使限制器 SG3524 的腳10關(guān)斷端輸出高電平,停止驅(qū)動信號輸出.圖7中運(yùn)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(wěn)壓管箝位在+7.5V,正常工作的時(shí)候,由三極管V導(dǎo)通,IR2110輸出驅(qū)動信號,驅(qū)動晶閘管正常工作,實(shí)現(xiàn) 逆變電源的設(shè)計(jì).當(dāng)蓄電池的電壓下降超過預(yù)定值后,運(yùn)算放大器 開始工作,輸出跳轉(zhuǎn)為負(fù),LED燈亮,同時(shí)三級管 V截止,向SG35 24的SD端輸出高電平,封鎖IR2110的輸出驅(qū)動信號.此時(shí)沒有逆 變電壓的輸出.圖12.欠壓保護(hù)電路圖標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案過流保護(hù)電路如圖8所示,它監(jiān)測輸出電流狀況,預(yù)設(shè)為 1.5A.方波逆變器的

20、輸出電流經(jīng)過采樣進(jìn)入運(yùn)算放大器的反向輸入端,當(dāng)輸出電流大于1.5A后,運(yùn)算放大器的輸出端跳轉(zhuǎn)為負(fù),經(jīng)過 CD40 11組成的R S觸發(fā)器后,使三級管 V1基級的信號為低電平,三級管截止,向IR2021的SD1端輸出高電平,到達(dá)保護(hù)的目的.4.3 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)4.3.1 MOSFET 介紹MOSFET是一種電壓限制的單極性器件,它是由金屬氧化物和半導(dǎo)體組成的場效應(yīng)晶體管,所以也叫絕緣柵型場效應(yīng)管.應(yīng)用 VMOSFET工藝,生產(chǎn)出了大功率的產(chǎn)效應(yīng)管,并在逆變電路中得到廣泛應(yīng)用.功率場效應(yīng)管簡稱 VMOSFE或VMOS作為開關(guān)器件,其常態(tài)是阻斷狀態(tài),即VMO都是增強(qiáng)型MOSFETMOSFE分為N溝道和P溝道兩類.N溝道VMOS勺導(dǎo)通電流的方向是從漏極 D到源極S; P溝道MOS勺導(dǎo)通方向是從源極S到漏極DVMOST的工作原理是,源極 S接零電位,漏極D接正電位,當(dāng)柵極接正電壓時(shí),由于電荷感應(yīng),在 P區(qū)感應(yīng)出電子,電子的累積便標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案形成N溝道.源極S和漏極D之間便產(chǎn)生了電流.因