1、精選優質文檔-傾情為你奉上目 錄第1章 概述 電力系統變電站和調度所的繼電保護和綜合自動化管理設備有的是單相交流供電的，其中有一部分是不能長時間停電的。普通UPS設備因受內置蓄電池容量的限制，供電時間比較有限，而直流操作電源所帶的蓄電池容量一般都比較大，所以需要一套逆變電源將直流電逆變成單相交流電。 隨著電力電子技術的飛速發展，正弦波輸出變壓變頻電源已被廣泛應用在各個領域中，與此同時對變壓變頻電源的輸出電壓波形質量也提出了越來越高的要求。對逆變器輸出波形質量的要求主要包括兩個方面：一是穩態精度高；二是動態性能好。因此，研究開發既簡單又具有優良動、靜態性能的逆變器控制策略，已成為電力電子領域的研

2、究熱點之一。 逆變器，是指整流器的逆向變換裝置，其作用是通過半導體功率開關器件（例如SCR,GTO,GTR,IGBT和功率MOSFET模塊等）的開通和關斷作用，把直流電能變換成交流電能，因此是一種電能變換裝置。由于多數負載要求逆變器輸出正弦波，因而正弦波逆變器用途最廣泛。 正弦波逆變電源利用蓄電池的直流電作為輸入，經逆變后輸出純凈的正弦波交流電，輸出電壓和頻率極為穩定并可長期連續工作，消除了直接使用市電帶來的供電中斷，電壓不穩，雜音干擾和雷電侵入等不利因素，同時克服了小型ups供電時間短的致命缺陷，確保用電設備連續可靠的工作。 在現有的正弦波輸出變壓變頻電源產品中，為了得到SPWM波，一般都采

3、用雙極性調制技術。該調制方法的最大缺點是它的4個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，從而產生了較大的開關損耗，開關頻率越高，損耗越大。本文針對正弦波輸出變壓變頻電源SPWM調制方式及數字化控制策略進行了研究，以TMS320F240數字信號處理器為主控芯片，以期得到一種較理想的調制方法，實現逆變電源變壓、變頻輸出。 第2章 正弦波逆變器技術要求和主電路升壓濾波 電路輸入180285V直流電2.1總體框架圖逆變電路 驅動放大電路SPWM控制電路輸出220V交流電 電力系統變電站和調度所的繼電保護和綜合自動化管理設備有的是單相交流供電的，其中有一部分是不能長時間停電的。普通UPS設備因受內置蓄電池容

4、量的限制，供電時間比較有限，而直流操作電源所帶的蓄電池容量一般都比較大，所以需要一套逆變電源將直流電逆變成單相交流電。 逆變電源的工作原理與UPS有以下兩點區別：1）逆變電源不需要與交流電網鎖相同步，因為其負載可以瞬間停電（幾秒以內）。2）逆變電源的輸入直流電壓為180285V，而UPS內置電池電壓為12V或24V。2.2逆變電源的設計要求和目標1）輸出電壓：輸出為單相220VAC（有效值），頻率為50Hz。2）輸出功率：1000W，允許過載20%，既Pomax=1200W。2.3主電路形式選擇這種正弦波輸出逆變器的輸入電壓變化范圍較寬，為180285V，而其輸出則要求是穩壓的。因此，該逆變電

5、源的逆變電路必須有一個升壓的過程。這種逆變電源的主回路形式有下述兩種。2.3.1有工頻變壓器的逆變電源 橋式逆變電路以SPWM方式工作，將185285VDC電壓逆變成有效值基本不變的SPWM波形，由工頻變壓器升壓得到220V交流電壓。 這種電路方式效率比較高（可達90%以上）、可靠性較高、抗輸出短路的能力較強。但是，它響應速度較慢，波形畸變較重，帶非線性負載的能力較差，而且噪聲大。2.3.2無工頻變壓器的逆變電源逆變電路以PWM方式首先將185285VDC電壓逆變成高頻方波，經高頻升壓變壓器升壓，再整流濾波得到一個穩定的直流電壓，比如350VDC。這部分電路實際上是一套直流/直流變換器，即DC

6、/DC或DC-DC。然后，在由另一套逆變器以SPWM方式工作，將穩定的直流電壓逆變成有效值稍大于220V的SPWM電壓波形，經LC濾波后，就可以得到有效值為220V的50Hz交流電壓。 第3章 正弦波逆變器主電路設計3.1有工頻變壓器的逆變電源主電路設計3.1.1電路形式有工頻變壓器的逆變電源主回路基本工作過程可以理解，可以把它設計成以IGBT為 開關管的橋式逆變電路形式，如圖3.1所示。 圖3.1有工頻變壓器的逆變電源主回路電源為180V285VDC，四個開關管分別為Tr1,Tr3,Tr2,Tr4.圖中，Tr1Tr4為IGBT開關管，C1為串聯耦合（去耦）電容，防止變壓器因單相偏磁而飽和，T

7、為隔離升壓變壓器，C2為輸出濾波電容，L為輸出濾波電感。3.1.2 參數設計1.逆變變壓器 變壓器輸出220VAC的峰值為311V，考慮到變壓器副邊繞組電壓峰值設為315V，原邊在考慮去耦電容C1的壓降后，最低電壓時為170V，所以變壓器的匝比n為                          n=N2/N1=315V/170V &#

8、160;1.85        電源輸出功率也就是變壓器的輸出功率Po=1000W。設變壓器的效率r=95%，則原邊效率P1=Po/r1060W。 因為變壓器是變換SPWM電壓波形，其基波（50Hz）的成分相當大，所以我們可以選擇400Hz的硅鋼C型鐵芯，其Ke=0.9,Bm=1.2T,Kc可選為0.3，j=3A/mm²=3*10(²*³)A/m²，所以鐵芯面積乘積為 AeAc=1200(1+0.95)/0.95*4.44*50*0.9*0.3*3*10(²*³)*

9、1.2           1.14*10(²+³)(m²+²)=1140cm² 可以選取CD型400Hz硅鋼鐵芯。 查出截面積Ae，求出有效面積Se=Ae*Ke，然后就可以由下面的兩個公式先求出原邊匝數，再求出副邊匝數。                    

10、0;   N1=V1max/(KfSeBm)                                             

11、60; N2=N1/n                                 導線截面：副邊S2=I2/j=5.5/31.8(mm²),選1.2mm漆包線兩股并繞；         原邊S1

12、=I1/j=Ni2/J=1.87*5.5/33.43(mm²),1.2mm漆包線三股 并繞。2.開關管最高電壓為285V，所以開關管的耐壓可選為600V。開關管的峰值電流：Im=3I1m=3*5.5*1.8731(A)                         選IGBT的電流定額為40A。3.2 無工頻變壓器的逆變器主電路設計3.2.1電路形式 我們

13、知道，無工頻變壓器的逆變電源實際上包含兩部分：一套DC/DC和一套SPWM逆變器。DC/DC的設計這里我們不討論。所以，這里只討論SPWM逆變主電路，其電路形式如圖3.2所示。   圖3.2 無工頻變壓器的逆變電源主回路 電源是與一套直流/直流變換器連接，取350V，各個管子分別為Tr1,Tr3,Tr2,Tr4.電感、電容組成LC濾波電路。3.2.2 參數設計1. 開關管逆變器允許輸出峰值電流為               &

14、#160;    Im=3Iom=3*5.5A=16.5A                      所以開關管的電流定額可以選為600V。我們可以選30A，600V，TO-247封裝的IGBT管。2. LC濾波電路L為工頻電感，電感量可選為12mH。為減小噪聲，選閉合鐵芯，C為工頻電容，可以選CBB61-10µF-250VAC。第4章

15、正弦波逆變器輸出變頻調制方式 當載波為三角波或鋸齒波，調制波為正弦波時，不含相對于調制波的低次諧波。當載波為三角波或鋸齒波時，基波的幅值和調制度M成正比，即是線性關系。當載波為三角波時，輸出的脈寬調制波脈沖的上升沿和下降沿都被控制，稱為雙邊調制，而像鋸齒波那樣只控制一個變化沿的控制方式稱為單邊調制從包含的諧波來看，雙邊調制性能較好。根據設計要求，應以正弦波為調制波，以三角波為載波來輸出期望的正弦波，故應采用正弦波脈寬調制技術，即SPWM調制技術。 在正弦波逆變電源數字化控制方法中，目前國內外研究得比較多的主要有數字PID控制、無差拍控制、雙環反饋控制、重復控制、滑模變結構控制、模糊控制以及神經

16、網絡控制等。本文所采用的是外環為平均值環、內環為瞬時值環的雙環控制策略。內環通過瞬時值控制獲得快速的動態性能，保證變壓變頻電源輸出電壓畸變率較低，外環使得變壓變頻電源在各個頻率段的輸出電壓具有較高的精度，并使用DSPTMS320F240全數字的控制實現。4.1 SPWM正弦脈寬調制方式 SPWM正弦脈寬調制可分為雙極性調制方式、單極性調制方式和單極性倍頻調制方式。4.1.1單極性調制方式 單極性調制方式的特點是在一個開關周期內兩只功率管以較高的開關頻率互補開關，保證可以得到理想的正弦輸出電壓：另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開關損耗。但又不是固定其中一個橋臂始終

17、為低頻(輸出基頻)，另一個橋臂始終為高頻載波頻率)，而是每半個輸出電壓周期切換工作，即同一個橋臂在前半個周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個橋臂的功率管工作狀態均衡，對于選用同樣的功率管時，使其使用壽命均衡，對增加可靠性有利。4.1.2雙極性調制方式  雙極性調制方式的特點是4個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，雖然能得到正弦輸出電壓波形，但其代價是產生了較大的開關損耗。4.1.3單極性倍頻調制方式 單極性倍頻調制方式的特點足輸出SPWM波的脈動頻率是單極性的兩倍，4個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，因此，開關管損耗與雙極性相同。 第5章 正弦波逆變器控制電路

18、5.1總控制電路 逆變電源控制電路的核心是SPWM發生器。SPWM的實現包括分立電路、集成芯片和單片機實現。它們的電氣性能和成本有所不同，各有自己的優勢和不足之處。逆變電源SPWM電路的調制頻率固定為50Hz不變，為了降低成本，我們這里用分立電路組成，如圖5.1所示 圖5.1 產生正弦波和三角波的方法有很多，如模擬法、數字法、數字模擬混合法等，其中我們采用模擬方法來得到需要的波形。 模擬方法：模擬方法多用線性積分電路產生三角波，用文氏橋振蕩器或RC振蕩器產生正弦波，然后經過比例放大器控制其幅值 正弦波發生器和三角波發生器分別見下兩圖5.1.1、5.1.2。 圖5.1.1 正弦波發生器 C1=0

19、.08µ，R1=10k,C2=0.08µ,R2=1.8k,R3=1.8k,R6=180k,R4=1.6k,R5=1.6k圖5.1.2 三角波發生器 以標準的正弦波信號為參考，將輸出電壓的反饋信號與之相比較，經由U1A及其外圍電路組成的PI型誤差放大器調節后得到一個控制信號，送到U2A去調制三角波，既可得到SPWM波形。U3A和U4A分別為正負值比較器，它們的輸出信號分別給U5A和U6A，從而將SPWM交替地分成兩路，各自放大后驅動相應的開關管對，控制主回路完成SPWM逆變。需要注意的是，驅動電路要將每一路信號分成相互隔離的兩路，分別驅動處于對角位置上的兩只開關管。以上控制電路的特點是不僅能控制正弦波輸出的有效值，還能調節輸出電壓的瞬時值，優化波形，減小諧波失真，提高帶負載能力。5.2 控制局部電路5.2.1放大電路設計 恒流源的JFET差分驅動放大電路 因為所設計的控制電路輸出的波形信號是比較微弱的。完全不能直接的驅動IGBT的導通。所以我們必須要設計一個放大器來對PWM信號進行放大在輸出的。其實放大器的選擇又很多種選法，在這里我采用的是FET差分式放大電路。 第6章 總結與心得 兩周的課程設計結束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養了我如