直流逆變器設(shè)計(jì)

武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練說明書3KVA三相逆變器設(shè)計(jì)1 概述 現(xiàn)代工業(yè)、交通運(yùn)輸、軍事裝備、尖端科學(xué)的進(jìn)步以及人類生活質(zhì)量和生存環(huán)境的改善，都依賴于高品質(zhì)的電能，據(jù)統(tǒng)計(jì)70%的電能都是經(jīng)過變換后才使用，而隨著科技的發(fā)展，需要變換的比例將會進(jìn)一步提高。電力電子技術(shù)為電力工業(yè)的發(fā)展和電力應(yīng)用的改善提供了先進(jìn)技術(shù)，它的核心是電能形式的變換和控制，并通過電力電子裝置實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用。電力電子裝置是以滿足用電要求為目標(biāo)，以電力半導(dǎo)體器件為核心，通過合理的電路拓?fù)浜涂刂品绞剑捎孟嚓P(guān)的應(yīng)用技術(shù)對電能實(shí)現(xiàn)變換和控制的裝置。逆變器和直流斬波電路是應(yīng)用很廣的一種電力電子裝置或技術(shù)。 直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調(diào)的直流電，也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter）直流斬波電路（DC Chopper）一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流-交流-直流的情況；直流斬波電路的種類很多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，Sepic斬波電路，Zeta斬波電路，前兩種是最基本電路。 逆變器也稱逆變電源，是將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的變流裝置，是太陽能、風(fēng)力發(fā)電中的一個重要部件。隨著微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，逆變技術(shù)也從通過直流電動機(jī)交流發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方式，發(fā)展到晶閘管逆變技術(shù)，而今的逆變技術(shù)多采用了MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT 等多種先進(jìn)且易于控制的功率器件，控制電路也從模 擬集成電路發(fā)展到單片機(jī)控制甚至采用數(shù)字信號處理器（DSP）控制。各種現(xiàn)代控制理論如自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制理論和算法也大量應(yīng)用于逆變領(lǐng)域。其應(yīng)用領(lǐng)域也達(dá)到了前所未有的廣闊，從毫瓦級的液晶背光板逆變電路到百兆瓦級的高壓直流輸電換流站；從日常生活的變頻空調(diào)、變頻冰箱到航空領(lǐng)域的機(jī)載設(shè)備；從使用常規(guī)化石能源的火力發(fā)電設(shè)備到使用可再生能源發(fā)電的太陽能風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，都少不了逆變電源。毋庸置疑，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和各種新型功率器件的發(fā)展，逆變裝置也將向著體積更小、效率更高、性能指標(biāo)更優(yōu)越的方向發(fā)展。 PWM控制技術(shù)就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）；面積等效原理是 PWM技術(shù)的重要基礎(chǔ)理論。一種典型的PWM控制波形SPWM脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形稱為SPWM波。SPWM法是一種比較成熟的也是目前使用較廣泛的PWM法。在采樣控制理論中有一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。SPWM 法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電 路輸出電壓的頻率和幅值。 本文通過詳細(xì)講述每個部分的工作原理、元件選擇、電路構(gòu)造和參數(shù)選擇，設(shè)計(jì)出三相逆變器所需的升壓電路、主電路、反饋與控制電路、PWM生成電路、觸發(fā)電路和濾波電路，完整的闡述了一個三相逆變器的設(shè)計(jì)方法和過程。2 方案論證2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求條件：輸入直流電壓：110V。要求完成的主要任務(wù): 設(shè)計(jì)容量為3KVA的三相逆變器，要求達(dá)到：1）輸出380V，頻率50Hz三相交流電2）完成總電路設(shè)計(jì)3）完成電路中各元件的參數(shù)計(jì)算2.2 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 由于輸入直流電壓只有110V，而輸出交流電壓要求有效值為380V，所以必須通過升壓電路將直流電壓升到到一定值才能作為逆變器的輸入電壓。逆變器的核心是半導(dǎo)體開關(guān)器件，不同拓?fù)涞哪孀冸娐酚胁煌膬?yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。半導(dǎo)體開關(guān)器件需要觸發(fā)信號才能導(dǎo)通，要使逆變器輸出正弦波形，則需要特殊的觸發(fā)電路對開關(guān)器件進(jìn)行調(diào)制。逆變器輸出帶有高次諧波，需要濾波電路對諧波進(jìn)行。在進(jìn)行仿真前，需對上述電路模塊進(jìn)行比較論證和選擇。2.3各模塊方案選擇2.3.1 升壓電路選擇 1）方案1：采用變壓器直接對直流電壓進(jìn)行升壓。 2）方案2：采用boost直流斬波升壓電路通過改變占空比對直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)升壓。 考慮到實(shí)際變壓器變比不可調(diào)或者調(diào)節(jié)范圍很小，不利于逆變器輸出的調(diào)節(jié)，而boost電路通過調(diào)節(jié)開關(guān)器件的導(dǎo)通占空比可以靈活方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，從實(shí)際出發(fā)和從方便性出發(fā)，最終選擇了boost電路作為升壓電路。2.3.2 逆變電路選擇 逆變器按照輸出的相數(shù)分，有單相、三相兩種；按電路拓?fù)浞?，有半橋式、全橋式和推挽式。鑒于全橋結(jié)構(gòu)的控制方式比較靈活，所以選擇三相全橋電路作為逆變器主電路。2.3.3逆變器觸發(fā)電路選擇 目前，逆變器廣泛采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的控制。PWM技術(shù)主要體現(xiàn)在兩個方面，一是控制策略，二是實(shí)現(xiàn)的手段。調(diào)制方式主要有直流脈寬調(diào)制和正弦波脈寬調(diào)制兩種方式。直流脈寬輸出的是方波，波形畸變嚴(yán)重，所以不適合；正弦波脈寬調(diào)制輸出波形只含高次諧波，可以大大減小濾波器的體積。所以最終選擇正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM技術(shù)。2.3.4濾波電路選擇 由于設(shè)計(jì)任務(wù)對波形畸變率沒有特殊的要求，可以采用最普通的LC濾波電路作為逆變輸出的濾波電路。2.3.5總電路的控制方式 為了使輸出電壓波形穩(wěn)定且可調(diào)，采用閉環(huán)控制方式，檢查輸出電壓反饋到輸入作為比較控制。3 電路原理及設(shè)計(jì)3.1 升壓斬波電路升壓斬波電路如下圖3.1所示。假設(shè)L值、C值很大，V通時，E向L充電，充電電流恒為I1，同時C的電壓向負(fù)載供電，因C值很大，輸出電壓uo為恒值，記為Uo。設(shè)V通的時間為ton，此階段L上積蓄的能量為。V斷時，E和L共同向C充電并向負(fù)載R供電。設(shè)V斷的時間為，則此期間電感L釋放能量為，穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中L積蓄能量與釋放能量相等，即 化簡得 輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路，也稱之為boost變換器。T與的比值為升壓比，將升壓比的倒數(shù)記作，則 故升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因 ：L儲能之后具有使電壓泵升的作用，并且電容C可將輸出電壓保持住。圖3.1 升壓斬波電路原理圖3.2 主電路原理圖逆變電源采用圖3.2所示主電路。首先采用升壓斬波電路將110KV直流電壓升高到400KV，因?yàn)閷敵霾ㄐ蔚囊蟛皇呛芨?，與負(fù)載并聯(lián)的電容C取很大就可以達(dá)到濾波的目的。開關(guān)管T1T6是IGBT，構(gòu)成三相逆變橋。關(guān)斷緩沖由電阻R、電容C和二極管D并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成；C0折算到變壓器TM的原邊后與L2一起構(gòu)成交流輸出濾波電路；變壓器用作電路隔離和升壓。圖3.2三相逆變器主電路原理圖3.3 SPWM控制系統(tǒng) 圖3.3 三相SPWM控制系統(tǒng)框圖三相脈沖形成可采用上述介紹的SPWM控制方法，控制系統(tǒng)框圖如3.2所示。下面介紹SPWM生成的各電路部分。3.3.1數(shù)字分頻電路圖2-3是數(shù)字分頻電路，Y是石英晶體振蕩器，它有穩(wěn)定的震蕩頻率，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到萬分之一。該電路選用震蕩頻率1.8432MHz的晶振，它和R1、C1、C2組成頻率信號產(chǎn)生的電路，得到1.8432MHz頻率信號，再經(jīng)過數(shù)字電路CD4017、CD4040處理，輸出兩路頻率信號。CD4017是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，第7腳的Q3計(jì)數(shù)端引至第15腳的復(fù)位端可以實(shí)現(xiàn)3分頻。CD4040是串行二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，9腳Q1可以得到2分頻，2腳的Q6可以得到2的6次方既64分頻。1.8432MHz的頻率，分頻后三角波頻率為9.6kHz，標(biāo)準(zhǔn)正弦的掃描頻率為102.3kHz。圖3.4 數(shù)字分頻電路3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)正弦波形成電路 標(biāo)準(zhǔn)正弦波的長生是利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的，電路原理如圖3.5所示。在EPROM中存放的數(shù)據(jù)（十六進(jìn)制）是這樣得到的；將一個周期的單位正弦波分成N等份，每一點(diǎn)的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上事先離散計(jì)算好在存放進(jìn)去。由于寫入的數(shù)據(jù)只能是正值，單位正弦波是和圖中Uref的波形一致，幅值為1的正弦波。本例中將一個周期的正弦波分成N=2048份。 正弦掃描頻率引入數(shù)字電路CD4040，CD4040的輸出是一組地址掃描信號送到EPROM的地址線上，EPROM2732中存放的數(shù)據(jù)便依次送到D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，DAC0832將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成斷續(xù)的模擬信號，經(jīng)過一個小電容C1（0.1uf以內(nèi)）濾波，得到連續(xù)模擬信號Uref，峰峰值由IO1端引入的給定電壓Uc決定，電路中Uc來自調(diào)節(jié)器的輸出。經(jīng)運(yùn)放LF365處理，可以獲得正負(fù)對稱、幅值為Uc的標(biāo)準(zhǔn)正弦波SINE。圖3.5 標(biāo)準(zhǔn)正弦波形成電路 要產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦波的頻率f1=50Hz，那么掃描頻率應(yīng)該為：，和前面分頻電路得到的頻率一致。正弦波的頻率由穩(wěn)定度相當(dāng)高的晶振分頻得到，故正弦波的波形畸變率很低；正弦波的幅值受控于給定電壓。因此，該電路是一個高精度的正弦發(fā)生器。 上述電路具有通用性，對一個已經(jīng)寫好數(shù)據(jù)的EPROM，若改變正弦掃描頻率，可以改變標(biāo)準(zhǔn)正弦波頻率；若改變EPROM中的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)不同的PWM調(diào)制策略，如梯形波調(diào)制，注入特定次諧波；若再增加兩套電路，在3個EPROM中存放相位互差120的數(shù)據(jù)，就可實(shí)現(xiàn)三相SPWM控制。3.3.3三角波形成電路分頻電路提供了三角波頻率信號，即為9.6kHz的脈沖信號，應(yīng)用隔直、比例和積分電路即可得到幅值適當(dāng)，正負(fù)對稱的三角波，其頻率為9.6kHz。3.3.4 SPWM形成電路本裝置SPWM形成電路如圖3.6所示，正弦波信號SINE和三角載波信號TR來自前級電路；TL084是運(yùn)算放大器，一TR由它接成的反向器得到。電路中大量使用了芯片LM311，它是DIP8封裝的快速電壓比較器，不僅可以作為比較器，還可以利用他的特點(diǎn)做脈沖封鎖。下面介紹它的應(yīng)用：8腳、4腳分別接芯片電源的正、負(fù)端；2腳、3腳分別是同向、反向輸入；1腳是低電平設(shè)定（可接電源負(fù)或地），它的電壓值決定了LM311輸出的低電平值；7腳為輸出端，邏輯判斷為“高電平”時，集電極開路（OC門特性），因此，7腳必須有上拉電阻同正電源連接，否則，沒有高電平輸出，圖中的R1、R2、R3、R4等都是上拉電阻；5、6腳用來調(diào)節(jié)輸入平衡（可不用），6腳還可以用作選通，如果LM311的6腳接低電平。其輸出恒為高電平，這個特點(diǎn)往往用來設(shè)置脈沖封鎖。 該系統(tǒng)設(shè)置PWM信號低電平有效，即PWM信號為低電平時，驅(qū)動電路產(chǎn)生驅(qū)動脈沖，IGBT導(dǎo)通。Lock為保護(hù)電路輸出的脈沖封鎖信號；在電路出現(xiàn)故障時，lock的低電平送到后級各個LM311的6腳，使所有PWM為高電平封鎖驅(qū)動脈沖。如果不利用LM311封鎖驅(qū)動，也可以設(shè)置PWM高電平有效，取消后級的LM311。圖3.6 SPWM波形成電路圖3.6中R1R4，C1C4和Rp還組成了死區(qū)形成電路，參數(shù)大小決定死區(qū)時間，Rp可以調(diào)節(jié)死區(qū)大??；IGBT的開關(guān)時間為2us左右，死區(qū)時間設(shè)為4us。 該裝置采用了一種數(shù)模結(jié)合的SPWM控制電路，其框圖如圖2所示，它由數(shù)字分頻電路、三角波形成電路、調(diào)節(jié)器、標(biāo)準(zhǔn)正弦波控制電路及PWM形成電路等組成。系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)是為了穩(wěn)定電壓，電流調(diào)節(jié)是為了限制輸出電流。電源的正弦輸出畸變率小于5%，要求不是太高，逆變器的輸出功率1kW也不大。因此，系統(tǒng)僅采用電壓平均值閉環(huán)控制，穩(wěn)定輸出電壓，對輸出波形采用開環(huán)控制，即直接將幅值受控的標(biāo)準(zhǔn)正弦波和三角波比較。 在3片EPROM內(nèi)寫入3個相差120的正弦波數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，形成3個互差120的正弦波。它們同一三角載波比較，便可得到三相SPWM控制脈沖分別驅(qū)動3個橋臂。3.4 驅(qū)動電路 IGBT的驅(qū)動電路型號很多，IR21系列是國際整流器公司退出的高壓驅(qū)動器，一片IR2013課直接驅(qū)動中小容量的6支場控開關(guān)管，并且只需要一路控制電源。IR2013是28引腳雙列直插式集成電路，應(yīng)用方法如圖3.15.HIN1、HIN2、HIN3為3個高側(cè)輸入端，LIN1、LIN2、LIN3為3路低側(cè)輸入端，HO1、VS1、HO2、VS2、HO3、VS3為3路高側(cè)輸出端，LO1、LO2、LO3為3路低側(cè)輸出端，Vss為電源地，VSD為驅(qū)動地，VB1、VB2、VB3為3路高側(cè)電源端，F(xiàn)ALUT為故障輸出端，ITRIP為電流比較器輸入端，CAO為電流放大器輸出端，CA為電流放大器反向輸入端。圖3.7 IR2130結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路采用IR2130作為驅(qū)動電路時，外圍元件少，性價比明顯提高。它的高壓側(cè)的3路驅(qū)動電源有Ucc采用自舉電路得到。3支快速二極管的陰極電位是浮動的，因此，它的反向耐壓值必須大于主電路的母線電壓 峰值。IR2130最大正向驅(qū)動電流 250mA，反向峰值驅(qū)動電流 500mA；內(nèi)部設(shè)有過流、過呀、欠壓、邏輯識別保護(hù)；它的浮動電壓做大不超過400V。3.5 控制器設(shè)計(jì) 當(dāng)采用瞬時值內(nèi)環(huán)反饋雙環(huán)控制時，內(nèi)環(huán)為瞬時值環(huán)，用來控制輸出電壓波形的正弦波，外環(huán)采用平均值控制，以保證電壓的平均值與參考值一致。如果波形正弦度好，平均值和有效值一一對應(yīng)關(guān)系。平均值外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器輸出控制正弦波幅值，幅值乘以單位正弦波后的信號為內(nèi)環(huán)給定，與輸出電壓瞬時值比較經(jīng)內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出正弦波調(diào)制信號，與三角載波比較后產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)過驅(qū)動電路控制逆變器的開關(guān)器件。圖3.8瞬時值內(nèi)環(huán)反饋雙環(huán)控制3.6輔助電源在橋式逆變電路中，一個橋臂上下兩管驅(qū)動電路的電源應(yīng)各自獨(dú)立，兩個橋臂上的管無共地點(diǎn)下管可以共地。因此，驅(qū)動6管時，至少要有3路獨(dú)立電源。采用單端反激式開關(guān)電源作為輔助電源提供3組20V電源和12V電源。3組20V電源分別作為6個IGBT的驅(qū)動模塊電源，12V電源給控制系統(tǒng)的芯片供電。只要有直流輸入，輔助電源就供電，控制系統(tǒng)就具備控制和保護(hù)能力。3.7總電路由此得到電路圖如3.9。圖3.9 總電路圖4 系統(tǒng)元件有關(guān)參數(shù)的計(jì)算在電路中輸入為110KV DC ，輸出為380V AC 50 Hz，輸出功率為，功率因數(shù)設(shè)為。調(diào)節(jié)升壓電路的占空比使輸出為400V，調(diào)制比為1，求得逆變器輸出的基波電壓有效值為。初步計(jì)算變壓器的變壓比為。則電路各元件選取如下：4.1 開關(guān)管和二極管的選擇(1) 開關(guān)管的選擇最大輸出情況下，電流有效值為 開關(guān)管額定電流 開關(guān)管額定電壓(2) 二極管的選擇 額定電壓 最大允許的均方根正向電流 二極管的額定電流為 4.2 L、C 濾波器的設(shè)計(jì)輸出濾波器的作用是減小輸出電壓中的諧波，并保證基波電壓輸出。因?yàn)V波電容和負(fù)載并聯(lián)，它可以補(bǔ)償感性電流，但是，濾波電容過大，反而會增加變壓器的負(fù)擔(dān)。因此，在設(shè)計(jì)濾波電路的時候，首先確定濾波電容的值。設(shè)計(jì)基本原則就是在額定負(fù)載時，使容性電流補(bǔ)償一半的感性電流。取C=25，選擇500Hz、500V的交流電容。開關(guān)管的工作頻率取7.2kHz逆變橋輸出電壓除基波外，還含有高次諧波，最低次諧波為次，而，得到 考慮到死區(qū)的影響，一般選取輸出濾波器的諧振頻率為最低諧振頻率的1/51/10。取諧振頻率為2kHz,算出 折算到原邊，4.3 輸出變壓器選擇 電源的輸出功率為3KVA，頻率。根據(jù)變壓器選擇手冊可選擇SD40*80*220mm的50Hz鐵芯，查得變壓器視在功率為3529VA 。本設(shè)計(jì)采用SD型鐵芯，用冷軋取向硅鋼薄板 DQ151-35材料，占空系數(shù)。求得磁芯截面積，若選取最大磁密. 1)副邊繞組 逆變橋輸出的SPWM波經(jīng)過電感濾波后還是有一定的高頻分量，一般取。根據(jù)變壓器電壓關(guān)系式可求得。取230匝。2） 原邊繞組逆變器輸出的基波電壓理想值為282.84V。兩只開關(guān)管的壓降為4V左右，開關(guān)頻率，死區(qū)設(shè)為，則死區(qū)引起的最大電壓損失為基波電流在濾波電感上的壓降為 漏感的阻抗壓降一般為3%5%的基波電壓，按12V估算，則變壓器的原邊電壓變壓器變比為，取300匝。小結(jié) 很難想象最終還是把這個拓展訓(xùn)練做下來了，因?yàn)橹虚g過程是多么曲折。當(dāng)我剛拿到設(shè)計(jì)任務(wù)的時候，乍一眼看我還覺得題目比較簡單，就是一個DC-AC轉(zhuǎn)換電路，然后我腦海中立馬浮現(xiàn)出課本上學(xué)的逆變電路圖，簡單的六只開關(guān)管接成橋式電路然后接負(fù)載。后來當(dāng)我真正開始付之行動時才發(fā)現(xiàn)實(shí)際做起來要比理論分析難很多。 做任何事都要先有計(jì)劃。首先，我解決的第一個問題是方案問題，根據(jù)輸入輸出電壓的差別，我決定先用一個升壓電路將直流電壓進(jìn)行升壓處理后才輸入到逆變器，而逆變器主電路則采用我們學(xué)的最多的三相橋式電路。然后，我對各種模塊電路進(jìn)行了理論復(fù)習(xí)，記下每個電路需要哪些器件，以及各自的作用，在紙上畫出了大概的模型圖，以便設(shè)計(jì)時參考。 感覺這次拓展訓(xùn)練最難的地方是選擇元件和計(jì)算參數(shù)，每個元件都有它的額定工作條件或范圍，適當(dāng)選擇和使用才可以發(fā)揮出該原件最大的效益和作用，否則可能是電路工作不可靠或損壞元件。在計(jì)算變壓器的型號、尺寸、鐵芯材料、變比匝數(shù)時，花了很大氣力。因?yàn)橹皬膩頉]學(xué)過這么細(xì)，很多內(nèi)容相對比較陌生，只能對著書上的例子，再仔細(xì)瀏覽設(shè)計(jì)手冊，一步一步的計(jì)算與選擇。 此次三相pwm逆變器的設(shè)計(jì)中也存在一定的問題，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足之處，自己知識的很多漏洞，看到了自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還是比較缺乏，理論聯(lián)系實(shí)際的能力還需要提高。專業(yè)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識、發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題鍛煉實(shí)際能力