單相逆變系統(tǒng)設(shè)計與理論計算

1、單相逆變電源的系統(tǒng)設(shè)計與計算111單相正弦逆變電源組成單相逆變電源系統(tǒng)方框圖如圖111所示?？刂坪诵牟捎肁TMEGA128高性能單片機(jī)。由LMRSC液晶顯示器、8279鍵盤構(gòu)成人機(jī)界面。單片機(jī)同時發(fā)出50Hz的SPWM波和30KHz的方波。 圖單相逆變電源系統(tǒng)設(shè)計方框圖121交流電源整流濾波電路設(shè)計220V/50Hzd的市電，經(jīng)過一個調(diào)壓器，經(jīng)整流得邁動直流電。經(jīng)一大電容10000uF/100V電容濾波得一直流電，其電路圖如圖所示。在電路圖中F1為5A保險絲。并且在主電路中串聯(lián)電流霍爾（U1）。對母線電流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。當(dāng)其峰值達(dá)到4A時進(jìn)行保護(hù)，由保護(hù)電路產(chǎn)生保護(hù)信號，封鎖驅(qū)動信號。達(dá)到對四個

2、開關(guān)管保護(hù)的目的。圖121交流整流濾波電路圖131電壓電流雙閉環(huán)反饋電路設(shè)計。高品質(zhì)的輸出波形有兩個方面的要求：穩(wěn)態(tài)精度高和動態(tài)響應(yīng)快。傳統(tǒng)的以電壓控制理論為基礎(chǔ)的控制方式很難獲得系統(tǒng)的穩(wěn)定邊界，所以在外界擾動時很難得到理想的動態(tài)響應(yīng)。為了解決上述問題。我們在這里用了一種雙環(huán)控制策略。分別引入了電壓、流反饋。電壓反饋為輸出電壓反饋,即負(fù)載上的電壓（也是濾波電容兩端的電壓）為電壓反饋的輸入量。電流反饋為濾波電容電流為電流反饋的輸入量。電容電流為輸出電壓的微分，所以電容電流反饋內(nèi)環(huán)具有對擾動的動態(tài)補(bǔ)償能力，包括參考輸入和負(fù)載的突變。只要電容電流內(nèi)環(huán)的相應(yīng)速度足夠快，擾動對輸出電壓的影響就可以通過內(nèi)

3、環(huán)得到較好得抑制。但通過理論分析，仿真和試驗(yàn)表明，電容電流內(nèi)環(huán)對擾動得抑制能力十分有限，對擾動的抑制作用主要是通過電壓外環(huán)來完成的，電容電流內(nèi)環(huán)起著系統(tǒng)的校正作用。在圖131框圖中，電壓環(huán)作為逆饋瞬時控制外環(huán)，電流環(huán)作為逆饋瞬時控制內(nèi)環(huán)。逆變器輸出電壓經(jīng)過比例環(huán)節(jié)與參考電壓比較，誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后作為電流控制內(nèi)環(huán)的一部分基準(zhǔn)，這個基準(zhǔn)與來自比例環(huán)節(jié)的電容電流比較后，再經(jīng)過比例調(diào)節(jié)和放大環(huán)節(jié)就得到了逆變器開關(guān)管的輸出電壓。圖131逆變電源反饋框圖132反饋元件的選用在這里反饋元件都用的是霍爾元件，霍爾元件是應(yīng)用霍爾效應(yīng)閉環(huán)原理的電壓，電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則

4、波形的電流。相當(dāng)于用電阻采樣的方法，用霍爾元件有如下優(yōu)點(diǎn)：出色的精度，良好的線性度，印制板安裝，抗干擾能力強(qiáng)，電流過載能力強(qiáng)。圖132為用在本電源上的電流霍爾。圖132 電流霍爾133反饋電路的設(shè)計 反饋電路如圖133所示，電壓電流的反饋系統(tǒng)的給定量都是從運(yùn)放的同相端輸出，反饋量都是從反相輸入端輸入。設(shè)給定正弦為，電壓反饋為，TL082第一腳的電壓為，同相端（3腳的電壓）為，反相端（2腳的電壓）為。解之得 電流部分與之類似，所以在這不在重復(fù)。圖133反饋電路141 SPWM產(chǎn)生電路設(shè)計。 具體方法以一個正弦波為基準(zhǔn)波(稱為調(diào)制波)，用一列等幅的三角波（稱為載波）與基準(zhǔn)正弦波相交，由它們的交點(diǎn)確

5、定逆變器的開關(guān)模式。逆變器得到的輸出電壓波形的特點(diǎn)是：在半個周期范圍內(nèi)，總是中間的脈沖寬。兩邊的脈沖窄，各脈沖面積與該區(qū)間正弦波下的面積成比例。用這種波控制開關(guān)管，使得輸出電壓脈沖寬度成正弦變化。在這里，我們用到了電壓比較器:LM311，它的典型響應(yīng)時間有80ns。滿足30KHz的載波需求。圖141為其SPWM產(chǎn)生電路圖141為其SPWM產(chǎn)生電路圖142SPWM調(diào)制示意圖參考正弦波和三角波比較得到得脈沖去控制各功率開關(guān)器件。由于開關(guān)狀態(tài)是不連續(xù)的，分析時我們采用狀態(tài)空間平均法。狀態(tài)空間平均法時機(jī)基于輸出頻率遠(yuǎn)小于開關(guān)頻率的情況下，在一個開關(guān)周期內(nèi)，用變量的平均值代替其瞬時值，從而得到連續(xù)狀態(tài)空

6、間的平均模型。如圖141所示，在一個三角波周期內(nèi)，基波的幅值近似為正弦波的瞬時值。設(shè)D為占空比。由兩個三角型相似可得。式中，為參考正弦信號波。為三角載波的幅值。從比較器輸出到開關(guān)管輸入，由于除了波形幅值的變化，沒有其它的變化，中間狀態(tài)可以看成比例環(huán)節(jié)。當(dāng)雙極性SPWM調(diào)制時，單相橋式逆變器的輸入可以表示為式中，S為開關(guān)函數(shù)，為直流母線電壓。當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時，S1；當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時，S0。圖143單相全橋逆變電路為了分析方便，我們把這里我們把SD代入上式可得：繼續(xù)把代入可得：從調(diào)制器輸入到逆變器輸出的傳遞函數(shù)為：151逆變器輸出濾波器的設(shè)計由于本逆變器采用脈寬調(diào)制(SPWM)方式, 由于SP

7、WM波本身的特性決定著開關(guān)器件的輸出電壓含有較多的諧波分量。在此，濾波器采用典型的LC濾波器。逆變器的輸出LC濾波器主要用來濾出開關(guān)頻率附近頻帶的諧波。因此，LC濾波器設(shè)計的好壞直接影響到輸出波形的好壞。在單相電壓SPWM逆變主電路拓?fù)?，如圖151所示。考慮到題目的要求不是很高（電壓、電流、頻率不是很高），為了簡化分析，采取如下方式簡化電路：1、直流電壓為理想電壓源; 2、逆變器的開關(guān)為理想開關(guān); 3、忽略電感與電容的寄生參數(shù); 4、負(fù)載為線性負(fù)載。圖151逆變主電路拓?fù)溆捎谀孀兤饕愿哳lPWM方式工作,輸出濾波器的作用是濾掉高次諧波分量,使輸出電壓接近正弦波,同時也要考慮逆變器系統(tǒng)的功率密度等

8、因素因此,濾波器設(shè)計目標(biāo)包括: 1、輸出電壓的諧波含量小; 2、濾波參數(shù)和體積小; 3、濾波器的阻頻特性好;4、濾波系統(tǒng)消耗的功率小。根據(jù)以上原則,即可對濾波器的特性進(jìn)行分析。LC濾波器傳遞函數(shù)為：式中，為無阻尼自然振蕩角頻率，；為阻尼比，s為拉普拉斯算子。152濾波器截至頻率的確定對于單相PWM逆變器輸出電壓的頻譜分析,各次諧波形成以n = jk ( j = 1, 2, 3) 為中心幅值遞減的上、下邊頻諧波帶, 其中k為調(diào)制比(載波頻率與基波頻率之比) , 帶中各次諧波可以表示為n = jk b,其中j + b 偶數(shù),逆變器輸出電壓頻譜圖,如圖152所示。圖152逆變器輸出電壓頻譜由圖152

9、逆變器輸出電壓頻譜可以看出, SPWM逆變器輸出電壓的最低諧波群為: n = k b, 由于邊頻帶諧波幅值是衰減的,足以產(chǎn)生影響的b值不會很高,故低諧波群的位置取決于k值,即k值越高,最低的一個下邊帶離基波就越遠(yuǎn)。為了使濾波器輸出電壓接近正弦波同時又不會引起諧振問題, LC濾波器的截止頻率必須要遠(yuǎn)小于SPWM電壓中所含有的最低次諧波頻率, 同時又要遠(yuǎn)大于基波頻率。LC截止頻率fL 選為:10 為基波頻率；為最低次諧波頻率。在這里我們選用10uF的無感電容、5mH的納米晶電感。計算可得其為712.12Hz、4472.1rad/s。利用MATLAB畫出了其波特圖，如圖152所示。其的值分別取0.1

10、、0.2、0.3、0.5、0.7、1。低頻段漸近線是一條零分貝的水平線，而高頻段漸近線是一條斜率為40dB的直線。這兩條線相交處的交接頻率為。在交越頻率附近，幅頻特性與漸近線之間存在一定的誤差，其值取決于阻尼比的值，阻尼比越小，則誤差越大。當(dāng)小于0.707時，在對數(shù)幅頻特性上出現(xiàn)峰值。從波特圖中可以看出：頻率大約在Hz時其幅頻特性就為斜率為40dB的直線。圖153逆變器輸出濾波器的波特圖153濾波器電感電流的確定圖154為穩(wěn)態(tài)工作條件下典型的電感電流波形。圖154電感電流典型波形圖154為濾波器兩端電壓示意圖。當(dāng)參考給定瞬時值為時，根據(jù)前面已推導(dǎo)的公式可得輸出脈寬為式中，為開關(guān)周期，。在穩(wěn)定后的理想系統(tǒng)中，輸出電壓可表示為圖154為濾波器兩端電壓示意圖在時間內(nèi)流過濾波器電感的脈動電流為：從上式可以看出，當(dāng)0時，電流脈動最大。最大電流脈動可以用下式算得式中，為直流母線電壓，L為電感值，為開關(guān)頻