單相正弦波逆變電源設計

1、湖南工程學院課程設計任務書課程名稱： 電力電子技術題 目：單相正弦波逆變電源的設計 專業(yè)班級： 自動化 學生姓名： 學號： 指導老師： 劉星平 審 批： 任務書下達日期 2021年 12 月 19 日設計完成日期 2021年12月 30 日 設計內(nèi)容與設計要求一 設計內(nèi)容：1 電路功能：1） 有固定直流電源，通過功率變換高頻逆變得到2050KHz的高頻交流，再經(jīng)高頻整流與濾波，得到所需的直流；2） 電路由主電路與控制電路組成，主電路主要環(huán)節(jié)：工頻整流濾波、功率變換高頻逆變、高頻整流濾波。控制電路主要環(huán)節(jié)：脈沖發(fā)生電路、脈寬調(diào)制PWM、電壓電流檢測單元、驅(qū)動電路。3） 功率變換電路中的高頻開關器

2、件采用IGBT或MOSFET。4） 系統(tǒng)具有完善的保護2. 系統(tǒng)總體方案確定3. 主電路設計與分析1確定主電路方案2主電路元器件的計算及選型3主電路保護環(huán)節(jié)設計4. 控制電路設計與分析1） 檢測電路設計2） 功能單元電路設計3） 觸發(fā)電路設計4） 控制電路參數(shù)確定二 設計要求：1 脈寬調(diào)制信號由專用集成芯片SG3525產(chǎn)生。2 設計思路清晰，給出整體設計框圖；3 單元電路設計，給出具體設計思路和電路；4 分析所有單元電路與總電路的工作原理，并給出必要的波形分析。5 繪制總電路圖6 寫出設計報告； 主要設計條件1 設計依據(jù)主要參數(shù)1） 輸入電壓：單相DC15V1+15%，單相輸出：AC 0150

3、V。2） 輸出電流：5A3） 電壓調(diào)整率：1%4） 負載調(diào)整率：1%5） 效率：0.86功率因數(shù)：0.8 2. 可提供實驗與仿真條件 說明書格式1 課程設計封面；2 任務書；3 說明書目錄；4 設計總體思路，根本原理和框圖總電路圖；5 單元電路設計各單元電路圖；6 故障分析與電路改良、實驗及仿真等。7 總結(jié)與體會；8 附錄完整的總電路圖；9 參考文獻；11、課程設計成績評分表 進 度 安 排 第一周星期一:課題內(nèi)容介紹和查找資料； 星期二:總體電路方案確定 星期三:主電路設計星期四:控制電路設計 星期五:控制電路設計；第二周星期一: 控制電路設計星期二：電路原理及波形分析、實驗調(diào)試及仿真等星期

4、四五:寫設計報告，打印相關圖紙； 星期五下午:辯論及資料整理 參 考 文 獻1石玉，栗書賢電力電子技術題例與電路設計指導機械工業(yè)出版社，1998. 2王兆安，黃俊電力電子技術第4版機械工業(yè)出版社，2000.3浣喜明，姚為正電力電子技術高等教育出版社，2000.4莫正康電力電子技術應用第3版機械工業(yè)出版社，2000.5鄭瓊林，耿學文電力電子電路精選機械工業(yè)出版社，1996.6劉定建，朱丹霞實用晶閘管電路大全機械工業(yè)出版社，1996.7劉祖潤，胡俊達畢業(yè)設計指導機械工業(yè)出版社，1995.8劉星平電力電子技術實驗指導書校內(nèi)，2007.目 錄第1章 概述51.1逆變電源的開展背景51.2設計思想5第2

5、 章 設計設計總體思路62.1總體框架圖 62.2 設計的原理和思路72.3SPWM控制原理7第3 章 硬件電路的設計93.1SG3525介紹93.2 文氏電橋振蕩電路113.3移位電路分析133.4 逆變電路的工作原理分析13第4章 系統(tǒng)的檢測與分析154.1正弦發(fā)生器局部的調(diào)試154.2逆變局部及整體運行結(jié)果15第5章心得體會17附錄總電路圖18 第1章概述1.1逆變電源的開展背景 逆變電源是一種采用電力電子技術進行電能變幻的裝置，它從交流或直流輸入獲得穩(wěn)壓恒頻的交流輸出。逆變電源技術是一門綜合性的專業(yè)技術，它橫跨電力、電子、微處理器及自動控制等多學科領域，是目前電力電子產(chǎn)業(yè)和科研的熱點之

6、一。逆變電源廣泛應用于航空、航海、電力、鐵路交通、郵電通信等諸多領域。 逆變電源的開展是和電力電子器件的開展聯(lián)系在一起的，器件的開展帶動著逆變電源的開展。逆變電源出現(xiàn)于電力電子技術飛速開展的20世界60年代，到目前為止，它經(jīng)歷了三個開展階段。 第一代逆變電源是采用晶閘管SCR作為逆變器的開關器件稱為可控硅逆變電源?？煽毓枘孀冸娫吹某霈F(xiàn)雖然可以取代旋轉(zhuǎn)型變流機組，但由于SCR是一種沒有自關斷能力的器件，因此必須增加換流電路來強迫關斷SCR，但換流電路復雜。噪聲大、體積大、效率低等原因卻限制了逆變電源的進一步開展。 第二代逆變電源是采用自關斷器件作為逆變器的開關器件。自20世紀70年代后期，各種自

7、關斷器件想運而生，它們包括可關斷晶閘管GTO、電力晶閘管GTR、功率場效應管MOSFET、絕緣柵雙極性晶體管IGBT等。自關斷器件在逆變器中的應用大大提高了逆變電源的性能 第三代逆變電源實時反應控制技術，使逆變電源性能得到提高。實時反應控制技術是針對第二代逆變電源非線性負載適應性不強及動態(tài)特性不好的的缺點提出來的，它是最近十年開展起來的的新型電源控制技術，目前仍在不斷完善和開展之中，實時反應控制技術的采用使逆變電源的性能有了質(zhì)的飛躍1.2設計思想本設計所需單相正弦波SPWM逆變電源的設計采用了運算放大器、二極管、功率場效應管、電容和電阻等器件來組成電路。 逆變電源是一種采用電力電子技術進行電能

8、變換的裝置，它從交流或直流輸入獲得穩(wěn)壓恒頻的交流輸出。通過對電路的分析，參數(shù)確實定選擇出一種最適合的方案。輸出頻率由電壓控制，波形幅值由電阻確定。本設計以SG3525驅(qū)動芯片為核心，完成了單相正弦波SPWM逆變電源的參數(shù)設計，并利用所得結(jié)果，完成了實際電路的連接，通過調(diào)試與分析，驗證了設計的正確性。 第2章設計總體思路50Hz的正弦波2.1總體框架圖濾波電路逆變電路輸入15V直流電倒相器鋸齒波發(fā)生器SG3525正弦波發(fā)生器 圖1 總體框圖此次課程設計要求輸入15V直流，輸出0150V交流，主電路采用單相橋式逆變電路，對高頻開關器件常用PWM波控制，要產(chǎn)生正弦波可采用SPWM控制方法，通過控制電

9、力電子器件MOSFET的關斷來控制產(chǎn)生交變正弦波電壓?？刂齐娐分饕獙崿F(xiàn)產(chǎn)生SPWM波，設計要求選用SG3525電流控制型PWM控制器產(chǎn)生控制脈沖。而SG3525實質(zhì)上是通過輸入的兩路波進行比擬，輸出比擬后形成的脈沖波，鑒于SG3525的這一特征，可以通過輸入正弦漫頭波和鋸齒波進行比擬得到所需的正弦波控制脈沖。正弦波產(chǎn)生器的設計有多種方法，本次課程設計采用555定時器多諧振電路產(chǎn)生方波經(jīng)過濾波產(chǎn)生正弦波的方法作為正弦波產(chǎn)生器，再經(jīng)過整流，使之成為正弦漫頭波。鋸齒波的產(chǎn)生電路比擬簡單，可以直接利用SG3525內(nèi)部提供的諧振器參加外圍電阻電容產(chǎn)生。此外電路要求輸出的正弦波幅度可調(diào)，此時就需要使參加的

10、正弦波漫頭波幅值可調(diào)，此可以通過一加法器使之與設置電壓相疊加產(chǎn)生電壓可變的正弦電壓。主電路和控制電路的一些中間環(huán)節(jié)都是需要濾波的，由于產(chǎn)用SPWM控制，主電路的諧波成分較少，可以通過簡單的RC無源濾波?？刂齐娐分械姆讲ㄒ兂奢^為標準的正弦波，要濾去的諧波成分就要多得多，可以采用有源濾波，且可以通過積分環(huán)節(jié)使方波變成比擬好的正弦波。由于設計出來的電路是作為電源用的，對電源電流、電壓檢測就顯得非常有必要了，可以通過從電源負載取出電流信號作為UC3842的關斷信號，從而實現(xiàn)主電路的限流作用。要實現(xiàn)電流、電壓的穩(wěn)定，那么可以通過取出的電流、電壓信號與控制電路構(gòu)成閉環(huán)控制來實現(xiàn)。為了不至使電路結(jié)構(gòu)過于復

11、雜，只設計了簡單的電壓反應環(huán)使電壓根本能跟隨給定維持恒定。2.2設計的原理和思路電路采用他勵式,2管雙推動輸出脈寬調(diào)制方式輸出電壓為220V,輸出電流2A,有欠壓、過壓和過流等多重保護功能。該正弦波逆變電源控制級的核心部件是PWM脈寬調(diào)制電路SG3525。2.3SPWM控制原理 逆變電路理想的輸出電壓是圖2-1a正弦波u0=Uo1sint。而電壓型逆變電路的輸出電壓是方波，如果將一個正弦波半波電壓分成N等分，并把正弦曲線每一等分所包圍的面積都用一個與其面積相等的等副矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點與相應正弦等分的中重合，得到如圖2-1b所示的脈沖列這就是PWM波形。正弦波的另外一個半波可以用相

12、同的方法來等效?？梢钥闯觯揚WM波形的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，稱為SPWMSinusoidal Pulse Width Modulation波形。 圖2-1 SPWM電壓等效正弦電壓 根據(jù)采樣控制理論，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，其效果根本相同。脈沖頻率越高，SPWM波形越接近正弦波。逆變器的輸出電壓為SPWM波形時，其低次諧波將得到很好的抑制和消除，高次諧波又能很容易濾去，從而可獲得畸變率極低的正弦波輸出電壓。 SPWM控制方式就是對逆變電路開關器件的通、斷進行控制，使輸出端得帶一系列幅值相等而狂度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或者其他所需要的波形。 從理論上講

13、，在SPWM控制方式中給出了正弦波頻率、幅值和半周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，脈沖波形的寬度和間隔便可以準確計算出來，然后計算的結(jié)果控制電路忠各開關器件的通、斷，就可以得到所需要的波形，這種方法稱為計算法。計算法很繁瑣，其輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化，實際中很少應用。 在大多數(shù)情況下，人們采用正弦波與等腰三角波橡膠的方法來確定各矩形脈沖的寬度。等腰三角波上下寬度與高度呈線性關系且左右對稱，當它與任何一個光滑曲線相交時，即得到一組等副而脈沖寬度正比于該曲線換數(shù)值的矩形脈沖，這種方法稱為調(diào)制法。希望輸出的信號為調(diào)制信號，接受調(diào)制的三角波稱為載波。當調(diào)制信號是正弦波時所得到的便是SPWM波形

14、；當調(diào)制信號是正弦波時，等效也能得到與調(diào)制信號的SPWM根據(jù)前面的法分析，SPWM逆變電路的優(yōu)點可以對那如下： 1.以得到接近正弦波輸出電壓，滿足負載需要。 2.整流電路采用二級管整流，可獲得較高的功率因數(shù)。 3.只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)簡單。4.過對輸出脈沖寬度控制就可改變輸出電壓的大小，大大加快了逆變器的動態(tài)響應速。第3章 硬件電路的設計3.1SG3525介紹 隨著電能技術的開展，功率MOSFET在開關變換器中開始廣泛使用，為此美國硅通用半導體公司推出SG3525。SG3525是用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET，其產(chǎn)品一推出就受到廣泛好評。SG3525系列PWM控制器分軍品、工業(yè)品、

15、民品三個等級方面。下面對SG3525特點、引腳功能、電器參數(shù)、工作原理以及典型應用進行介紹。3.1.1PWM控制芯片SG3525功能簡介 SG3525是電流控制性型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照反應電流表調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比擬器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差信號放大器輸出信號進行比擬，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)。因此，無論開關電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應特性都有提高，是目前比擬理想的新型控制器。3.1.2SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作特性 圖3-1 SG3525引腳圖圖3-2 SG3525結(jié)構(gòu)方框圖

16、 1.相輸入端(引腳1):誤差放大器的反相輸入端，該誤差放大器的增益標稱值為80dB，其大小由反應或輸出負載而定，輸出負載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容元件的組合。該誤差放大器的共模輸入電壓范圍為1.55.2V。此端通常接到與電源輸出電壓相連接的電阻分壓器上。負反應控制時，將電源輸出電壓分壓后與基準電壓相比擬。 2.相輸入端(引腳2):此端通常接到基準電壓引腳16的分壓電阻上，取得2.5V的基準比擬電壓與引腳1的取樣電壓相比擬。 3.步端(引腳3):為外同步用。需要多個芯片同步工作時，每個芯片有各自的振蕩頻率，可以分別與它們的引腳4相副腳3相連，這時所有芯片的工作頻率以最快的芯片工作頻

17、率同步;也可以使單個芯片以外部時鐘頻率工作。 4.步輸出端(引腳4):同步脈沖輸出。作為多個芯片同步工作時使用。5.振蕩電容端(引腳5):振蕩電容一端接至引腳5，另一端直接接至地端。6.振蕩電阻端(引腳6):振蕩電阻一端接至引腳6，另一端直接接至地端。 7.放電端(引腳7):Ct的放電由5、7兩端的死區(qū)電阻決定。8.軟起動(引腳8):比擬器的反相端，即軟起動器控制端(引腳8)，引腳8可外接軟起動電容。 9.補償端(引腳9):在誤差放大器輸出端引腳9與誤差放大器反相輸入端引腳1間接電阻與電容，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，補償系統(tǒng)的幅頻、相頻響應特性。 10.鎖端(引腳10):引腳10為PWM鎖存器的一個輸入

18、端，一般在該端接入過流檢測信號。 11.沖輸出端(引腳11、引腳14):輸出末級采用推挽輸出電路，驅(qū)動場效應功率管時關斷速度更快。 12.地端(引腳12):該芯片上的所有電壓都是相對于引腳12而言，既是功率地也是信號地。13.挽輸出電路電壓輸入端嶼1腳13):作為推挽輸出級的電壓源，提高輸出級輸出功率。14.片電源端(引腳15):直流電源從引腳15引人分為兩路:一路作為內(nèi)部邏輯和模擬電路的工作電壓;另一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生5.1V土1的內(nèi)部基準電壓。 15.準電壓端(引腳16):基準電壓端引腳16的電壓由內(nèi)部控制在5.1V土1?？梢苑謮汉笞鳛檎`差放大器的參考電壓 3)SG3525

19、脈寬調(diào)制器的特點 1.工作電壓范圍寬:835V。 2.5.1V士1%微調(diào)基準電源。 3.振湯器上作頻率泡圍覓:l00400kHz。 4.具有振蕩器外部同步功能。 5.死區(qū)時間可調(diào)。 6.內(nèi)置軟起動電路。 7.具有輸入欠電壓鎖定功能。 8.具有PWM鎖存功能，禁止多脈沖。 9.逐個脈沖關斷。 10.雙路輸出(灌電流啦電流):500mA(峰值)。3.2 文氏電橋振蕩電路硬件電路由三局部組成如圖3-3圖3-3 硬件電路組成圖正弦波發(fā)生器由兩局部組成。前半局部為RC串并聯(lián)型正弦波振蕩器，后半局部為移位電路，最終將正弦波信號加在SG3525的輸入管腳。圖3-4為設計所選正弦信號發(fā)生裝置的電路圖圖3-4

20、正弦波信號發(fā)生器如圖3-4所示，電阻R6左邊是由Ua741和文氏電橋反應網(wǎng)絡組成的正弦波震蕩電路。R4、C1與R5、C2組成文氏電橋的兩臂，由他們組成正反應的選頻網(wǎng)絡；文氏電橋的另外兩臂由R1及R2、R3、RP1組成，是Ua741的負反應網(wǎng)絡，它們與集成運放一起組成振蕩電路的放大環(huán)節(jié)。整個震蕩條件主要由這兩個反應網(wǎng)絡的參數(shù)決定。振蕩電路為RC串并聯(lián)的選頻網(wǎng)絡，其振蕩頻率可由f=1/2*pi*RC計算。為使文氏電橋振蕩電路滿足起振條件，必須要求A3即R12R2，即是在本電路忠的R2+R3+RP22R1。因此，在運放的線性區(qū)間內(nèi)電路不可能滿足恒幅度平衡條件，只有當運放進入非線性區(qū)后，電路才能滿足幅

21、度平衡條件，因而輸出電壓信號將會產(chǎn)生非線性失真。為了減小非線性失真，應使電路的放大倍數(shù)A盡可能接近3.但是這樣將使振蕩電路起振調(diào)錢的裕度很小，當電路工作條件稍有變化時就有可能不起振。如果放大電路的負反應網(wǎng)絡采用非線性元件，它能夠在輸出信號較小時確保A足夠大使電路容易起振；并且隨著輸出信號逐漸增大A能逐漸變小，也能夠在運放進入非線性以前使電路滿足幅度平衡條件，這樣就可以獲得即穩(wěn)定而又不失真的正弦波輸出信號。本電路中參加了兩個二極管進行穩(wěn)幅，它是利用二極管的非線性自動調(diào)節(jié)負反應的強弱來維持輸出電壓的恒定。如果起振A3，那么振幅將逐漸增大，在振蕩過程中VD1、VD2將交替導通和截止，總有一個處于正向

22、導通狀態(tài)的二極管與電阻并聯(lián)，由于二級管正向電阻隨電壓增加而下降，因此負反應隨振幅上升而增強，也就是說A隨振幅增大而下降，直至滿足振幅平衡條件為止，并維持一定得振幅輸出。因此調(diào)節(jié)RP1可以改變振蕩的幅值以獲得最小失真?？偟膩碚f，使用二極管做穩(wěn)幅電路簡單又經(jīng)濟，雖然波形失真可能較大，但適用于這種要求不高的場合。文氏電橋正弦波振蕩電路可以很方便的改變振蕩頻率，頻率的調(diào)節(jié)范圍也很廣，目前許多的振蕩電路都采用這種形式的電路。另外，RC正弦波振蕩電路的振蕩頻率與RC的乘積成反比，如果希望參加它的振蕩頻率，勢必減小R和C的取值。然而減小R將使放大電路的負載加重，減小C也不能超過一定限度，否那么振蕩頻率將受寄

23、生電容的影響而不穩(wěn)定。此外，普通集成運放的帶寬較窄，也限定了振蕩頻率的提高。因此，有集成運放組成的RC正弦波振蕩電路的振蕩頻率一般不超過1MHz,本電路輸出正弦波頻率為50Hz，在要求范圍之內(nèi)，所以選取RC正弦波振蕩電路是可行的。3.3移位電路分析 SG3525芯片振蕩產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波的頂點約為3.3V，谷點約為0.9V。正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波需與SG3525產(chǎn)生的鋸齒波進行比擬，所以要將正弦波位移至相應位置。圖3-4中，包括R6以內(nèi)右邊的電路為位移電路，電阻R6與變阻器RP3先使前半局部輸出的正弦信號的幅值降低，調(diào)節(jié)RP3使其變化至需要的幅值范圍內(nèi)然后輸出。電阻R7、R8和變阻RP2的

24、作用是使正弦信號位移，調(diào)節(jié)RP2使正弦波位移至電路所需位置。其后是一個帶負反應的運算放大器電路。而且上面有個電容，表示對某頻率段有較大的負反應作用。運算放大器同相輸入端電位為零，根據(jù)電路虛短的原理其反相輸入端的電位也為零，所以當輸入電壓小于零的時候運放才有輸出波形。3.4 逆變電路的工作原理分析 逆變電路的主要功能是將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供應負載。本論文所選的逆變電路如圖3-5所示，U=15為直流輸入電壓，當開關使VT1導通，VT2截止時，逆變器輸出電壓U0=U；當開關使VT2導通，VT1截止時，逆變器輸出電壓U0=-U。當以頻率fs交替切換VT1和VT2時，那么在輸出上獲得

25、如圖3-6所示的交變電壓波形，其周期Ts=1/fs，這樣，就將直流電壓U變成的交流電壓U0。U0含有各次諧波，論文是想得到正弦波電壓，那么可通過LC濾波器濾波獲得。圖3-5 SPWM逆變電路圖3-6交變電壓波形 4 系統(tǒng)的檢測與分析4.1正弦發(fā)生器局部的調(diào)試 測試結(jié)果如下：表4-1為文氏振蕩電路電位器RP1和輸出電壓U的關系。表4-1輸出電壓和電位器RP1的關系運行過程中振蕩產(chǎn)生的正弦波和位移后的正弦波如圖41、42所示，正弦波的起振幅值為3V，起振時RP1為1.74K。最大不失真幅值為6V，RP1為5.20K。脈寬調(diào)制SG3525的振蕩器產(chǎn)生的鋸齒波頂點約為3.3V，谷點約為0.9V。位移后

26、的正弦波應調(diào)節(jié)至與其相近。最后RP3的調(diào)節(jié)值為5.28K，RP2的調(diào)節(jié)值為2.03K。圖4-1文氏振蕩電路波形圖4-2移位電路波形4.2逆變局部及整體運行結(jié)果由波形發(fā)生器產(chǎn)生一50Hz、幅度可變的正弦波，送人SG3525的第9端，和SG3525的第5腳鋸齒波比擬后，輸出經(jīng)調(diào)制調(diào)制頻率約為10kHz的SPWM波形，經(jīng)過到相器反相后，得到兩路互為反相的PWM驅(qū)動信號，分別驅(qū)動功率場效應管VT1、VT2，使VT1、VT2交替導通，從而在高頻變壓器的副邊得到一SPWM波形，經(jīng)過LC濾波后，得到一50Hz的正弦波，幅度可通過電位器RP進行改變。波形如下列圖43所示。表42為逆變電路中電位器RP和輸出電壓

27、Uo的關系。表4-2輸出電壓和電位器RP的關系 SG3525芯片5號管腳的鋸齒波波形如圖43所示圖4-3 5號管腳鋸齒波波形SG3525芯片13號管腳輸出的正弦波脈寬調(diào)制信號波形如圖44所示圖44 脈寬調(diào)制正弦波波形輸出的單相正弦波逆變電源信號波形如圖45所示圖4-5輸出的正弦波逆變電源信號波形第五章 總結(jié)與心得 為期兩周的電力電子課程設計在經(jīng)過了14天的忙亂之后終于取得了成績也終于寫出了這份報告?？梢哉f這次的課程設計取得了成功。剛剛拿到課程設計的題目時真不知道從哪里開始動手,課題名稱里的芯片根本就沒聽說過。通過上網(wǎng)查找資料和老師給的資料,弄清楚了它的功能,才真正開始了設計。但這個東西包括了幾個局部,所以一定要把握好它的整體設計思路,