課程設(shè)計(jì)-5KVA單相逆變器設(shè)計(jì)與仿真

實(shí)用文檔5KVA單相逆變器設(shè)計(jì)與仿真姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào)：同組同學(xué)：實(shí)用文檔目錄1、技術(shù)要求 22、負(fù)載參數(shù)計(jì)算 23、濾波電路的設(shè)計(jì) 24、逆變電路輸出電壓 35、逆變電路輸出正弦電壓 56、逆變器輸出電流的計(jì)算 67、主開(kāi)關(guān)元器件的選擇 78、控制策略 89、控制器設(shè)計(jì)與仿真 811、結(jié)論 13實(shí)用文檔1、技術(shù)要求1）輸出電壓：110V 2 ）輸出頻率：50HZ3）輸出功率：5KVA 4 ）負(fù)載功率因數(shù)：cos 0.8~1 5 ）過(guò)載倍數(shù)：1.52、負(fù)載參數(shù)計(jì)算1）負(fù)載電感最小值計(jì)算QLSOsin3000KVar公式1ZL'UO2/QL110/30004.033公式2L'ZL'/(2f)4.033/(100）12.84mH公式32）負(fù)載電阻最小值計(jì)算（1）當(dāng)cos1時(shí)，RUO2/PO2.42公式4（2）當(dāng)cos時(shí)，U2/(Ocos)3.025公式50.8RP3、濾波電路的設(shè)計(jì)1）濾波電感的設(shè)計(jì)作用：（1）減小輸出電壓的諧波電壓；（2）保證基波電壓的傳輸。2選wL0.6,L0.6公式61.912mH250實(shí)取2mH。ZLwL2fL0.628公式7實(shí)用文檔濾波電路固有頻率f'1177.94Hz公式82LC2）濾波電容的設(shè)計(jì)濾波電容與負(fù)載并聯(lián)，對(duì)逆變電路輸出電流影響較大，所以設(shè)計(jì)濾波電路時(shí)先選擇設(shè)計(jì)濾波電容。取濾波電容容抗為負(fù)載電感感抗的 2倍：ZC2ZL'8.066公式9C1/(2fZC)394.8uF取400uF，4個(gè)100uF、250V的電容并聯(lián)起來(lái)。ZC實(shí)11-67.962公式102fc250400104、逆變電路輸出電壓如圖1單相逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖，L為輸出濾波電感，C為濾波電容，r為綜合了線路電阻、濾波電感等效串聯(lián)電阻、開(kāi)關(guān)管壓降和死區(qū)效應(yīng)等因素的等效電阻。圖1實(shí)用文檔（1）空載時(shí)ICILUO11013.816AZC7.962ULILZL13.8160.6288.676VUIUOUL1108.676101.32V（2）額定負(fù)載時(shí)1）當(dāng)cos1時(shí)UOarctan(ZC)arctanR16.95UOZCR22ILIC2IR211011047.499A7.9622.42ULZLIL0.62847.49929.8VUI110232.2992211032.299cos105.4V22）當(dāng)cos0.8時(shí)ILIC110110110110'ZC4.03313.459AZL7.962arctan13.4590.3541103.025ILIR2IL'IC2110230.415A13.45924.033

公式1公式2公式3公式4公式5公式6公式7公式8公式9公式10實(shí)用文檔UL ZL IL 0.628 30.415 19.100VUI110219.12211019.1cos0.354117.989V23）過(guò)載150%時(shí)1）當(dāng)cos =1時(shí)θarctan（R2.42）arctan11.31.5Zc1.57.94ILIC21.5IR269.5AULZLIL43.7VUi110.1V2）當(dāng)cos =0.8時(shí)θ（13.65）14.1arctan1101.53.025IL=(IL'-2IC)+IR2=56.2AULZLIL=35.3VUi 144.5V

公式11公式12公式23公式24公式25公式26公式27公式285、逆變電路輸出正弦電壓全橋電路輸出電壓與輸入電壓UDC的關(guān)系為22UDC0.9UDC公式29UAC由于橋臂上下管互補(bǔ)通斷要保留一定的死去時(shí)間，且管子導(dǎo)通有壓降，故輸出電實(shí)用文檔壓達(dá)不到0.354UDC,只能達(dá)到0.354k(UDCmVECSET)M為同一通路中開(kāi)關(guān)器件個(gè)數(shù)（m=2），k是死區(qū)時(shí)間引起的壓降系數(shù)K<1，kT2T公式30T設(shè)fk9.6khz,T3.5uS9.613-23.510-6k101=0.93289.6106管壓降UCECSET取3V，UDC11020.91.35189.0V公式31取190V，逆變電路輸出電壓為0.90.9328190-32154.45V取150V。6、逆變器輸出電流的計(jì)算（1）逆變器輸出電流有效值公式32公式33（2）逆變器輸出電流峰值公式34實(shí)用文檔公式357、主開(kāi)關(guān)元器件的選擇（1）常用開(kāi)關(guān)器件功率-頻率如圖所示選擇MOSFET（2）MOSFET流過(guò)的峰值電流和耐壓值的計(jì)算公式36公式37公式38實(shí)用文檔8、控制策略逆變器雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)由外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器和內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器組成。外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器一般采用PI調(diào)節(jié)器，內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器可以采用PI調(diào)節(jié)器或P調(diào)節(jié)器。電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，抗負(fù)載擾動(dòng)性能強(qiáng)。PWM逆變器電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示：電壓給定信號(hào)ur與輸出電壓反饋信號(hào) u0比較得到電壓誤差，經(jīng)過(guò)電壓調(diào)節(jié)器Gv產(chǎn)生電流給定信號(hào)誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器

uir，uir 與電容電流反饋信號(hào) ic 比較而得的電流Gi 形成控制量u1，對(duì)逆變器實(shí)施控制。9、控制器設(shè)計(jì)與仿真（1）控制器的設(shè)計(jì)在該雙環(huán)控制方案中，電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱雙環(huán)PI-PI控制系統(tǒng)。其中電流調(diào)節(jié)器Gi的比例環(huán)節(jié)用來(lái)增加逆變器的阻尼系數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并保證有很強(qiáng)的魯棒性；電流調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)用來(lái)減少電流環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差；電壓外環(huán)也采用PI調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器GV的作用是使得輸出電壓波形瞬時(shí)跟蹤給定值。這種電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)雙環(huán)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度十分快，且靜態(tài)誤差很小。電壓和電流調(diào)節(jié)器分別為：電壓和電流調(diào)節(jié)器分別為：實(shí)用文檔GVsk1ik1p公式39sGisk2i公式40k2ps可得到該控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：UOsk1psk1ik2psk2iUrs2sLrIOs公式41LCDsLCDsGursUrsGiosIOs系統(tǒng)輸出傳函中的前一部分()urGs體現(xiàn)了控制系統(tǒng)輸出對(duì)正弦電壓給定ru的跟蹤性能，而后一部分()ioGs體現(xiàn)了負(fù)載電流對(duì)控制系統(tǒng)輸出的擾動(dòng)特性，即系統(tǒng)等效輸出阻抗。其中控制系統(tǒng)特征方程為：Dss4rCCk2ps31k1pk2pCk2is2k1pk2ik2pk1isk1ik2i公式42LCLCLCLC對(duì)上述系統(tǒng)按極點(diǎn)配置方法設(shè)計(jì)控制器參數(shù)。雙環(huán)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)按常規(guī)方法設(shè)計(jì)，需考慮兩個(gè)調(diào)節(jié)器之間的響應(yīng)速度、頻帶寬度的相互影響與協(xié)調(diào)，制器設(shè)計(jì)步驟復(fù)雜，還需要反復(fù)試湊驗(yàn)證；采用極點(diǎn)配置方法大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)能滿足高性能指標(biāo)要求，這種設(shè)計(jì)方法具有明顯的優(yōu)越性。四階系統(tǒng)希望閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)s1,2rwrjwr12公式43r非主導(dǎo)極點(diǎn)s3mrwr公式44s4nrwr公式45希望四階系統(tǒng)特征方程為Drss22rwrswr2smrwrsnrwra0LCmnr2wr4公式13a1LCmn2mnrwr3公式14a2LC12m2nmnr2wr2公式15a3LCm2nrwr公式16k2pa3r公式50L31a2k2ia1k2pk2i20公式51Ck2ik2pa0的實(shí)數(shù)根k1pa2Ck2i1k2p公式52實(shí)用文檔a0k1i 公式53k2i針對(duì)一臺(tái)單相PWM逆變器進(jìn)行雙環(huán)控制器設(shè)計(jì)，逆變器的主要參數(shù)如下：額定輸出電壓Uor=110V（rms），額定頻率f=50Hz，額定輸出功率Po=5kW，額定功率因數(shù)cosφ=0.8，輸出濾波電感L=2mH，輸出濾波電容C=400μF，等效阻尼電阻r=0.1Ω，PWM開(kāi)關(guān)頻率fsw=10kHz。取期望阻尼比ζr=0.8，期望自然頻率ωr=2500，m=6,n=8可得：a080010968250049.6108a1800109688260.8250037.544105a280010912628860.6425002248.2a38001096280.6425000.0256k1pa2Ck2i12.261k2pk2pa3r0.0256-4-0.163.9L410k1ia03738.67k2ik2i256775.9（2）仿真結(jié)果將圖3數(shù)學(xué)模型仿真，得圖 4波形如下圖3實(shí)用文檔波形圖輸出電壓波形圖實(shí)用文檔突加負(fù)載時(shí)的電壓波形圖（放大）突減負(fù)載時(shí)的