A單相逆變電源設(shè)計(jì)

1、.題目 ：18kv a單相逆變器設(shè)計(jì)與仿真院系 ：電氣與電子工程學(xué)院專業(yè)年級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化2010 級(jí)姓名：鄭海強(qiáng)學(xué)號(hào)：1010200224同組同學(xué)：鐘祥鑼 王敢方騫2013 年 11 月 20 號(hào);.單相逆變器設(shè)計(jì)一 . 設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容要求設(shè)計(jì)一個(gè)輸入為 150v 的直流電壓，輸出容量為18kva ，輸出電壓為 300v 單相交流電的逆變器。1.2參數(shù)要求1、輸出電壓： ac 單相 300v2、輸出頻率： 100hz3、輸出功率： 18kva4、負(fù)載功率因數(shù)：cos0.8 : 1.0 ,滯后5、負(fù)載短時(shí)過載倍數(shù)： 1.56、輸入電壓：直流dc333v二 .設(shè)計(jì)方案介紹

2、系統(tǒng)原理框圖如下圖所示保護(hù)電路150v dc供電觸發(fā)電路逆變主電路工頻變壓器濾波器300v ac;.方案簡述將直流電變成交流電的電路叫做逆變電路。根據(jù)交流側(cè)接在電網(wǎng)和負(fù)載相接可分為有源逆變和無源逆變，所以本次設(shè)計(jì)的逆變器設(shè)計(jì)為無源逆變 。換流是實(shí)現(xiàn)逆變的基礎(chǔ)。 通過控制開關(guān)器件的開通和關(guān)斷，來控制電流通過的支路這是實(shí)現(xiàn)換流的方法。直流側(cè)是電壓源的為電壓型逆變器，直流側(cè)是電流源的為電流型逆變器， 綜上本次設(shè)計(jì)為電壓型無源逆變器。三 .主電路原理圖及主要參數(shù)設(shè)計(jì)3.1 主電路原理圖 如圖 1 所示圖 13.2 輸出電路和負(fù)載計(jì)算3.2.1負(fù)載側(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算負(fù)載側(cè)的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，根據(jù)圖 2

3、 相關(guān)經(jīng)計(jì)算結(jié)果如下 ：;.li li ci l i rvicl r vo圖 2負(fù)載側(cè)電路結(jié)構(gòu)圖1. 負(fù)載電阻最小值：cos=1.0時(shí)， r=vo2/ po = 3002/ (18? 103 ) 5w；cos=0.8時(shí)， r=vo2/( po cosj) = 3002 / (18創(chuàng)103 0.8) = 6.25 w2. 負(fù)載電感最小值：l = zl /(2f )=8.3/( 2創(chuàng)p 100 )=0.0132 h3. 濾波電容：取濾波電容的容抗等于負(fù)載電感感抗的2 倍，則：c =1/(2f zc )=1/(210032)=95.92 f取電容為100f ,將10 個(gè) 10 f的 ac電容進(jìn)行并聯(lián)

4、，z c(實(shí) ) =f c創(chuàng)創(chuàng)- 6) =15.9 w1/(2)=1/ (2p 100100 104.濾波電抗 l 的計(jì)算選取主開關(guān)器件工作頻率 f k =n f o =32100=3200hz 由于移相原因，輸出線電壓的開關(guān)頻率變?yōu)椋?2 f k =6400hz 取濾波電路固有諧振頻率f =1/(2lc )= f k /6=533.3hz則： l = 1/（42 f 2c ）= 1/(425332 100 10 6)=880 h實(shí)選用l=900uh由此 特征阻抗zt = l c = 900 /100 = 33.2.2逆變電路輸出電壓;.1. 濾波電路輸入端電壓 (無變壓器時(shí) )逆變電路的輸出

5、與后續(xù)電路的連接電路如圖3 所示，有圖 3 可以得到如下的計(jì)算結(jié)果。逆l&i lul變&uicl ruoi cul電路&ui&uo圖 3 逆變電路輸出電路圖 4 空載時(shí)的矢量圖空載時(shí) :空載時(shí)的矢量圖如圖4 所示，由圖 4 可得：&= 300=創(chuàng)創(chuàng)=w= uo18.9 ( a)- 6i lz c15.9z l2p f o l2 p100 900100.5652()u&l= i&l ?z l 18.9 ? 0.565210.7&= 300- 1.5 = 298.5(v)(v ) 。 ui= uo- ul這說明空載時(shí)輸出電路是升壓的。額定負(fù)載時(shí) ：額定負(fù)載時(shí)， 當(dāng) cosj= 1.0 和 cos=

6、 0.8的矢量圖分別如圖5 和圖 6 所示。&uluii&c&i&ci&l&ul&i ruouii&l i&c &ul&i lul&i&li ruo圖 5cosj = 1.0時(shí)的矢量圖圖 6 cos= 0.8 時(shí)的矢量圖cosj =1.0：- 11 zc)- 1r- 15oq = tan(zc = tan15.9 =17.51 r = tanil = i r2 +ic222= 62.9(a)=(300 5) +(30015.9);.&35.6(v )= zl ?i l0.5652? 62.9，ul2200cos1.0&= 300 +35.6 - 2? cos(9017.5)創(chuàng)300 35.6

7、= 286.16(v) 。這說明ui時(shí)，即使?jié)M載，輸出電路也是升壓的。300300300300cos =0.8i&l- i&c = zl-zc=8.3-15.3=17.28(a)：，- 117.28oq = tan= 19.79300 6.25，2222i&l=i&r +(i&l - i&c )= (300/ 6.25) +17.28 = 51.01(a)，&0.5652? 51.01 28.83(v )= zl ?i l，ul&=2200創(chuàng)ui300 +28.83 - 2? cos(9019.79) 300 28.83=309.65(v)，負(fù)載最重時(shí)本設(shè)計(jì)中，負(fù)載最重為過載150%時(shí)，功率因

8、數(shù)最低為0.8，此時(shí)：i&l- i&c=1.5?300 300 1.5300 300- 135.35o=-=35.35aq = tan= 26.15zl zc8.315.9( )，1.53006.25，2222+(i&l - i&c ) =(1.5? 300/ 6.25)i&l =i&r35.35 = 36.34(a)，&u& = z?i0.5652? 36.34 20.54vlu = 312.33 vll( ) ， i( ) ，可見輸出電路此時(shí)降壓比較嚴(yán)重。2. 逆變電路輸出正弦電壓計(jì)算單相橋式電路輸出電壓為：u = 0.708e ?？紤]要保留“死區(qū)”間隔(圖;.7 所示 )以及開關(guān)器件導(dǎo)通

9、時(shí)有壓降，因而輸出電壓實(shí)際只能達(dá)到：u = 0.708 k (e - mv( set) )。其中： m = 2 ； k 為“死區(qū)”間隔引起的k =t - dt156.25 5.0壓降系數(shù) :t , 則: k =-= 0.968156.25本設(shè)計(jì)中取v ce ( set ) = 3 v ，則： u = 0.708 創(chuàng)0.968 (e - 3? 2) ，考慮整流濾波電路的壓降后，實(shí)際取為：e = 350 (v ) 。則三相逆變電路輸出線電壓為：u = 0.708創(chuàng)0.68 (350- 3? 2) 235.7(v)實(shí)際取為：u = 240 (v ) 。tt圖 7死區(qū)“間隔”示意圖3.2.3 逆變電路

10、和輸出電路之間的電壓匹配：逆變電路和輸出電路之間的電壓匹配采用電源變壓器，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖8所 示 。 由 前 面 的 計(jì) 算 可 知輸 出 電 路 輸 入 端 最 高 電 壓u&i = 312.333(v )，逆變電路輸出線電壓u = 240 ，在逆變電路和輸出電路之間加入電源變壓器。設(shè)變壓器的變比為n :1 ，原副方各參數(shù)的矢量圖如圖 9 所示：以副方輸出電壓 uo 為基準(zhǔn)矢量，變壓器原方電壓 um = nuo ,付方電流 i o 如圖示（滯后），原方電流 i l1 = i o / n 。;.l1i l 1i ouabumcl ruon :1圖 8 電壓匹配電路圖驏21122l1琪io2l2

11、l1i l1 =li o= l 琪= n由 22， 可 得 ：i， wl1 = wn l和桫 l1ul 1 = wl1 i l 1 = wn 2 li l 1 = wn 2 l (i on ) = nwli o= nul ，n =uab =240= 0.7684由矢量圖可得： uab = nui ，ui312.333，考慮變壓器內(nèi)n= 0.7533阻和激磁等原因，調(diào)整變比 n 和原方電流： 1.02。故，取實(shí)際的變比為 0.7533，i l1 ?(1.031.05)11n io (1.031.05)=0.7533io (1.031.05)i= 88.7創(chuàng)11.04 =122.46a長l 1(

12、)0.7533()11.04 = 189.42 ( a) 。 將電感折算到原邊得：i l 1(短)= 137.2 創(chuàng)0.7533l1=2l=2- 6=510.7(mh )創(chuàng)n(0.7533)900103.2.4開關(guān)器件的選取1 電流參數(shù)：;.開關(guān)器件中電流有效值：i t (長 ) = 122.46 (a) ， i t (短 ) = 189.42 ( a)開關(guān)器件中電流峰值：itp(長) = 2?il 1(長) 171.18(a)itp(短) = 2?il1(短)2? 189.42 267.8(a)在連續(xù)情況下安全裕量選為2，則： i t= 2i tp(長) = 2? 173.18 346.36

13、(a) ，在過載情況下安全裕量選為1.5，則： i t =1.5itp(短) =1.5? 267.8401.7(a)3.3 變壓器和交流電抗器設(shè)計(jì)計(jì)算在實(shí)際加工制造前還進(jìn)行各種機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算，為制造提供依據(jù)。主要是變壓器的額定功率、初級(jí)線圈電流、鐵心的截面積、各線圈的匝數(shù)、線圈所用導(dǎo)線的直徑和核算鐵心窗口面積等幾方面。1. 計(jì)算變壓器的額定功率：變壓器輸出功率為：p2 = 3u 2 i 2 (va) = 18 kva (單相為 15kva )，輸入功率為：p = u i (va)那么 p可按下式求得近似值：1111p1= p2 =18 = 18.94( kva )h0.95p1+ p2=1

14、8+18.94p =2= 18.47( kva)變壓器的額定功率：22、計(jì)算電流（ i1）ip18.9410386.8(a)=p231=k 11.1i 2=18 10=60( a)u1= ?u 23002401.11.2。，式中 k 一般選;.3、計(jì)算變壓器鐵心凈截面積及粗截面積鐵心凈截面積：sc = kp =1.3創(chuàng) 18.47 103 = 176.67(cm2 )式中系數(shù) k 一般選在1.01.5 之間。由于硅鋼片之間的絕緣和空隙， 實(shí)際鐵心截面積略大于計(jì)算值， 應(yīng)為： k psc176.672sc =192.04(cm )kc = 0.89k ck c0.92式中一般；冷軋硅鋼帶的kc

15、= 0.92。根據(jù)算出的sc 求硅鋼片中間舌寬a 國家規(guī)范可查手冊(cè)得到選擇a=120mm 。鐵心疊厚 b 的計(jì)算192.04100 = 160( mm)b = sc 創(chuàng)100 =a120b = 160= 1.333z = h取 b = 160mm， a 120在 12 之間。窗高系數(shù)a 取為 2.3，所以 h = 2.3a = 2.3? 120276( mm) 。4、計(jì)算各線圈的匝數(shù) ：確定每伏匝數(shù)（no ）由 e = 4.44 fnbmsc ? 10- 8 (v ) 可得no = n =108= 0.098(匝 / 伏 )e4.44創(chuàng)100 13000 ? 176.67;.經(jīng)過計(jì)算得初級(jí)：

16、n1 =u1 ?no240? 0.098 23.53(匝)實(shí)際取為 56 匝。次級(jí)： n2 = (1.05 1.1)鬃u(yù) 2 no =1.1創(chuàng)300 0.098= 32.34(匝)實(shí)際取為 90 匝。5、計(jì)算各線圈導(dǎo)線直徑i = p d 2 j = s? j ( a)導(dǎo)線電流：4d =4i= 1.13i (mm)p jjs1i1 p=86.8s2i 2=60= 34.72( mm)= 24(mm)原邊：j2.5，副邊：j2.56、校核鐵心窗口面積變壓器線圈繞在框架上，每層線圈之間一般均有絕緣層。線圈厚度、絕緣層厚度和框架厚度的總和應(yīng)小于選用鐵心窗口寬度原副邊導(dǎo)線帶絕緣尺寸大概為4.857.40

17、mm2 和 4.368.40mm2 。m1 = 276 - 2? 2 - 1 = 34原邊每層匝數(shù)：7.401.05；m2 = 276 - 2? 2 - 1= 29.8副邊每層匝數(shù)：8.401.05；四：控制系統(tǒng)和輔助電路設(shè)計(jì)4.1 逆變部分的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì);.逆變部分采用的控制策略是數(shù)字pid 和重復(fù)控制相結(jié)合的綜合控制策略。數(shù)字 pid 控制用于保證較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，重復(fù)控制用于保證輸出電壓的波形質(zhì)量。其控制框圖如圖12 所示。那么該控制系統(tǒng)將兼具良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能， 通過控制參數(shù)的合理設(shè)計(jì)， 就可以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。+重復(fù)控制+xx-+pid控制dsp輸入電壓檢測(cè)vd比較比較輸入電流檢測(cè)判

18、斷判斷保護(hù)過流保護(hù)svpwm脈沖驅(qū)動(dòng)/隔離變壓器及形成三相逆變橋lc濾波電路保護(hù)比較判斷輸出電壓檢測(cè)圖 9逆變部分控制系統(tǒng)框圖1、重復(fù)控制器的設(shè)計(jì)重復(fù)控制器控制框圖如圖12 所示dr + e +yc(z) +p(z)+- +c圖 10重復(fù)控制器控制框圖;.周期延遲正反饋環(huán)節(jié)對(duì)逆變器輸出電壓的誤差進(jìn)行逐工頻周期的累加。補(bǔ)償器 c(z)的作用是抵消二階lc 濾波器的諧振峰值，使重復(fù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定。 c(z)的表示形式為： c ( z) = k r zk s( z) 式中， kr 重復(fù)控制器的增益， zk 超前環(huán)節(jié)， s(z) 濾波器濾波器 s(z) 是為了抑制系統(tǒng)的高頻干擾，削除被控對(duì)象的諧振峰值，

19、使其在諧振點(diǎn)處有較大的幅值衰減，且具有零相移、零增益特性。因此濾波器 s( z) 可以由二階低通濾波器s1 (z) 和零相移陷波器 s2 ( z) 組成。2 數(shù)字 pid 控制器設(shè)計(jì)數(shù)字 pid 控制器的控制原理基本上與模擬pid 控制相同。數(shù)字pid控制正弦波逆變電源系統(tǒng)的原理如圖10 所示。為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性 ,系統(tǒng)中用了前饋補(bǔ)償。pid 控制器可表示為( k p + k i + k d ) - ( k p + 2k d )z- 1 + k d z- 2d( z) =1- z- 1式中，k p稱為比例系數(shù)，ki稱為積分系數(shù)，kd稱為微分系數(shù)。+vref +d（ z ）+vp（z

20、）vo-圖 11數(shù)字 pid 控制框圖比例調(diào)節(jié)器的作用是對(duì)偏差瞬間作出快速反應(yīng)。 偏差一旦產(chǎn)生， 控制器立即產(chǎn)生控制作用， 使控制量向減少偏差的方向變化。 控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)，比例系數(shù)越大，控制越強(qiáng)，但過大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng);.振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 積分調(diào)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差，但它也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度， 增加系統(tǒng)的超調(diào)量。 微分調(diào)節(jié)的作用是在過程開始時(shí)強(qiáng)迫過程加速進(jìn)行，過程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過渡過程。4.2 保護(hù)電路設(shè)計(jì)保護(hù)電路分為欠壓保護(hù)和過流保護(hù)。欠壓保護(hù)電路如圖7 所示，它監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓狀況，如果蓄電池電壓低于預(yù)設(shè)的10.8v ，保護(hù)電路開

21、始工作，使控制器sg3524的腳 10 關(guān)斷端輸出高電平，停止驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。圖 7 中運(yùn)算放大器的正向輸入端的電壓由r1 和 r3 分壓得到，而反向輸入端的電壓由穩(wěn)壓管箝位在7.5v ，正常工作的時(shí)候，由三極管 v 導(dǎo)通， ir2110 輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)晶閘管正常工作，實(shí)現(xiàn)逆變電源的設(shè)計(jì)。當(dāng)蓄電池的電壓下降超過預(yù)定值后，運(yùn)算放大器開始工作，輸出跳轉(zhuǎn)為負(fù)，led燈亮，同時(shí)三級(jí)管v 截止，向 sg3524 的 sd端輸出高電平， 封鎖 ir2110 的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 此時(shí)沒有逆變電壓的輸出。圖 12.欠壓保護(hù)電路圖;.過流保護(hù)電路如圖8 所示，它監(jiān)測(cè)輸出電流狀況，預(yù)設(shè)為1.5a 。方波逆變器的輸

22、出電流經(jīng)過采樣進(jìn)入運(yùn)算放大器的反向輸入端，當(dāng)輸出電流大于1.5a 后，運(yùn)算放大器的輸出端跳轉(zhuǎn)為負(fù)，經(jīng)過cd4011組成的 rs 觸發(fā)器后，使三級(jí)管v1 基級(jí)的信號(hào)為低電平，三級(jí)管截止，向ir2011 的 sd1端輸出高電平，達(dá)到保護(hù)的目的。圖 13. 過電流保護(hù)電路圖4.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)4.3.1 mosfet介紹mosfet是一種電壓控制的單極性器件，它是由金屬氧化物和半導(dǎo)體組成的場(chǎng)效應(yīng)晶體管， 所以也叫絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。應(yīng)用 vmosfet工藝，生產(chǎn)出了大功率的產(chǎn)效應(yīng)管，并在逆變電路中得到廣泛應(yīng)用。功率場(chǎng)效應(yīng)管簡稱 vmosfet,或 vmos，作為開關(guān)器件，其常態(tài)是阻斷狀態(tài)，即 vmos都是增強(qiáng)型 mosfe