W逆變電源初步設計

1、某知名大學電力電子技術課程設計（論文）題目：200W逆變電源初步設計院（系）： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 起止時間：2014-12-29至2015-1-9課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室： 電氣學 號學生姓名專業(yè)班級課程設計（論文）題目200W逆變電源初步設計課程設計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數實現功能將12V直流電變成頻率50HZ電壓220V的交流電，解決沒有交流電源的情況下交流電氣設備的用電問題。設計任務1、方案的經濟技術論證。2、升壓斬波電路設計。3、逆變電路設計。4、通過計算選擇器件的具體型號。5、控制電

2、路設計。6、繪制相關電路圖。7、進行matlab仿真。8、完成設計說明書。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理論分析與計算要正確。3、文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術參數1、輸入DC12V。2、輸出交流電頻率50HZ。3、具有過流保護。4、輸出功率大于200W。5、輸出交流電壓220V。6、具有輸入過壓、輸出過壓保護。進度計劃第1天：集中學習；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：主電路設計；第5天：選擇器件；第6天：確定變壓器變比及容量；第7天：確定平波電抗器；第8天：觸發(fā)電路設計；第9天：總結并撰寫說明書；第10天：答辯指導教師評語及成績平時： 論文質量：

3、答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要逆變是利用晶閘管電路把直流電轉變成交流電的過程。逆變分為有源逆變和無源逆變，交流側接負載的為無緣逆變，交流側接電網上時成為有源逆變。逆變電源是將小電壓直流電經過升壓，再經過逆變變成有適合功率的交流電，以解決沒有交流電源的情況下交流電氣設備的用電問題。升壓過程用升壓斬波電路，也叫boost變換器。是通過控制全控型器件IGBT晶閘管的導通時間來控制輸出直流電壓大小。本設計是將給定12V直流電轉變?yōu)轭l率50HZ，電壓220V的交流電，在直流部分首先采用升壓斬波電路將直流電壓提升到約100V

4、左右，為下一步逆變提供適當裕量，第二步逆變部分，控制晶閘管導通周期為0.02S，以保證輸出交流電壓頻率固定為50HZ，晶閘管采用脈沖觸發(fā)控制。經實驗仿真驗證，本設計最終輸出電壓為幅值為310V（5V），輸出功率大于200W，周期為0.02S的正弦波，且波形無明顯失真，系統(tǒng)整體性能良好，滿足設計要求。關鍵詞：逆變電源；升壓斬波；無源逆變；脈沖觸發(fā)目 錄第1章 緒論11.1 逆變電源技術概況11.2 本文設計內容1第2章 逆變電源電路設計32.1 200W逆變電源總體設計方案32.2 具體電路設計42.2.1主電路設計42.2.1 控制電路設計72.2.2 保護電路設計72.3 元器件型號選擇82

5、.3.1 晶閘管參數計算與選擇82.3.2 電阻、電容、電感參數計算與選擇102.4 系統(tǒng)仿真102.4.1 MATLAB仿真軟件簡介102.4.2 逆變電源仿真模型建立112.4.3 逆變電源仿真波形及數據分析13第3章 課程設計總結18參考文獻19III第1章 緒論1.1 逆變電源技術概況電力電子技術是一門新興的應用于電力領域的電子技術，就是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進行變換和控制的技術。目前所用的電力電子器件均由半導體制成，故也稱為電力半導體器件。電力電子裝置提供給負載的是各種不同的直流電源、恒頻交流電源以及變頻交流電源，因此也可以說，電力電子技術研究的就是電

6、源技術。在實際的電源系統(tǒng)中，有時需要把直流電轉換成交流電供負載使用，這種把直流電變回交流電的過程就是逆變。在已有的很多種電源中，如蓄電池、太陽能電池等都是直流電源，當需要這些電源向交流負載供電時，就需要逆變。逆變將使發(fā)電方式產生一次大變革，使用氫能源與再生能源的高效低污染燃料電池發(fā)點方式將成為主題發(fā)電方式。因此，逆變技術在新能源的開發(fā)與利用領域具有至關重要的地位。逆變技術不僅應用在逆變電源方面，還廣泛應用于其他領域1. 交流電機變頻調速：采用逆變技術將市電電網電壓變換成幅值可調、頻率可調的交流電供給交流電機，以調節(jié)電動機的轉速。2. UPS電源系統(tǒng)：在許多領域中被廣泛用的計算機、通訊設備、檢測

7、設備等都需要采用UPS電源。3. 電動汽車：隨著起初數量的不斷增加，排放氣體對環(huán)境造成污染越來越嚴重，已經成為空氣污染的主要來源。各大汽車公司均投入巨資積極研發(fā)電動汽車。不管采用蓄電池還是用燃料電池，都要將直流電轉換成交流電來供給電動機使用。隨著時代的發(fā)展，新的科技不斷出現，逆變技術也將不斷趨于成熟，逆變技術的應用也將大大擴展。1.2 本文設計內容課題完成的設計任務及功能實現功能將12V直流電變成頻率50HZ電壓220V的交流電，解決沒有交流電源的情況下交流電氣設備的用電問題。具體設計內容首先對設計要求做進一步分析。設計要求輸入12V直流電壓，輸出220V，50HZ的交流電壓，明確了設計的目的

8、。整理設計方案，進行方案對比論證，從經濟性、可靠性、安全性等方面考慮確定最終設計方案。作出設計框圖，按照實際電子元器件耐壓值、額定電流等技術參數對設計方案再次修正。將整體電路拆分成獨立的單元電路直流變直流（DCDC）升壓斬波電路、直流變交流（DCAC）逆變電路，以便設計仿真。分別對單元電路進行MATLAB仿真，根據仿真圖形失真度對設計參數再次修正，直到仿真波形圖失真度滿足設計范圍為止。對仿真數據進行分析，總結。完成實驗報告。第2章 逆變電源電路設計2.1 200W逆變電源總體設計方案方案一直流變直流部分采用升壓斬波電路（Boost Chopper），即通過控制晶閘管導通對電感進行充放電來對負載

9、電壓進行抬升，其輸出電壓為 Uo=TtoffE （2-1）期中T為晶閘管導通周期，toff為晶閘管關斷時間，E為輸入直流電壓小。逆變部分采用單相全橋電壓型逆變電路，其輸出電壓有效值為UO1=22Ud=0.9Ud （2-2）此方案升壓電路通過控制脈沖觸發(fā)電路改變輸出直流電壓大小，容易實現。逆變部分由于采用電壓型逆變電路，因為直流電壓源的鉗位作用，交流側輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而本設計要求交流側輸出交流電為220V的交流電以供交流電氣設備用電。與設計要求不符。方案二直流變直流部分依然采用升壓斬波電路（Boost Chopper），逆變部分采用單相全橋電流型逆變電路，其輸出電壓為

10、Uo=Ud22cos=1.11Udcos （2-3）式中Ud為輸入直流電壓，cos為功率因數。此方案由于是電流型逆變電路，因此輸出交流側電流波形為矩形波，電壓波形與負載阻抗角有關。當負載接諧振電路時，控制功率因數可得到接近正弦波的波形。綜合考慮兩個方案，方案一不能得到正弦波電壓，方案二能得出正弦波電壓，因此選方案二作為本設計的最終設計方案。構建設計方案圖輸入、輸出過壓保護單相橋式電流型逆變電路直流變直流升壓斬波電路輸出220VAC脈 沖 驅 動 電 路圖2.1 設計方案框圖具體設計方案如下2.2 具體電路設計2.2.1主電路設計升壓斬波電路設計升壓斬波電路由全控型器件晶閘管、二極管和電感等構成

11、。具體電路如下圖2.2所示。圖2.2 升壓斬波電路如圖2.2所示，晶閘管V選用全控型器件IGBT，利用脈沖控制其開通和關斷從而使其控制電感的充電和放電。電路中電感L值很大，當可控開關處于通態(tài)時，電源向電感充電，充電電流基本恒定不變，同時電容向負載供電，因為電容很大，所以輸出電壓也基本恒定。當可控開關處于斷態(tài)時，電源和電感同時向負載供電。二極管控制電流單方向流動。電路工作波形理論值如下圖2.3所示圖2.3 直流斬波電路工作波形圖2.3中，iGE為晶閘管門極輸入電流，用來控制晶閘管導通與關斷，io為輸出端電流波形。設晶閘管導通時間為ton，此階段電感L上存儲能量為EIton，當晶閘管截止時，電感放

12、電并和電源E向負載和電容供電，電路處于穩(wěn)態(tài)時，電感充放電能量相等，即EIton=(UO-E)Itoff （2-4）化簡可得 UO=ton+tofftoffE=TtoffE （2-5)由公式可得，當輸入電壓12V時，調節(jié)晶閘管導通時間即可得到輸出有一定幅值的直流電壓。電流型逆變電路設計直流側電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路。理想的電流源并不常見，因此可以通過在直流電源側串聯(lián)一個大的電感，利用大電感中電流脈動很小的特性，近似將直流電源看作電流源。每個橋臂串聯(lián)了電感，使得電流變化連續(xù)。為了得到正弦波輸出電壓，在負載側接RLC并聯(lián)諧振電路，調節(jié)負載電容和電阻可以得到穩(wěn)定的正弦波電壓。具體逆變電

13、路如下圖2.4所示。圖2.4 電流型逆變電路原理圖圖中VT1VT4是晶閘管，利用脈沖觸發(fā)電路對其進行控制；Ld是極大的電感，為了得到連續(xù)的直流電流Id，在每個橋臂上都串有適合的小電感。輸出電壓從諧振電路兩端引出，其理論工作波形如下圖2.5所示。圖2.5 逆變電路工作波形圖波形分析：UG14和UG23是加在晶閘管電路兩端的觸發(fā)脈沖信號，由圖2.5可見，在一個周期里，1,4和2,3晶閘管觸發(fā)相位正好相反。io為輸出電流波形，由于是電流型逆變電路，因此輸出電流為矩形波，與負載性質無關，有相位延遲，晶閘管1,4和2,3輪流導通，導通時間各為半個周期。t4和t2之間是晶閘管換流時間，在此期間由于續(xù)流電感

14、的存在，四個晶閘管同時導通，分別在上下兩個回路形成續(xù)流電流，因此脈沖寬度要適當，以免造成短路故障。晶閘管承受最大電壓為電源電壓的一半。輸出電壓為正弦波交流電。該電路換流方式為負載換流。2.2.1 控制電路設計本設計大量采用晶閘管，對于晶閘管要設計觸發(fā)電路來控制晶閘管導通，觸發(fā)脈沖要保證晶閘管可靠導通，其幅度要足夠，所以要有強觸發(fā)環(huán)節(jié)，具體設計電路如下圖2.6所示圖2.6 晶閘管觸發(fā)電路圖2.6中，脈沖電流控制Q1的導通，間接控制Q2的導通，Q2導通后，VCCm經變壓器和電阻R2到地形成閉合回路，積蓄在脈沖變壓器T1上的能量向負載輸送。導通后，由于二極管和R4組成的電路限制T1兩端電壓，所以變壓

15、器原邊電壓很快就回復的一定值并保持不變，輸出電壓也隨之保持不變，在輸出電壓起始時刻有短暫的電壓極大現象，稱為強觸發(fā)環(huán)節(jié)。2.2.2 保護電路設計電路保護分為過電壓保護和過電流保護。過電壓產生的原因有：1) 操作過電壓：分閘、合閘等開關操作引起的過電壓2) 雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓3) 換相過電壓：由于晶閘管兩端反并聯(lián)的二極管在換相過后不能立即回復阻斷能力而引起的。4) 關斷過電壓：全控器件在高頻工作下，在關斷時，因正向電流的迅速降低在線路電感兩端產生的電壓。本設計使用的慮晶閘管要考慮的耐壓問題，主要是操作過電壓和換相過電壓。晶閘管一旦超過額定電壓，影響晶閘管性能和使用壽命，甚至會燒壞晶閘

16、管，為了保護晶閘管，限制晶閘管兩端的電壓不超過額定電壓，需要給晶閘管設計過壓保護電路。對于晶閘管的過電壓保護，本設計采用并聯(lián)RC串聯(lián)電路吸收方案。具體電路見下圖2.7圖2.7 R C阻容吸收回路晶閘管兩端并聯(lián)RC阻容吸收網絡，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。電路總是存在電感的(變壓器漏感或負載電感)，所以與電容C串聯(lián)電阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現的過電壓損壞晶閘管。同時，避免電容器通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。2.3 元器件型號選擇2.3.1 晶閘管參數計算與選擇本設計輸出電壓峰值為310V（5V），而用于逆變

17、的晶閘管兩端電壓也相對比較高，因此要選用耐壓值較大的晶閘管來作為逆變電路的控制器件，經仿真測試晶閘管兩端電壓峰值達到270V左右，見下圖2.8。圖2.8 晶閘管兩端電壓波形因此在選用晶閘管時考慮到阿安全裕量，應選擇耐壓值為23倍的峰值電壓。UN=23UF (2-6)晶閘管流經電流波形如下圖2.9圖2.9 晶閘管流經電流波形從圖中可以看出，流經晶閘管的電流峰值約為7.5A?？紤]安全裕量，選擇晶閘管時要選擇額定容量為1.52倍的峰值電流。IN=1.52IVT (2-7)綜合以上對于晶閘管額定電壓、額定電流的參數要求，為了保證電路的安全可靠，查閱電子器件書籍，選擇晶閘管的型號為KP50A，其參數為通

18、態(tài)電流50A,反向峰值電壓1002400V，反向峰值電流為12A.滿足本設計需求，因此選擇該晶閘管。對于其過壓保護電路中的電阻，電容選擇，應滿足如下條件C=(2.55)10-8If （2-8）R=24535If （2-9）綜上，選擇電容為0.25mf,400V；電阻選擇40。2.3.2 電阻、電容、電感參數計算與選擇結合仿真電路，選擇升壓電路中電感為10-2H，電阻為1000，電容為10-3F。逆變電路中的L1為1H，L2L5為10-6H。諧振電路中的電阻，電容，電感分別為900，9-6F，7-6H。以保證電路工作可靠。2.4 系統(tǒng)仿真2.4.1 MATLAB仿真軟件簡介MATLAB（矩陣實驗

19、室）是MATrix LABoratory的縮寫，是一款由美國The MathWorks公司出品的商業(yè)數學軟件。MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境。主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。優(yōu)勢特點1) 高效的數值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數學運算分析中解脫出來；2) 具有完備的圖形處理功能，實現計算結果和編程的可視化；3) 友好的用戶界面及接近數學表達式的自然化語言，使學者易于學習和掌握；4) 功能豐富的應用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等) ，為用戶提供了大量方便實用的處理工具。Simulink使用簡介Simu

20、link是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。其內部由很多個元件庫組成，它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務、多任務離散事件系統(tǒng)。在Simulink提供的GUI上，只需要對鼠標進行拖拉操作就可以構造出復雜的仿真模型。在搭建模型時只需要從需要的元件庫中將需要的元器件拖到模型窗口中即可，其外表以方塊圖形式呈現，且采用分層結構。這種Simulink模型不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動態(tài)細節(jié)，而且能讓用戶清晰地了解各器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分之間的交互影響。用戶還可以隨時改變各器件的參數，實時觀察系統(tǒng)行為的變化。本設計為電力電子設計仿真，需

21、要用到電力電子器件，如晶閘管、二極管、IGBT、電阻、電感、電容等，這些器件主要用到Simulink中的Simpowersystems元件庫。2.4.2 逆變電源仿真模型建立根據主電路的設計圖，在MATLAB中Simulink的模型構建平臺上搭建逆變電源仿真模型。升壓斬波電路系統(tǒng)模型如下圖2.10所示。圖2.10 升壓斬波電路系統(tǒng)模型圖中，DC為輸入直流電壓12V，L是大電感器，C是電容，R是負載電阻，IGBT是全控型器件，在IGBT上的g端口加脈沖觸發(fā)電路控制晶閘管導通與關斷，m口是測試端口，主要測試晶閘管流過電流和兩端電壓。D是二極管，D的m口同樣是測試口。輸出電壓在R兩端。單相全橋電流型

22、逆變電路模型如下圖2.11所示圖2.11 逆變電路系統(tǒng)模型如圖，V1V4是晶閘管，需要用晶閘管觸發(fā)電路來控制。L0是大容量電感，用來限制電流脈動幅度，L1L4是續(xù)流電感，其大小一樣；AB中間是RLC串并聯(lián)諧振電路，用來產生正弦波電壓，DC是直流電源，是來自升壓斬波電路輸出端的電壓。輸出正弦波電壓在AB兩端。輸入、輸出過壓保護電路模型如下圖2.12所示圖2.12 輸入、輸出過壓保護電路模型實現輸入、輸出過壓保護功能，在每個晶閘管兩端并聯(lián)RC串聯(lián)電路即可限制晶閘管兩端電壓，保證晶閘管不被損壞。晶閘管觸發(fā)電路系統(tǒng)模型如下圖2.13所示圖2.13 晶閘管觸發(fā)電路波形由圖2.13中的波形可以看出，在一個

23、周期內，脈沖有極短時間電壓在50V，在這段時間內極高的電壓可以保證晶閘管可靠導通。2.4.3 逆變電源仿真波形及數據分析對直流升壓斬波電路模型進行仿真測試得到如下圖2.14所示電路：圖2.14 直流升壓斬波電路仿真圖輸入直流電壓12V，調節(jié)脈沖寬度為60%。用示波器觀察輸出電壓，得到如下圖2.15波形。圖2.15 直流斬波輸出電壓波形圖從仿真圖2.15中可以看出，經過斬波，12V直流電變成71.7V（0.1V）的直流電。波形基本完整，幅值波動很小，無明顯失真。逆變電路模型進行仿真得到如下圖2.16電路：圖2.16 逆變電路仿真模型在圖2.16中，電源DC為升壓后輸出電壓值，VT1和VT4加入周

24、期為0.02S的觸發(fā)脈沖信號，VT2和VT3加入與VT1延遲半個周期的脈沖信號。在如圖2.16中諧振電路位置加入示波器，觀察示波器得到逆變輸出波形如下圖2.17所示圖2.17 逆變電路輸電壓出波形如圖2.17，當輸入電壓DC為50V時，逆變輸出電壓為170V（5V），逆變后波形為正弦波，波形完整，無明顯失真?？梢钥闯鲐撦d諧振電路可以從不規(guī)則波形的電壓中選擇出正弦波波形的電壓。圖2.18 逆變電源整體電路模型仿真電路對Simulink中建立的逆變電源整體電路模型進行實際仿真得到如下圖2.18所示電路圖在仿真圖2.18中，輸入電壓為DC12V。升壓斬波電路晶閘管占空比為72%，其他器件參數不變。分

25、別用示波器觀察R兩端電壓和諧振電路兩端電壓。得到如下圖2.19和圖2.20波形圖。圖2.19 R兩端電壓波形圖圖2.20 最終輸出波電壓形圖波形分析：由圖可見，升壓電路在接上逆變電路后輸出端電壓出現明顯的浮動，由原來的圖2.5中的0.1V變化到10V，顯然出現這樣的現象與接入逆變電路有關，逆變電路的接入改變了升壓電路負載的性質，使輸出電壓不再穩(wěn)定。輸入直流電壓，經過升壓斬波電路、逆變電路，輸出變成穩(wěn)定頻率50HZ（周期0.02S）、幅值310V(有效值220V)的交流電。波形的產生是靠諧振電路電感充放電形成的。其波形的完整性與諧振電路參數和直流側的電感有關，調節(jié)諧振電路的電感和電阻能使波形峰值更加接近正弦波，但輸出電壓大小會出現明顯上升，這樣對晶閘管的要求就提高了；諧振電路中的電感使波形曲線出現一定弧度，調節(jié)它能得到不同形狀的波形。直流側的大電感越大，輸出電壓越小，且波形會出現削頂，即出現方波電壓。因此調整好各元件的參數才能得出正確的波形。