A單相逆變電源設(shè)計(jì)

1、題目：18KVA單相逆變器設(shè)計(jì)與仿直院系：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)：鐘祥鑼干敢方窘單相逆變器設(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)：cos08°，滯后5、負(fù)載短時(shí)過載倍數(shù)：1.56、輸入電壓：直流DC333V2 .設(shè)計(jì)方案介紹系統(tǒng)原理框圖如下圖所示保護(hù)電路-150VDCJ：|觸發(fā)電路逆變主電路300VA

2、C方案簡(jiǎn)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。3 .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相關(guān)經(jīng)計(jì)算結(jié)果如下：圖2負(fù)載側(cè)電路結(jié)構(gòu)圖1 .負(fù)載電阻最小值：2_2_3cos=1.0時(shí)，R=Vo2/Po=3002/

3、(18?103)5WJ.2cos=0.8時(shí)，R=V04Pocosj)=3002/(18創(chuàng)030.8)=6.25W2 .負(fù)載電感最小值：L'=ZL'/(2f)=8.3(2倉(cāng)p100)=0.0132H3 .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/(2fZc)=1/(2'100'32)=95.92F取電容為100F,將10個(gè)10F的AC電容進(jìn)行并聯(lián)，Zc(實(shí))1/(2fC)=1/(2創(chuàng)p100創(chuàng)0010-6)=15.9W4 .濾波電抗L的計(jì)算選取主開關(guān)器件工作頻率fK=NfO=32'100=3200Hz由于移相原因，輸出線電壓的開關(guān)頻率變

4、為：2fK=6400HZ取濾波電路固有諧振頻率f'=1/(2LC)=fK/6=533.3Hz2226則：L=#(4fC)=#(4533210010)=880H實(shí)選用L=900uH由止匕特征阻抗乙=乒=如0/100=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。逆變電路UiC=!=L' R UuO圖3逆變電路輸出電路圖4空載時(shí)的矢量空載時(shí)：空載時(shí)的矢量圖如圖4所示，由圖4可得:= 2pfoL=2Jp 100創(chuàng)900 10-6 = 0.5652( W)&&)300,、&am

5、p;=18.9(A)ZLZc15.9()UL=I&?ZL18.9?0.565210.7(V)。&=Uo-i&二300-1.5=298.5(V)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=0.8的矢量圖分別如圖5和圖6所不圖5 cosj =1.0時(shí)的矢量圖圖6 cos =0.8時(shí)的矢量圖cos=1。_-1q = tan：Z/1r)=tan 1C-1Il=iR+iC=(3005)2+(30015.9)2=62.9(A)u&=ZL?&0.5652?62.935.6(V)i&=，30C2+35.存-2?cos(9d1

6、7.5)倉(cāng)值0035.6=286.1QV)。這說明8國(guó)= 3002+28.83- 2? cosyf 19.79)倉(cāng)300 28.83=309.65V)負(fù)載最重時(shí)本設(shè)計(jì)中，負(fù)載最重為過載150%寸，功率因數(shù)最低為0.8,止匕時(shí)：300 300 1.5 300 300135.35o20- &=1.寵=-=35.35A)q =tan1=26.15Zlc Zc8.3 15.9( )15 3006.251.0時(shí)，即使?jié)M載，輸出電路也是升壓的。&0-&C=300-300=300-300=17.2(A)cos=0.8*ZlcZc8.315.3')-117.28oq=tan=1

7、9.793006.25&=砥+(&,-&)2=J(300/6.2517.21=51.01(A)u&=ZL?&0.5652?51.0128.83(V)單相橋式電路輸出電壓為：u=0.708EO考慮要保留“死區(qū)”間隔(圖7所示)以及開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)有壓降，因而輸出電壓實(shí)際只能達(dá)到：u=0.708K(E-mV產(chǎn)t)。其中：m=2；k為“死區(qū)”間隔引起的k=TiPt壓降系數(shù)：T,貝U：K=156.25-5.0=0.968,八156.25本設(shè)計(jì)中取"CEL)=3V，則：U=0.708創(chuàng)0.968(E-3?2),考慮(350- 3? 2) 235.7(V)T

8、T實(shí)際取為："=240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=0.70的R.68圖7死區(qū)“間隔”示意圖3.2.3逆變電路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，具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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&=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u。為基準(zhǔn)矢量，變壓器原方電壓um=Nuo,付方電流I。如圖示(滯后)，原方電流IL1=Io/NUABUoN :1圖8

9、電壓匹配電路圖-L1IL1 =-LlO由22 O ,可得2.wLi =wN LuL1 =wL1IL1 = wN2LI L1 = wN2L (I O/N)= NwLI O = NuL由矢量圖可得：uAB = Nui,Uab 240N= T = = 0.7684ui312.333,考慮變壓器內(nèi)阻和激磁等原因，調(diào)整變比N= 0.7533N和原方電流：1.02。故，取實(shí)際的變比為0.7533,C1IL1?(1.031.05) -Io1(1.031.05) = I。(1.031.05)一 1IL1 /長(zhǎng)、=88.7 創(chuàng) 1.04 = 122.46(A)()0.7533( )一 1I. 3妒、=137.2

10、 倉(cāng)I 1.04 =189.42 (A)()0.7533( )。將電感折算到原邊得:22 .L. = N2L = (0.7533)倉(cāng)200 10 =510.7(mH)3.2.4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：IT（長(zhǎng)）=346（A）,、（短）=189.42（A）開關(guān)器件中電流峰值：ITP（長(zhǎng)）=、'嘰（長(zhǎng)）171.12ITP（短）=、2?ILie豆）2?189.42267.8（A）在連續(xù)情況下安全裕量選為2,則：1T=21Tp的=2?173.18346.36（a）,在過載情況下安全裕量選為"，則：1"%®）"5?267.8401.

11、7©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=J3J2I2（VA）=18kVA（單相為仿囚勺，輸入功率為：p1=U1I1（VA）那么p可按下式求得近似值：P=艮=8-=18.94（kVA）h0.95P+P218+18.94變壓器的額定功率:P=-=18.47(kVA)222、計(jì)算電流（I1）巳=1.1?£86.8(A)I2=£=3=60(A)U1240U

12、2300,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=K7P=1.3W18.47103=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:KPSC176.672、SC邑=一=192.04(cm2)_KcKc0.92式中一般KC=0.89；冷軋硅鋼帶的Kc=0.92O根據(jù)算出的SC求硅鋼片中間舌寬a國(guó)家規(guī)范可查手冊(cè)得到選擇a=120mm。鐵心疊厚b的計(jì)算,SC 創(chuàng)00b =a_ 192.04 100一 120= 160(mm)b=磔=1.333z取b=160mm,a120在12之間。窗高系數(shù)a取為2.3

13、,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=4.44fNBmSC?10-8(V)可得NO=N=-=0.098(匝/伏)E4.44創(chuàng)0013000?176.67經(jīng)過計(jì)算得初級(jí)：N1=U1?NO240?0.09823.53他）實(shí)際取為56匝。次級(jí).N2=(1.051.1期2NO=1.1創(chuàng)3000.098=32.34匝)實(shí)際取為90匝。5、計(jì)算各線圈導(dǎo)線直徑I=pd2j=s?j(A)導(dǎo)線電流：4I260s2 = = 24(mm)j 2.5，7rr，、除=1.1%(mm)G='=34.72(mm)原邊:j2.5,副邊:6、校核鐵心窗口面積變

14、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22原副邊導(dǎo)線帶絕緣尺寸大概為4.857.40mm和4.368.40mm。276-2?2m1=1=34原邊每層匝數(shù)：7.40'1.05；_276-2?2m2=-1=29.8副邊每層匝數(shù)：8.40'1.05;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)

15、的合理設(shè)計(jì)，就可以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。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羽作用是才O肖二階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=KzkS式中，Kr_重復(fù)控制器的增益，zk超前環(huán)節(jié)，S一一濾波器濾波器S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，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(才可以由二階低通濾波器S(z)和零相移陷波器S2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P

16、ID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12(Kp+Ki+Kd)-(Kp+2Kd)z1+Kdz2D=TT式中，&稱為比例系數(shù)，Ki稱為積分系數(shù)，Kd稱為微分系數(shù)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?？刂谱饔玫膹?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)

17、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

18、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。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SD4.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)4.3.1 MOSFE怖紹MOSFE程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(jiǎn)稱VMOSFE球VMOS,作為開關(guān)器件，其常態(tài)是阻斷狀態(tài)，即VMOS者B是增強(qiáng)型MOSFETMOSFET為N溝道和P溝道兩類。N溝道VMOS的導(dǎo)通電流的方向是從漏極D到源極S;P溝道MOS的導(dǎo)通方向是從源極S到漏極DoVMOS管的工作原理是，源極S接零電位，漏極D接正電位，當(dāng)柵極接正電壓時(shí)，由于電荷感應(yīng)，在P區(qū)感應(yīng)出電子，電子的累積便形成N溝道。源極S和漏極D之間便產(chǎn)生了電流。因此，柵極G上的電壓的大小，決定了源極S與漏極D之間的電流大小S 1GDDDISSN溝道P溝道a）b）圖14.mofET結(jié)溝圖和電氣圖4.3.2 SG