KVA三相逆變器的設(shè)計

1、3KVA三相逆變器設(shè)計 1概述隨著各行各業(yè)自動化水平及控制技術(shù)的發(fā)展和其對操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備（如通信電源、電弧焊電源、電動機變頻調(diào)速器等）都不是直接使用交流電網(wǎng)作為電源，而是通過形式對其進行變換而得到各自所需的電能形式，它們所使用的電能大都是通過整流和逆變組合電路對原始電能進行變換后得到的。當今世界逆變器應(yīng)用非常廣泛。逆變器是將直流變?yōu)槎l定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電的變換器，傳統(tǒng)方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路實現(xiàn)，但由于其含有較大成分低次諧波等缺點，近十余年來，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，全控型快速半導(dǎo)體器件BJT，IGBT，GTO 等的發(fā)展和PWM 的控制技術(shù)的日趨完善，使

2、SPWM 逆變器得以迅速發(fā)展并廣泛使用。PWM 控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和周期以達到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)，SPWM 控制技術(shù)又有許多種，并且還在不斷發(fā)展中，但從控制思想上可分為四類，即等脈寬PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM 法），磁鏈追蹤型PWM 法和電流跟蹤型PWM 法，其中利用SPWM 控制技術(shù)做成的SPWM 逆變器具有以下主要特點：（1）逆變器同時實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響。（2）可獲得比常規(guī)六拍階梯波更接近正弦波的輸出電壓波形，低

3、次諧波減少，在電氣傳動中，可使傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈沖的大大減少，擴大調(diào)速范圍，提高系統(tǒng)性能。（3）組成變頻器時，主電路只有一組可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)，由于采用不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)接近于1，且與輸出電壓大小無關(guān)。本次課程設(shè)計要完成的是設(shè)計容量為3KVA的三相逆變器。初始條件為：輸入直流電壓220V。要求輸出220V三相交流電，完成總電路的設(shè)計，并計算電路中各元件的參數(shù)。2設(shè)計方案2.1主電路結(jié)構(gòu)選擇逆變器主電路結(jié)構(gòu)的選取應(yīng)該遵循以下幾個原則：應(yīng)選用盡量少的開關(guān)器件，這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性，并且降低成本；盡量減少逆變電源中的電容值、電感值和電容電感元件在逆變電源中的數(shù)量，這樣可以減小整個逆

4、變電源設(shè)備的體積，提高其可靠性，同時也應(yīng)該降低設(shè)備的成本；電路拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)該有利于逆變電源最終輸出電壓中諧波的消除，輸出電壓頻率及幅值的調(diào)節(jié)。鑒于以上諸項要求，本文所設(shè)計的逆變器主電路采用的是全橋式結(jié)構(gòu)。2.2方案論證在逆變器電路的設(shè)計中，控制方法是核心技術(shù)。早期的控制方法使得輸出為矩形波，諧波含量較高，濾波困難，而SPWM技術(shù)較好地克服了這些缺點。SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）正弦脈寬調(diào)制技術(shù)：通過對一系列寬窄不等的脈沖進行調(diào)制，來等效正弦波形（幅值、相位和頻率）SPWM 容易實現(xiàn)對電壓的控制，控制線性度好，本文所設(shè)計的逆變電源采用SPWM控制方

5、式。3電路分析3.1主電路圖3.1是SPWM逆變器的主電路，圖中VlV6是逆變器的六個功率開關(guān)器件，各由一個續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個逆變器由恒值直流電壓U供電。一組三相對稱的正弦參考電壓信號由參考信號發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率，應(yīng)在所要求的輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)。參考信號的幅值也可在一定范圍內(nèi)變化，決定輸出電壓的大小。三角載波信號Uc是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波 Uda，Udb，Udc作為逆變器功率開關(guān)器件的驅(qū)動控制信號。3.1電源電路當UruUc時，給V1導(dǎo)通信號，給V4關(guān)斷信號，Uun =-Ud/2。Uuv的波形可由Uu

6、n- Uvn得出，當1和6通時，Uuv=Ud，當3和4通時，Uuv=-Ud，當1和3或4和6通時，Uuv=0。輸出線電壓PWM波由Ud和0三種電平構(gòu)成負載相電壓PWM波由(2/3)Ud,(1/3) Ud和0共5種電平組成。防直通的死區(qū)時間同一相上下兩臂的驅(qū)動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時間決定。死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。3.2抗干擾電路本設(shè)計采用了光電隔離器，光電隔離器可以很簡單將主回路的強電和控制回路的弱電相隔離，使主回路和控制回路更好的結(jié)合。光電隔離器的電路示意圖如圖3.3所示

7、。圖3.2光電隔離器3.3逆變電路 逆變電路的作用是將直流電壓轉(zhuǎn)換成梯形脈沖波，經(jīng)低通濾波器濾波后，從而使負載上得到的實際電壓為正弦波，逆變電路是由4個IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）組成的全橋式逆變電路組成，如圖3.5所示。 圖3.3 逆變電路4 LC濾波器參數(shù)的選取4.1 濾波電容C的設(shè)計 濾波電容C的作用是和濾波電感一起來濾除輸出電壓中的高次諧波，保證輸出電壓的THD要求，從減小輸出電壓THD的角度考慮，C越大越好。但從另一個角度來看，在輸出電壓不變的情況下，濾波電容C增大意味著無功電流的增加，增加了逆變器的電流容量，同時也將導(dǎo)致體積重量增加，降低系統(tǒng)效率。因此，濾波電容的選

8、取原則是在保證輸出電壓的THD滿足要求的情況下，取值盡量小。 在濾波電容的選取中，一般取其無功電流,為輸出電流最大有效值。按單相輸出3300VA，則輸出電流最大有效值為：可得： 由于： 可得： 4.2 濾波電感L的設(shè)計輸出濾波電路之所以能提高輸出波形的質(zhì)量，是因為逆變橋輸出調(diào)制波形中的高次諧波主要降在濾波電感兩端。因此要保證電容兩端的諧波含量較低，濾波電感的高頻阻抗與濾波電容的高頻阻抗相比不能過低，即濾波電感的感量不能太小。此外濾波電感的增大，還會使電流變化變慢，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間變長。而減小濾波電感，則可以改善電路的動態(tài)性能，但是會增大電感電流的脈動量。故選取電感值，要綜合考慮。根據(jù)電路原理

9、，若在電感兩端施加一時間為的電壓，則電感的電流變化量可表示 為： 當正弦調(diào)制信號瞬時值為是，輸出脈沖寬度為： 在穩(wěn)定后的理想系統(tǒng)中，輸出電壓可表示為:在時間內(nèi)S1或D1導(dǎo)通，濾波電感的電流上升，其脈動量為從上式可以看出當時，電流脈動最大。最大電流脈動可以用下式算得： 從上式可以看出，濾波電感上的最大諧波電流和電感L的值成反比。 根據(jù)工程經(jīng)驗一般取電感的最大脈動量不超過電感電流最大值的20%，即： 4.3 濾波器諧振頻率的選擇對于單相雙極性SPWM半橋逆變器而言，橋臂輸出電壓中含有高次諧波，且它的最低次位于開關(guān)頻率的下邊帶處。濾波器的主要作用是濾除輸出電壓中的高次諧波，為了更好的濾除開關(guān)頻率及附

10、近頻帶的諧波，LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率通常取在1/10開關(guān)頻率一下；同時將濾波器的轉(zhuǎn)折頻率設(shè)在10倍基波頻率以上，以保證輕載時不會在基波分量處發(fā)生諧振。本文中開關(guān)頻率為fs=16kHz.基波頻率為f1=50Hz,故Lc濾波器的轉(zhuǎn)折頻率fn應(yīng)滿足：500Hz1.6kHz4.4 濾波器參數(shù)確定綜合考慮以上各因素，最后選出的濾波電感和電容的值如下:濾波電感L=2mH濾波電容C=24.7uf 濾波電感上最大電流脈動為：考慮極限情況，當逆變器帶榮性滿載時，在輸出電壓過零時刻，流過電感的點流瞬時值最大，該值為： 電感電流最大脈動量占電流最大值的百分比為： 可見，該值超過了20%（工程經(jīng)驗值），即電感的取值還應(yīng)

11、稍微偏大。5 心得體會兩個周的電力電子課程設(shè)計3KVA三相電壓型逆變器設(shè)計就要結(jié)束了，雖然課程設(shè)計的時間比較短，但我卻收獲了很多值得總結(jié)和值得我銘記于心的知識和認識。通過本次課程設(shè)計，我進一步了解了PWM控制技術(shù)的基本原理，以及它在逆變器中所起的作用。開始課程設(shè)計的時候，由于我們學(xué)的都是一些嵌入式方面的理論知識，牽涉到實際的我們幾乎一無所知，所以我們組的成員都不知道該怎么入手，我們通過請教老師，以及上網(wǎng)查詢等通道，終于順利的完成數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的各方面設(shè)計。這樣一個過程使我的理論知識得到了試驗和應(yīng)用，使我的理論知識得到了進一步的提高，對逆變器的基本工作原理和控制方法有較為清晰的認識?？傊@次課程設(shè)計不但讓我學(xué)到了很多的東西，提高和鞏固了多方面的知識，同時也增強了我的動手能力，這些并不是在課堂上可以學(xué)到的。在完成運動控制課程設(shè)計后,我發(fā)現(xiàn)我還有許多不足,所學(xué)到的知識還遠遠不夠，在以后的時間里我將繼續(xù)對各方面的知識的學(xué)習(xí)。這次計算機控制技術(shù)課程設(shè)計順利地完成了，在此期間，雖然我遇到了這樣或那樣的問題，但經(jīng)過自己的努力和不懈探求，最終克服了種種難關(guān)。同時，它讓我明白學(xué)習(xí)知識，不僅要掌握書本上的基本內(nèi)容，還要靈活思考，善于變換，這樣才能找到最優(yōu)設(shè)計，達到事半功倍的效果。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。