恒壓恒頻正弦波逆變電源

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 2\o"CurrentDocument"主電路設計 2\o"CurrentDocument"主電路原理 2\o"CurrentDocument"AC-DC原理分析 2\o"CurrentDocument"DC-AC逆變器原理分析 4\o"CurrentDocument"主電路參數計算 5\o"CurrentDocument"整流部分設計計算 5逆變部分設計計算 6\o"CurrentDocument"控制系統(tǒng)設計 7\o"CurrentDocument"SPWM控制原理 7\o"CurrentDocument"PI調節(jié)器的設計 10\o"CurrentDocument"控制電路的設計 10\o"CurrentDocument"驅動電路設計 10\o"CurrentDocument"4.MATLAB仿真設計 11\o"CurrentDocument"MATLAB簡介 11\o"CurrentDocument"CVCF正弦波逆變電源電路 12\o"CurrentDocument"仿真結果及分析 12\o"CurrentDocument"總結 15\o"CurrentDocument"參考文獻 16恒壓恒頻正弦波逆變電源(50V,500W)設計摘要現代電路中，恒壓恒頻逆變電源有著廣泛的應用。本文就設計一個恒壓恒頻正弦逆波變電源展開。將輸入為220V/50HZ的單相交流電進行AC-DA-AC的變換。通過對主電路，控制系統(tǒng)，驅動電路和輔助電源的設計，達到一個滿足設計要求的輸出為50V,功率為500W的恒壓恒頻電源恒壓恒頻電源的設計。并且設計完成后，將電路用MATLAB進行仿真，觀察仿真結果。通過仿真結果和理論比較，進一步驗證設計的正確性。關鍵詞：整流逆變 SPWM調制主電路設計主電路原理由于輸入為單相交流電源，輸出也為單相交流電源。所以主電路應該包括AC-DC，DC-AC兩部分。AC-DC原理分析本文的整流電路部分采用橋式整流電路?，F將其電路圖及其工作原理介紹如下。橋式整流電路原理圖如圖1-1所示。橋式整流器是利用二極管的單向導通性進行整流的最常用的電路，常用來將交流電轉變?yōu)橹绷麟?。這種電路，只要

增加兩只二極管口連接成"橋"式結構，便具有全波整流電路的優(yōu)點，而同時在一定程度上克服了它的缺點。圖1-1橋式整流電路圖橋式整流電路的工作原理如下：e2為正半周時，對DI、D3和方向電壓，Dl，D3導通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構成e2、Dl、RfzD3通電回路，在Rfz,上形成上正下負的半波整洗電壓，e2為負半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導通；對DI、D3加反向電壓，DI、D3截止。電路中構成e2、D2Rfz、D4通電回路，同樣在Rfz上形成上正下負的另外半波的整流電壓。以上兩種工作狀態(tài)分別如圖1-2(a)和圖1-2(b)所示。圖1-2橋式整流電路的工作原理示意圖(a)圖1-2橋式整流電路的工作原理示意圖（b）1.1.2DC-AC逆變器原理分析逆變器通俗的講就是一種將直流電（DC）轉化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成.單相恒壓恒頻率正弦波逆變器電源一般用在對電源質量要求很高的場合。總的原理是直流經振蕩電路產生脈動直流（開關管間斷導通關閉）或交流電再通過變壓器在次極感應出所需電壓的交流電。逆變器的工作原理：直流電可以通過震蕩電路變?yōu)榻涣麟姷玫降慕涣麟娫偻ㄟ^線圈升壓（這時得到的是方形波的交流電）對得到的交流電進行整流得到正弦波單相逆變器主電路主要有半橋式、全橋式、推挽式3種，拓撲結構如圖1-3所示。圖1-3單相逆變器主電路拓撲結構（1）半橋電路輸出端的輸出的電壓波形幅值僅為直流母線電壓值的一半，因此，電壓利用率低；但在半橋電路中，可以利用兩個大電容C1、C2會補償不對稱的波形，這是半橋電路的優(yōu)點所在。（2）全橋電路和推挽電路的電壓利用率是一樣的，均比半橋電路的利用率大1倍。但全橋、推挽式電路都存在變壓器直流不平衡的問題，需要采取措施解決。（3）推挽電路主要優(yōu)點是電壓損失小，直流母線電壓只有一個開關管的管壓降損失；此外，兩個開關管的驅動電路電源可以共用，驅動電路簡單。推挽式比較適合低壓輸入的場合。低壓輸入的推挽式變壓器原邊繞組砸數較少，一般采用并繞方式，以增加兩繞組的對稱性，工藝上難度較大。它的優(yōu)點是：結構簡單，開關變壓器磁芯利用率高，推挽電路工作時，兩只對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小。缺點是：變壓器帶有中心抽頭，而且開關管的承受電壓較高；由于變壓器原邊漏感的存在，功率開關管關斷的瞬間，漏源極會產生較大的電壓尖峰，另外輸入電流的紋波較大，因而輸入濾波器的體積較大。中、大容量逆變器多采用全橋結構，它的控制方法比較靈活，主要有雙極性和單極倍頻兩種。對于開關器件的選擇，小容量逆變器多用MOSFET，大容量正弦波輸出地逆變器多用IGBT，特大容量逆變器選擇GTO。本次設計采用全橋式逆變電路。1.2主電路參數計算整流部分設計計算主電路整流部分電路設計如圖1-4口二SourceSerie&圖1-4主電路整流電路由于采用不控橋式整流電路整流，所以：整流電壓平均值為U=0.9U=0.9X220二198Vd2二極管承受的最大正向電壓為扌U2=155-6V承受的反向電壓為、邁卩2=312V要使整流后電壓連續(xù)需滿足wRC2込，不妨取C=0.1F。1.2.2逆變部分設計計算逆變部分電路設計如圖1-5LR輸出原邊部分電阻電容參數R,L，為了使電路損耗較小R盡量取得小，取R=5Q，L=0.55mH逆變器原邊輸出電壓U=mU=198x0.8=158.4V1d要得到電壓U=35V，則有變壓器變比k二空4二4.532 35得到正弦波幅值U =35⑵=50V2maxU2因為要求功率為P二500W，R=―十=5Q，考慮到電路中變壓器及電P感的損耗，取R=4Q控制系統(tǒng)設計SPWM控制原理在采樣控制理論中有一個重要的結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。如把各輸出波形用傅式變換分析，則其低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖2-1a、b、c所示的三個窄脈沖形狀不同，圖2-1a為矩形脈沖，圖2-lb為三角形脈沖，圖2-1C為正弦半波脈沖，但它們的面積(即沖量)都等于1，那么，當他們分別加在具有慣性的同一個環(huán)節(jié)上時，其輸出響應基本相同。脈沖越窄，其輸出的差異越小。當窄脈沖變?yōu)閳D2-ld的單位脈沖函數5(t)時，環(huán)節(jié)的響應即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數。

上述結論是PWM控制的重要理論基礎。下面分析如何用一系列等幅而不等寬的脈沖代替一個正弦半波，把圖2-2a所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積（沖量）相等，就得到圖2-2b所示的脈沖序列。這就是PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據沖量相等效果相同的圖2-2PWM控制的基本原理示意圖原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM(SinusoidalPWM)波形。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數改變各脈沖的寬度即可。以上介紹的是PwM控制的基本原理，按照上述原理，在給出了正弦波頻率、幅值和半個周期內的脈沖數后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。但是，這種計算是很繁瑣的，正弦波的頻率、幅值變化時，結果都要變化較為實用的方法是采用調制的方法，即把所希望的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過對載波的調制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角形作為載波，因為等腰三角形上下寬度與高度成線性關系且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調制信號波形相交時，如在交點時刻控制電路中開關器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合P枷控制的要求。當調制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。一般根據三角波載波在半個周期內方向的變化，又可以分為兩種情況。三角波載波在半個周期內的方向只在一個方向變化，所得到的PWM波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式，如圖2-3所示。圖2-3單極性PWM控制方式原理本設計采用單極性SPWM控制方式。PI調節(jié)器的設計在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分控制，簡稱PI控制，又稱PI調節(jié)。PI控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PI控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數時，最適合用PI控制技術。其傳遞函數W=K+K，本設計采用K=100,K=0.1sps pi控制電路的設計本課程設計SPWM模塊的具體電路模型如圖2-4所示。圖2-4SPWM產生模塊其中載波頻率為10KHZ，調制比為0.8。驅動電路設計驅動電路是主電路與控制電路之間的接口電路。合理的驅動電路可以使開關管工作在較理想的狀態(tài)下，縮短開關時間，減小開關損耗，提高系統(tǒng)的運行效率另外，有些保護措施往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現。驅動電路的基本作用是：將信息電子電路傳來的信號轉換為加在器件控制回路中的電壓或者電流，應該具有一定的功率，使器件能夠可靠地開通或關斷。驅動電路往往還需要提供電氣隔離環(huán)節(jié)。目前，在常用的驅動電路中，廣泛使用的電力電子器件是MOSFET和IGBT,變壓器隔離驅動的驅動脈沖的占空比必須小于50%，否則變壓器的磁通不能復位。而采用SPWM調制方式時，開關管的驅動脈沖不可避免的有超過50%的情況，因此，小容量逆變器中，電力MOSFET多采用高壓隔離驅動的集成芯片，而在中大容量逆變器中，IGBT則采用厚膜集成驅動電路模塊。MATLAB仿真設計4.1MATLAB簡介在科學研究和工程應用中，往往要進行大量的數學計算，其中包括矩陣運算。這些運算一般來說難以用手工精確和快捷地進行，而要借助計算機編制相應的程序做近似計算。目前流行用Basic、Fortran和c語言編制計算程序，既需要對有關算法有深刻的了解，還需要熟練地掌握所用語言的語法及編程技巧。對多數科學工作者而言，同時具備這兩方面技能有一定困難。通常，編制程序也是繁雜的，不僅消耗人力與物力，而且影響工作進程和效率。為克服上述困難美國Mathwork公司于1967年推出了“MatrixLaboratory"（縮寫為Matlab）軟件包，并不斷更新和擴充。目前最新的5.x版本（windows環(huán)境）是一種功能強、效率高便于進行科學和工程計算的交互式軟件包。其中包括：一般數值分析、矩陣運算、數字信號處理、建模和系統(tǒng)控制和優(yōu)化等應用程序，并集應用程序和圖形于一便于使用的集成環(huán)境中。在此環(huán)境下所解問題的Matlab語言表述形式和其數學表達形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程。不過，Matlab作為一種新的計算機語言，要想運用自如，充分發(fā)揮它的威力，也需先系統(tǒng)地學習它。但由于使用Matlab編程運算與人進行科學計算的思路和表達方式完全一致所以不象學習其它高級語言--如Basic、Fortran和C等那樣難于掌握。實踐證明,你可在幾十分鐘的時間內學會Matlab的基礎知識，在短短幾個小時的使用中就能初步掌握它?從而使你能夠進行高效率和富有創(chuàng)造性的計算。Matlab大大降低了對使用者的數學基礎和計算機語言知識的要求，而且編程效率和計算效率極

高，還可在計算機上直接輸出結果和精美的圖形拷貝，所以它的確為一高效的科研助手。自推出后即風行美國，流傳世界。4.2CVCF正弦波逆變電源電路CVCF正弦波逆變電源電路如圖4-1iNtTILMI；卜口*zreri ?-LR3Jtehl^DtiCi：FfeaEinirerHi!：：'FxhhCVCF正弦波逆變電源電路如圖4-1iNtTILMI；卜口*zreri ?-LR3Jtehl^DtiCi：FfeaEinirerHi!：：'Fxhh$m￡RL1：E^rchGLfEEfPaijfci?!pgH!勺」iIGET2耐時r抑fcfe-iillBridie!錠幗fap:曲吒@二^弓]V3Fd---igeriicen2=:*=圖4-1CVCF正弦波逆變電源電路電路主要包括整流、逆變、SPWM、PI調節(jié)、輔助電源等等模塊組成。仿真結果及分析搭建好電路圖以后，開始運行仿真，然后觀察各個示波器，得到以下各部分的波形圖。圖4-2為輸入220V/50Hz的電壓波形和整流后的波形。

圖4-2220V/50Hz的電壓波形和整流后的波形說明：圖4-2中，橫軸為時間，縱軸為電壓。上面波形為交流輸入波形。下面波形為整流后的波形。根據理論，整流電路中，當電容趨向于無窮大時，整流出來的波形為一條直線。由于沒有無窮大電容，所以本設計中采用0.1F的電容，得到圖4-2的整流波形。整流后的波形不是一條直線，但滿足THD<5%的誤差條件。圖4-3為經過逆變后的電壓波形（沒有經過變壓器）的波形圖圖4-3逆變后的電壓波形（變壓器原邊）圖4-4為經過逆變后的變壓器副邊的電壓波形

圖4-4逆變后的變壓器副邊的電壓波形說明：圖4-3和圖4-4