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1、单相逆变器设计与仿真班 级 12级电气7班 学 号 1210200825 姓 名 何 东 技术要求：逆变器类型：单相逆变器输出额定电压：825V输出额定功率：25KVA输出额定频率：50HZ功率因素：0.8过载倍数：1.5、设计主电路参数；、建立数学模型，给出控制策略，计算控制器参数；、建立仿真模型，给出仿真结果，对仿真结果进行分析。目录一、单相逆变器设计- 5 -1、技术要求- 5 -2、电路原理图- 5 -3、负载参数计算- 6 -3.1、负载电阻最小值计算- 6 -3.2、负载电感最小值计算- 6 -3.3、滤波电容计算- 7 -4、无隔离变压器时，逆变器输出电流计算- 7 -4.1、长
2、期最大电流 - 8 -4.2、短期最大电流- 8 -5、无隔离变压器时，逆变器输出电流峰值- 8 -5.1、长期电流峰值- 8 -5.2、短期电流峰值- 8 -6、滤波电感计算- 9 -6.1、滤波电感的作用- 9 -6.2、设计滤波器时应该注意的问题- 9 -6.3、设计滤波器的要求- 9 -7、逆变电路输出电压（滤波电路输入电压）- 10 -7.1、空载- 10 -7.2、 额定负载纯阻性- 10 -7.3、额定负载阻感性- 11 -7.4、过载纯阻性- 12 -7.5、过载阻感性- 12 -8、逆变电路输出电压- 13 -9、逆变电路和输出电路之间的电压匹配- 14 -10、根据开关压降
3、电流选择开关器件- 14 -11、开关器件的耐压- 15 -12、单相逆变器的数学模型- 15 -13、输出滤波模型- 16 -14、单相逆变器的控制策略- 17 -14.1、电压单闭环控制系统- 17 -14.2、电流内环、电压外环双闭环控制系统- 18 -二、单相逆变器仿真- 22 -1、输出滤波电路仿真- 22 -2、电压单闭环控制系统仿真- 23 -3、电流内环、电压外环双闭环控制系统- 25 -一、单相逆变器设计1、技术要求输出额定电压：825V输出额定功率：25KVA输出额定频率：50HZ功率因素：0.8过载倍数：1.5 2、电路原理图 + R LE C - 图1 单相全桥逆变电路
4、设计步骤：（1）、根据负载要求，计算输出电路参数。（2）、根据输出电路输入端要求计算逆变电路参数。（3）、根据逆变电路输出端要求计算输入端参数。（4）、根据逆变电路输入端参数计算输入整流电路参数。（5）、输入与输出之间有电流匹配或电气隔离时加变压器。3、负载参数计算 负载输出部分等效电路图，如图2所示 图2 负载输出电路3.1、负载电阻最小值计算 1).当cos=1时， （3-1） 2).当cos=0.8时， （3-2）3.2、负载电感最小值计算负载无功功率为 （3-3）负载电感感抗为 （3-4） 负载电感L1为 （3-5）3.3、滤波电容计算滤波电容与负载并联，对逆变电路输出电流影响较大，所
5、以设计滤波电路时选择滤波电容取滤波电容容抗等于负载电感感抗的2倍。滤波电容容抗为 (3-6)滤波电容C为 (3-7) 实际取值35uF的电容，电容阻抗实际值为 (3-8)4、无隔离变压器时，逆变器输出电流计算（有效值，设计变压器，滤波电感时参考） 0 0 图3 纯阻性相量图：（） 图4 阻感性相量图：4.1、长期最大电流 (4-1)4.2、短期最大电流 1).纯阻性： (4-2) 2).阻感性： (4-3)5、无隔离变压器时，逆变器输出电流峰值（选开关器件时参考）5.1、长期电流峰值 = （5-1）5.2、短期电流峰值 = （5-2）6、滤波电感计算6.1、滤波电感的作用 1).减小输出电压的
6、谐波电压（L大） 2).保证滤波电压的传输（L小）6.2、设计滤波器时应该注意的问题 1).滤波电路固有频率应远离输出电压中可能出现的谐波频率 2).应该远小于1（即) 3).应较小，（R按最重负载时考虑）6.3、设计滤波器的要求 根据设计滤波器时要注意的问题要求而选择取时，滤波电感L为 （6-1）实际取值为1.9mH所以滤波电感感抗为 (6-2)验证：滤波电路的固有频率为 （6-3） 满足要求7、逆变电路输出电压（滤波电路输入电压）滤波及负载部分电路图，如图5所示 图5 滤波及负载部分电路图设电感电流与间的夹角7.1、空载 此时， 0 故，升压。7.2、 额定负载纯阻性 0 此时：7.3、额
7、定负载阻感性 0 负载电感电流与滤波电容电流之差为 此时，与之间的夹角为 电感电流为 电感上的压降为为 逆变电路的输出电压为7.4、过载纯阻性 此时：7.5、过载阻感性 0 负载电感电流与滤波电容电流之差为 此时，与之间的夹角为 电感电流为 电感上的压降为为 逆变电路的输出电压为8、逆变电路输出电压 逆变电路：单相全桥电路： 整流电路：考虑到电路管压降、电阻、电感压降，取450V考虑桥臂上下互补通断时需保留“死区”间隔，以及开头管压降影响：，取。，取，取290V9、逆变电路和输出电路之间的电压匹配理想变压器：考虑变压器内阻、电压损耗等原因，N略作调整：N（实），（取1.03），（长）（短）10
8、、根据开关压降电流选择开关器件（长）（短）（长），选500A，经济性好。（短），选550A，可靠性高。11、开关器件的耐压主开关器件耐压，要根据所有情况下所承受的最高工作电压考虑。主开关器件承受最高电压时刻一般出现在输入电压最高、输出负载最轻的情况下：空载：额定电压选择实际工作情况的2倍（耐压）：， 取1200V耐压水平的开关器件。12、单相逆变器的数学模型r：考虑滤波电感L的等效串联电阻，死区效应，开关管导通压降，结跏电阻等逆变器中各种阻尼因素的综合等效电阻。L、C：低通滤波器：电感电流：逆变器输出电压：直流电压：滤波电路输入电压/逆变电路输出电压/输出电路输入电压：负载电流，可看做系统的一
9、个外部干扰输入量，即符合逆变电路多样化情况，又可以建立一个形式简单且不依赖于负载类型的逆变器数学模型。13、输出滤波模型输出滤波电路图，如图6所示 图6 输出滤波电路根据输出滤波电路写出如下关系式 （13-1） （13-2） 将式（13-1）、（13-2）变换形式后的式（13-3）、（13-4） （13-3） （13-4）根据（13-3）、（13-4）画出输出滤波仿真模型，如图7所示图7 输出滤波仿真模型输出电压Uo与输入电压Ui的关系式为 （13-5）14、单相逆变器的控制策略14.1、电压单闭环控制系统单闭环控制系统仿真模型，如图8所示 图8 单闭环控制系统仿真模型在给定输入与负载扰动输入
10、共同作用下下，闭环输出为 （14-1） 其闭环特征方程为 （14-2）主导极点为 （14-3）非主导极点为 （14-4）期望的特征方程为 （14-5）根据极点配置法求解，得 （14-6） （14-7） （14-8）其中： 是阻尼比 是自然振荡频率 为滤波电感 为滤波电容 当、时，其中、， 代入到（14-6）、（14-7）、（11-8）中求得 14.2、电流内环、电压外环双闭环控制系统将滤波电感电流或滤波电容电流瞬时值作为反馈量引入控制系统，设置电流内化改善系统动态性能。双闭环控制系统仿真模型有三种情况，如图9、图10、图11所示：如图9所示，模型1中负载扰动在内环之外，其优点是能方便的实现逆变
11、器的过流保护，但对负载扰动的抗干扰性弱。图9 双闭环控制系统仿真模型1如图10所示，模型2中负载扰动在内环之内，其对负载扰动的抗扰性能要强于模型1，但其电感电流不受限制，不能通过限流实现对逆变器的保护。图10 双闭环控制系统仿真模型2如图11所示，模型3中引入了负载电流前馈补偿，电感电流受到了限制，系统也能根据负载扰动的变化及时的调整，抗扰性也比较好。图11 双闭环控制系统仿真模型3双闭环系统闭环特征方程为 (14-9)四阶系统期望闭环主导极点为 （14-10）非主导极点、为 、 （14-11）期望的四阶系统特征方程为 （14-12）根据极点配置法求解，得 （14-13） （14-14） （1
12、4-15） （14-16） （14-17） （14-18） （14-19） （14-20） 其中： 将 ，其中、，代入（14-13）至（14-20）中求得 二、单相逆变器仿真1、输出滤波电路仿真输出滤波仿真模型，如图12所示图12 输出滤波仿真模型仿真结果：图13 输出电压的仿真波形图14 输出电压波形的FFT分析基波主要在50HZ处，谐波主要公布在600HZ处，THD=3.20%，与分析结果基本相符。2、电压单闭环控制系统仿真电压单闭环控制系统仿真模型，如图15所示 图15 电压单闭环控制系统仿真模型仿真结果：图16 输出电压的仿真波形图17 输出电压波形的FFT分析基波主要分布在50HZ处
13、，输出电压为783V，THD达到了1.59%。3、电流内环、电压外环双闭环控制系统双闭环控制系统仿真模型，如图18、21、24所示图18 双闭环控制系统仿真模型1（负载扰动在内环外）仿真结果：图19 输出电压的仿真波形图20 输出电压波形的FFT分析基波主要分布在50HZ处，输出电压为830.4V，THD达到了0.64%。图21 双闭环控制系统仿真模型2（负载扰动在内环之内）仿真结果：图22 输出电压的仿真波形图23 输出电压波形的FFT分析基波主要分布在50HZ处，输出电压为830.4V，THD达到了0.64%。图24 双闭环控制系统仿真模型3（引入负载电流前馈补偿）仿真结果：图25 输出电压的仿真波形图26 输出电压波形的FFT分析基波主要分布在50HZ处，输出电压为830.4V，THD达到了0.64%。- 36 -