8KVA单相逆变器设计与仿真解读.pdf

《8KVA单相逆变器设计与仿真解读.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《8KVA单相逆变器设计与仿真解读.pdf（22页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、- 1 - 8KVA单相逆变器设计与仿真 姓名： 班级： 学号： 同组同学： - 2 - 一设计 1.1 技术要求 1、输出电压 V0（相） ：220V 2、输出功率 P0：8KVA 3、输出频率 f ：60HZ 4、过载倍数： 2 倍 5、负载功率因数cos：0.8-1 1.2 单相逆变电路 因为输出功率为8KVA ，所以选择单相全桥逆变电路。单相全桥逆变电路，如图 1 所示。 图 1 单相全桥逆变电路 1.3 负载参数计算 负载输出部分电路图，如图2 所示 图 2 负载输出电路 1. 负载电阻最小值计算 当 cos=1时，负载电阻计算计算公式为公式（3-1） ；当 cos=0.8 时，负载

2、 电阻计算公式为公式（ 3-2） 05.6 8000 220 2 0 2 0 P V R (3-1) - 3 - 5625.7 8.08000 220 cos 0 2 0 2 S V R （3-2） 2. 负载电感最小值计算 负载无功功率 1L Q为 KVASQ L 8145.437sin8sin 01 o (3-3) 负载电感感抗 1LZ为 053.10 5.4814 220 2 1 2 0 1 L L Q V Z (3-4) 负载电感 L1 为 mH667.26 602 053.10 f2 1 1L Z L（3-5） 1.4 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

3、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 C Z为 106.20053.1022 1LC ZZ (4-1) 滤波电容 C为 uF fZ C L 997.131 106.20602 1 2 1 1 (4-2) 实际取值 130uF,由 13 个 10uF的电容构成 电容阻抗实际值 1C Z为 4148.20 10130602 1 2 1 6 1 fC ZC （4-3） 1.5 无隔离变压器时，逆变器输出电流有效值 长期最大电流 （长）O I为 9268.37) 4148.20 220 () 05.6 220 ( 22 (长）O I （5-1） - 4 -

4、 短期最大电流 短）(0 I为 5214.73) 4148.20 220 () 05.6 2202 ( 22 (短）O I（5-2） 1.6 无隔离变压器时，逆变器输出电流峰值 长期电流峰值 长）(OP I为 6366.539268.3722 (长）长）OOP II（6-1） 短期电流峰值 短）(OP I为 975.1035214.7322 (短）短）OOP II（6-2） 1.7 滤波电感计算 1. 滤波电感的作用 1).减小输出电压的谐波电压 2).保证滤波电压的传输 2. 设计滤波器时应该注意以下问题 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（例60倍频） 2).LC 2

5、 应该远小于 1（即1 2LC ) 3). R L 应较小 根据设计滤波器时要注意的问题要求而选择6 .1L 滤波电感 L 为 mH f L246.4 602 6.1 2 6.1 （7-1） 实际取值为 5mH 所以滤波电感感抗 L Z为 884.11056022 3 fLLZL (7-2) 滤波电路的固有频率 f为 HZ LC f511.197 101301052 1 2 1 63 （7-3） 10923.0 2 LC满足要求 - 5 - 1.8 逆变电路输出电压 滤波及负载部分电路图，如图3 所以 图 3 滤波及负载部分电路图 在过载 2 倍的情况下： 1. 1cos 时（即纯阻性） 电感

6、电流 L I与 R I间的夹角为 4286.8) 4148.202 05.6 arctan() 2 arctan( C Z R （8-1） 电感电流 L I为 521.73) 05.6 2202 () 4148.20 220 ()2( 2222 RCL III (8-2) 电感 L 上的压降 L V为 VZIV LLL 514.138884. 1521.73 (8-3) 逆变电路的输出电压 i V为 VVi1835.242)4268.890cos(514.1382202514.138220 22 （8-4） 2. 8 .0cos 时（即阻感性） 负载电感电流 1L I与滤波电容电流 C I之差

7、为 9915.32 4148.20 220 053.10 22022202202 1 1 CL CL ZZ II (8-5) - 6 - CL II 1 与 R I之间的夹角为 555.29) 5625.7 2202 9915.32 arctan()arctan( 1 R CL I II （8-6） 电感电流 L I为 8847.66)9915.32() 5625.7 2202 ()()2( 222 1 2 CLRL IIII (8-7) 电感 L 上的压降为 L V为 VZIV LLL 0107.126884.18847.66 (8-8) 逆变电路的输出电压 i V为 VVi7 .302)5

8、55.2990cos(0107.12622020107.126220 22 (8-9) 1.9 主开关器件的耐压 主开关器件的耐压根据所有工作情况下的最高电压考虑，主开关器件所承受的最 高电压一般出现在输入电压最高、输出负载最轻时， 选主开关器件耐压为实际工作电 压的 2 倍。 取逆变电路在过载情况下的输出电压的2 倍，即V4 .60527 .302。在留有一定 裕量下，实际选 650V耐压的开关器件。 1.10 输出滤波模型 输出滤波电路图，如图4 所示 图 4 输出滤波电路 根据输出滤波电路写出如下关系式 1 riVoVi dt di L（10-1） 01 ii dt dVo C（10=2

9、） - 7 - 将式（ 9-1） 、 （9-2）变换形式后的式（ 9-3） 、 （9-4） 11 riVoViLsi（10-3） o iiCsVo 1 （10-4） 根据（ 9-3） 、 （9-4）画出输出滤波仿真模型，如图5 所示 图 5 输出滤波仿真模型 输出电压 Vo与输入电压 Vi 的关系式为 o i rCsLCs rLs Vi rcsLCs Vo 11 1 22 （10-5） 1.11 单相逆变器的控制策略 1. 电压单闭环控制系统 单闭环控制系统仿真模型，如图6 所示 图 6 单闭环控制系统仿真模型 在给定输入 Vi 与负载扰动输入 io 共同作用下下，闭环输出Vo（s）为 )(

10、)1()( )( )( )1()( 2323 2 sIo KsKsKrCLCs rLss sVi KsKsKrCLCs KsKsK Vo iPdiPd iPd 其闭环特征方程)(sD为 iPd KKsKrCLCssD)1()()( 23 （11-2） - 8 - 主导极点 21、 S为 2 21 1 rrrr jS、（11-3） 非主导极点 3 S为 )105( 3 nnS rr （11-4） 期望的特征方程)(sDr为 )(2()()()( 22 321rrrrrrrrr nsssssssssD（11-5） 根据极点配置法求解，得 rCLCnK rrd )2(（11-6） 1) 12( 22

11、 LCnK rrP （11-7） LCnK rri 3 （11-8） r是阻尼比r是自然振荡频率 L 为滤波电感C 为滤波电容 当8.0 r 、3500 r 、10n、6.0r时，代入到（ 11-6） 、 （11-7） 、 （11-8） 中求得 8825.108 P K222950 i K02176. 0 d K 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7、图 8、图 9 所示 图 7 双闭环控制系统仿真模型1 （负载扰动在内环之外） - 9 - 图 8 双闭环控制系

12、统仿真模型2 （负载扰动在内环之内） 图 9 双闭环控制系统仿真模型3 （引入负载电流前馈补偿） 如图 7 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器的过 流保护，但对负载扰动的抗干扰性弱。 如图 8 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。 如图 9 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。 双闭环系统闭环特征方程 )(sD 为 LC KK s LC KKKK s LC CKKK s LC KrC

13、ssD iiiPiPiPP p 21122122213 241 )( (11-9) 四阶系统期望闭环主导极点 21、 S为 2 21 1 rrrr jS、（11-10） - 10 - 非主导极点 3 S、 4 S为 rr mS3（11-11） rr nS4（11-12） 期望的四阶系统特征方程)( r sD为 )()(2()( 22 rrrrrrrr nsmssssD（11-13） 根据极点配置法求解，得 42 0rr LCmna（11-14） 32 1 )2( rrr mnnmLCa（11-15） 22 2 )22(1 rr mnnmLCa（11-16） rr nmLCa)2( 3 （11-

14、17） P i P K CKa K 2 22 1 1 （11-18） i i K a K 2 0 1 （11-19） r C a K P 3 2 （11-20） 0)1 ( 0 2 2221 2 22 3 2 aKKKaKaCK PiPii （11-21） 将8.0 r 3500 r 10nm6.0r，代入（ 11-14）到（ 11-21）求得 9 0 1024.6a 6 1 1030.3a4025.721 2 a04.0 3 a 0923.307 2P K059.53 2i K3459. 2 1P K7326.5267 1i K - 11 - 二仿真 2.1 电压单闭环控制系统仿真 电压单闭

15、环控制系统仿真模型，如图10所示 Vi io Vo Sine Wave Scope5 Scope Pulse Generator Product PID(s) PID Controller 1 s Integrator1 1 s Integrator -K- Gain3 1/3 Gain2 -K- Gain1 -K- Gain 图 10 电压单闭环控制系统仿真模型 给定为幅值 311V、频率 60HZ的交流信号时 当在 0.0208s 时加入负载最小电阻6.05， 0.054s 时去掉负载时，负载电流 0 i 的 波形如图 11 所示，输出电压 0 V 的波形如图 12 所示 图 11 负载电

16、流 0 i 的波形 - 12 - 图 12 输出电压 0 V 的波形 当在 0.0208s 时加入 6.05负载，峰值电压下凹到 293V,在 0.054s 去掉负载时， 峰值电压凸起到 328V。突加、突减负载对系统影响较明显。 当在 0.0208s 时加入 3负载， 0.054s 时去掉负载时，输出电压 0 V 波形如图 13 所示 图 13 输出电压 0 V的波形（ R=3时） 在加入、去除负载时，输出电压波形有比较明显的波动。在 0.0208s 加入负载时， 波峰电压下凹到了276.8V，与峰值相差了 34.2V；在 0.054s 去除负载时，波峰电压 凸起到了 347V，比峰值电压高

17、了36V。突加，突减负载对系统影响比较明显。 - 13 - 0 V的 FFT分析，如图 14所示 00.020.040.060.080.1 -200 0 200 Selected signal: 6 cycles. FFT window (in red): 2 cycles Time (s) 0246810121416 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Harmonic order Fundamental (60Hz) = 310.9 , THD= 0.02% M a g ( % o f F u n d a m e n t a l) 图 14 0 V的 FFT分析 由

18、图 14 可知，输出电压 0 V峰值为 310.9V，存在的主要谐波次数是1.5 次谐波。 当负载增加 10 倍，即在 0.0208s 时加入 30的负载，在 0.054s 时去掉负载， 输出电压 0 V的波形，如图 15所示 图 15 输出电压 0 V的波形（ R=30时） - 14 - 由图 15 知，在 0.0208s 时突加负载，波峰电压下凹到307V；在 0.054s 时突减 负载，波峰电压凸起到313.2V。负载越大，突加、突减负载对系统的影响就越小， 当负载大到一定时，突加、突减负载对系统基本上没有什么影响。 当负载减小 10 倍，即在 0.0208s 时加入 0.3的负载，在

19、0.054s 时去掉，输出 电压 0 V的波形，如图 16 所示 图 16 输出电压 0 V的波形（ R=0.3） 由图 16 知，在 0.0208s 突加负载时，峰值电压最低下凹到125.2V，在 0.054s 突减负载时，峰值电压最高凸起到688.6V。负载电阻减小 10 倍时，突加、突减负载 对系统影响很大，在突减负载时，峰值电压有正常电压的2 倍左右。 给定为幅值 311V、频率 60HZ的交流信号，负载电阻为3，滤波电容为 130uF 将滤波电容增大10倍后( 即 C=1300uF)，输出电压 0 V的波形，如图 17 所示 图 17 输出电压 0 V的波形（ C=1300uF) -

20、 15 - 在 0.0208s 突加负载时，峰值电压最低下凹到296.8V；在 0.054s 突减负载时， 峰值电压凸起到 324.4V。滤波电容增大 10 倍，使在突加、突减负载时系统更稳定。 改变滤波电容后， 0 V的 FFT分析，如图 18 所示 00.020.040.060.080.1 -200 0 200 Selected signal: 6 cycles. FFT window (in red): 2 cycles Time (s) 0246810121416 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x 10 -5 Harmonic order Fundamental (60Hz)

21、 = 311.1 , THD= 0.00% M a g ( % o f F u n d a m e n ta l) 图 18 输出电压 0 V的 FFT分析（ C=1300uF) 将滤波电容减小10倍（即 C=13uF)，输出电压 0 V的波形，如图 19 所示 图 19 输出电压 0 V的波形（ C=13uF) 在 0.0208s 突加负载时，峰值电压最低下凹到223V ；在 0.054s 突减负载时，峰 值电压最高凸起到422V ；滤波电容减小 10 倍时，突减、突减负载对系统影响比较大， - 16 - 且在突加、突减时，输出电压波形有明显的振荡。 比较图 13、图 15、图 16 可得，

22、加入负载越小，负载电流越大，突加、突减负载 时系统波动越大，系统越不稳定；加入负载越大，输出波形越接近于给定信号。比较 图 17、图 19 可得，滤波电容对系统的稳定性有很大的影响，滤波电容越小，突加、 突减负载时，系统波动越大；滤波电容越大，突加、突减负载时，系统波动较小，比 较接近于给定信号。 2.2 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20、21、22 所示 图 20 双闭环控制系统仿真模型1（负载扰动在内环外） 图 21 双闭环控制系统仿真模型2（负载扰动在内环之内） - 17 - 图 22 双闭环控制系统仿真模型3（引入负载电流前馈补偿） 给定为幅值 311

23、V、频率 60HZ的交流信号 当在 0.0208s 时突减 6.05的负载，在 0.054s 时突减负载，负载电流 0 i 的波形 如图 23所示， 0 V 的波形如图 24、25、26所示 图 23 负载电流 0 i 的波形 在 0.0208s 时加入负载，加入负载时有一定的波动，在0.054s 时去掉负载。 - 18 - 图 24 输出电压 0 V 的波形（负载扰动在内环外） 在 0.0208s 加入负载时，峰值电压下凹到了293.3V, 在 0.054s 突减负载时，峰 值电压凸起到了 330V。突加、突减负载对系统稳定性有一定影响。 图 25 输出电压 0 V 的波形（负载扰动在内环之

24、内） 在 0.0208s 突加负载时，峰值电压下凹到了307.5V，在 0.054s 突减负载时，峰 值电压凸起到了 314V，与给定信号相差不大。比较图24 和图 25 可知，负载扰动在 内环之内的系统比负载扰动在内环外的系统，有更好的抗干扰性能。 - 19 - 图 26 输出电压 0 V 的波形（引入负载电流前馈补偿） 在 0.0208s 突加负载时，峰值电压下凹到了307.5V, 在 0.054s 突减负载时，峰 值电压凸起到了 314V。引入负载电流前馈补偿的系统和负载扰动在内环之内的系统， 具体相差不多的稳定性能，抗干扰性能都比负载电流在内环外的系统要好。 双闭环控制系统三种仿真模型

25、中 0 V 的 FFT分析波形是一样的，如图27所示 00.020.040.060.080.1 -200 0 200 Selected signal: 6 cycles. FFT window (in red): 2 cycles Time (s) 0246810121416 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Harmonic order Fundamental (60Hz) = 312 , THD= 0.02% M a g ( % o f F u n d a m e n t a l) 图 27 输出电压 0 V 的 FFT分析 由图中可知，输出电压 0 V 的主要谐

26、波次数是1.5 次谐波。 - 20 - 当负载电阻改成3时，输出电压 0 V 的波形如图 28 图 28 输出电压 0 V 波形（负载电流扰动在内环外） 当 0.0208s 突加负载时，峰值电压下凹到276.3V，0.054s 突减负载时，峰值电 压凸起到 348V。与图 24 相比，可知突加的负载电阻值减小，负载电流增大，系统的 波动也就越大，系统稳定性减弱。 当给定为幅值 311V 、频率 60HZ的交流信号时，负载电阻为6.05，将输出滤波 电容缩小 10（即 C=13uF ）时，输出电压 0 V 的波形如图 29、30、31 所示 图 29 输出电压 0 V 的波形（负载电流扰动在内环

27、外） 在 0.0208s 突加负载是，峰值电压下凹到272.7V, 当 0.054s 突减负载时，峰值 电压凸起到 349.5V。与图 24 相比知，在突加、突减负载时系统波动大了些。 - 21 - 图 30 输出电压 0 V 的波形（负载电流扰动在内环之内） 图 31 输出电压 0 V 的波形（引入负载电流前馈补偿） 在 0.0208s 突加负载时，峰值电压下凹到287.3V，在 0.054s 突减负载时，峰值 电压突起到 333.5V。 0 V 的 FFT分析，如图 32所示 00.020.040.060.080.1 -200 0 200 Selected signal: 6 cycles

28、. FFT window (in red): 2 cycles Time (s) 0246810121416 0 1 2 3 4 x 10 -9 Harmonic order Fundamental (60Hz) = 311.1 , THD= 0.00% M a g (% o f F u n d a m e n ta l) 图 32 输出电压 0 V 的 FFT分析 由图知电容减小10倍后，主要谐波次数变成了2k 次谐波，主要是2、4 次谐波 - 22 - 比较图 12、24、25、26 可知，双闭环控制系统的抗干扰性能要好于单闭环控制 系统，负载电流扰动在内环之内的系统和引入负载电流前馈补偿的系统抗干扰性能要 好于负载电流扰动在内环外的系统。 比较图 13、15、16可知，突加、突减的负载越小，相应的负载扰动电流越大， 对系统的影响也越大，负载扰动电流越大，系统波动越大。 比较图 13、17、19可知，在突加、突减相同负载的前提下，输出滤波电容的大 小也会影响系统的抗干扰性能， 滤波电容越小， 系统抗干扰性能越差， 滤波电容越大， 系统抗干扰性能越好。