1、湖南工程学院课程设计任务书课程名称：电力电子技术题目：正弦波逆变器的设计专业班级：学生姓名：学号：指导老师：审批：任务书下达日期设计完成日期设计内容与设计要求一,设计内容：1 .分析逆正弦波逆变器的结构及功能2 .介绍正弦波逆变器技术要求和主回路3 .正弦波逆变器主电路设计（主电路的选用依据和原那么，主电路的设计及分析，主开关的选用依据和原那么，元器件定额及选型）4 .正弦波逆变器控制电路设计及选型二、设计要求：1、思路清晰，给出整体设计和电路图;2、给出具体设计思路和电路；3、写出设计报告；主要设计条件1.正弦波逆变器输入电源是直流电压DCl80-285V,输出电压是单相交流AC220V,5
2、0HZ;输出功率1000W.设计要求，提供实验室.说明书格式1 .课程设计封面；2 .任务书；3 .说明书目录；4 .正文5 .总结与体会；6 .参考文献7、课程设计成绩评分表进度安排1：课题内容介绍和查找资料；2:总体电路设计和分电路设计;3:写设计报告，打印相关图纸;4.辩论参考文献1、电力电子技术2 .现代逆变技术及其应用3 .交流电机变频调速技术目录第一章概述4第二章设计总体思路5总体框架图错误!未定义书签。局部电路6电压型逆变电路6电流型逆变电路63.1 .3全桥正弦逆变器7正弦波输出变压变频电源调制方式7正弦脉宽调制技术7单极性调制方式8双极性调制方式8单极性倍频调制方式83.4
3、3种调制方式下逆变器输出电压谐波分析9第三章主电路设计10有工频变压器的逆变电源主电路设计10电路形式103.5 参数设计10逆变变压器10开关管113.6 无工频变压器的逆变器主电路设计11电路形式113.3.2参数设计11第四章控制电路设计H总控制电路错误!未定义书签。4.2控制局部电路12放大电路设计12驱动电路13第五章.总结与心得13附录（总电路图）14参考文献14第一章概述电力系统变电站和调度所的继电保护和综合自动化管理设备有的是单相交流供电的，其中有一局部是不能长时间停电的。普通UPS设备因受内置蓄电池容量的限制，供电时间比拟有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比拟大，所以
4、需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。电力电子器件的开展经历了晶闸管（SCR）,可关断晶闸管（GTO）、晶体管（BJTk绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向开展，与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了到达这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠
5、性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。随着电力电子技术的飞速开展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的4个功率管都工作在较高频率（载波频率），从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，
6、损耗越大1。本文针对正弦波输出变压变频电源SPWM调制方式及数字化控制策略进行了研究，以TMS320F240数字信号处理器为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变频输出。第二章设计总体思路电力系统变电站和调度所的继电保护和综合自动化管理设备有的是单相交流供电的，其中有一局部是不能长时间停电的。普通UPS设备因受内置蓄电池容量的限制，供电时间比拟有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比拟大，所以需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。逆变电源的工作原理与UPS有以下两点区别：1）逆变电源不需要与交流电网锁相同步，因为其负载可以瞬间停电（几秒以内）。2）逆变电源的输入直
7、流电压为180285V,而UPS内置电池电压为12V或24V。1局部电路电压型逆变电路可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。各栅极信号为180。正偏，180。反偏，且Vl和V2互补，V3和V4互补关系不变。V3的基极信号只比Vl落后q(0q =-W、2 Fms,n L ZfN1 + VZsin-2)；2）对单极寸生调制方式S(Z)=sin Sin1 2sin(l I十分）2r)(2)3）对单极，性倍频调制方式V、2rJf.-1sinZW2)对单极性调制方式如上公式（2）对单极性倍频调制方式如上公式（3）式中：M为调制比；N为载波比；f为正弦波输出变频变压电源的输出电压频率。控制电
8、路采用rTMS320F240数宁信号处理器，主要任务是在定时中断内完成变压变频控制。控制程序由主程序和一个定时中断程序组成，主程序主要完成读取给定电压，过流判断，平均值外环计算等功能。定时中断程序完成采样输出电压，实时计算出下个开关周期输出的脉宽。3种调制方式下逆变器输出电压未经滤波前，单极性调制方式及双极性调制方式下逆变器输出电压谐波分量主要集巾在升关频率及其倍频附近，且单极性调制方式下逆变器输出电压谐波分量比双极性要小。单极性倍频调制方式下输出电压的谐波分量主要在2倍升关频率及4倍开关频率附近。选择WPwM逆变器的输出LC滤波器的转折频率为开关频率的I/10,LC滤波器对开关频率及其倍频附
9、近的谐波具有明显的衰减作用。第三章主电路设计有工频变压器的逆变电源主电路设计电路形式有工频变压器的逆变电源主回路根本工作过程可以理解，可以把它设计成以IGBT为开关管的桥式逆变电路形式，如下图。图有工频变压器的逆变电源主回路电源为180V285VDC,四个开关管分别为Trl,Tr3,Tr2,Tr4.图中，TrITM为IGBT开关管，Cl为串联耦合(去耦)电容，防止变压器因单相偏磁而饱和，T为隔离升压变压器，C2为输出滤波电容，L为输出滤波电感。参数设计逆变变压器变压器输出220VAC的峰值为31IV,考虑到变压器副边绕组电压峰值设为315V,原边在考虑去耦电容Cl的压降后，最低电压时为170V
10、所以变压器的匝比n为n=N2Nl=315V170V弋1.85电源输出功率也就是变压器的输出功率Po=100OW。设变压器的效率nr=95%,那么原边效率Pl=Porl060W因为变压器是变换SPWM电压波形，其基波(50HZ)的成分相当大，所以我们可以选择40OHZ的硅钢C型铁芯,其Ke=O.9,BIn=L2T,Kc可选为,j=3Amm2=3*10(2*3)Am2,所以铁芯面积乘积为AeAc=1200(l+0.95)/0.95*4.44*50*0.9*0.3*3*10(2*31.14*10(2+3)(m2+2)=1MOcm2可以选取CD型400HZ硅钢铁芯。查出截面积Ae,求出有效面积Se=
11、Ae*Ke,然后就可以由下面的两个公式先求出原边匝数，再求出副边匝数。Nl=VlmaxZ(KfSeBm)N2=Nln导线截面：副边Q1.8(mm2),选中漆包线两股并绕;原边仁3.43(nun2),漆包线三股并绕。开关管最高电压为285V,所以开关管的耐压可选为600V。开关管的峰值电流：Im=3Ilm31（八）选IGBT的电流定额为40A。3.3无工频变压器的逆变器主电路设计电路形式我们知道，无工频变压器的逆变电源实际上包含两局部：一套DC/DC和一套SPWM逆变器。DC/DC的设计这里我们不讨论。所以，这里只讨论SJPWM逆变主电路，其电路形式如下图。图电源350V,各个管子分别为Trl,
12、Tr3,Tr2,Tr4.3.参数设计.1开关管逆变器允许输出峰值电流为Im=3Iom=3*-所以开关管的电流定额可以选为600V。我们可以选30A,600V,TO-247封装的IGBT管。.2LC滤波1.为工频电感，电感量可选为12mH。为减小噪声，选闭合铁芯，C为工频电容，可以选CBB61-10F-250VAC(,第四章控制电路设计主电路在上面已经介绍过了。这里主要介绍逆变控制电路。逆变电源控制电路的核心是SPWM发生器。SPWM的实现包括分立电路、集成芯片和单片机实现。它们的电气性能和本钱有所不同，各有自己的优势和缺乏之处。逆变电源SPWM电路的调制频率固定为50HZ不变，为了降低本钱，我
13、们这里用分立电路组成，图4.1正弦波发生器和三角波发生器分别见下两图、。RC桥式正弦波振荡电路原理如图8-2所示，图中集成运放A作为放大器，RC串并联网络组成选频网络，同时也作为振荡器的正反应网络，RI、Rf组成电压负反应以起到稳定和改善输出波形的作用。图图中RI=R2,Cl=C2。其中R1和R2为同轴双联电位器的阻值，C2和C2为波段开关电容的数值。通过改变R2和C2的值就可以改变输出正弦波的频率。RC串并联选频网络震荡频率fO=1211RC三角波产生电路图Cl=O.l,C2=0.1,Rl=l00k,R3=10k,R4=2k,Rf=1M,R=100k.以标准的正弦波信号为参考，将输出电压的反
14、应信号与之相比拟，经由ICl及其外围电路组成的Pl型误差放大器调节后得到一个控制信号，送到IC2去调制三角波，既可得到SPWM波形。IC3和IC4分别为正负值比拟器，它们的输出信号分别IC5和IC6,从而将SPWM交替地分成两路，各自放大后驱动相应的开关管对，控制主回路完成SPWM逆变。需要注意的是，驱动电路要将每一路信号分成相互隔离的两路，分别驱动处于对角位置上的两只开关管。以上控制电路的特点是不仅能控制正弦波输出的有效值，还能调节输出电压的瞬时值,优化波形，减小谐波失真，提高带负载能力。4.2控制局部电路放大电路设计差分驱动放大电路放大电路说明因为所设计的控制电路输出的波形信号是比拟微弱的
15、完全不能直接的驱动IGBT的导通。所以我们必须要设计一个放大器来对PWM信号进行放大在输出的。其实放大器的选择又很多种选法，具体是选择什么样的型号是根据自己所设计的系统的质量和精度的要求来选用的。在这里我采用的是FET差分式放大电路。如下列图的所示的为恒流源的JFET差分放大电路。漆黑中JFETT1、T2是差分对管，BJTT3T4及R1、R2、R3组成恒流源电路，用于抑制共模信号，该电路是单入一单出查封放大电路，其差模电压增益为AYD2-=式中g”为T1、via2驱动电路IGBT驱动器接线图IGBT驱动说明采用三菱公司的专用混合集成驱动器。这种驱动器同一系列的不同型号其引脚和接线根本相同，只
16、是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅度值等参数有所不同。混合集成驱动器内部具有退饱和和检测和保护环节。当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT,并向外部电路给出故障信号。第五章总结与心得这次实习我学到了很多。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。在体会设计的艰辛的同时.，更让我体会到成功的喜悦和快乐。通过这两个星期的课程设计，从开始任务到查找资料，到设计电路图，到最后的实际接线过程中，我学到了课堂上学习不到的知识。上课时总觉得所学的知识太抽象，没什么用途，现在终于认识到了它的重要性。平时上课老师讲的内容感觉都听明白了，但真正到了用的时
17、候却不怎么会用了，经过这次课程设计才知道,要真正学好一门课程,并不是把每一章的内容搞懂就行了，而是要将每一章的内容联系起来,融会贯穿，并能够应用到实践中去.通过这次课程设计，我学到了不少新知识、新方法、新观点。这次设计不但锻炼了我的学习能力、分析问题与解决问题的能力，同时也锻炼了我克服困难的勇气和决心。逆变，是对电能进行变换和控制的一种根本形式，现在逆变技术是综合了现代电力电子开关器件的应用、现在功率变换、模拟和数字电子技术。PWM技术、频率及相位调制技术、开关电源技术和控制技术等一门实用技术，已被广泛地用于工业和民用领域中地各种功率变换系统和装置中。一开始接触这个课题时我还不知道该从何下手，很多东西不知该如何实现，经过2星期的努力，在图书馆和网上查资料，请教同学，终于是完成了任务，但由于自己对知识掌握的不好，设计中有很多缺乏和错误的地方，希望老师能帮我找出并指出，我一定虚心接受老师的指导，把这次设计做到更好。总的来说这个设计还是比拟顺利的，在这里要感谢老师的指导，让我们少走了很多弯路，也感谢学校给了我们一个好的学习环境，感谢同学们的帮助。希望以后学校能多给我们一些课程设计的课题，能让我们在步入工作岗位之前有更高的专业水平。附录（总电路图）参考文献1、王兆安黄俊.电力电子技术（第4版）.机械工业出版社
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