正弦波逆变器的设计.doc

1、1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，其中有一部分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，供电时间比较有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比较大，所以需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR） 、可关断晶闸管（GTO ） 、晶体管（BJT） 、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、复合化方向发展，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，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成

2、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发展，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2此，研究开发既简单又具有优良动

3、、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，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。3第二章 设计总体思路2.1 总体框架图驱动电路SPWM 控制电路滤波电路输出 220V交流电调频电路输入180250V直流电逆变电路 升压电路电

4、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，其中有一部分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，供电时间比较有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比较大，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4瞬间停电（几秒以内） 。2）逆变电源的输入直流电压为 180285V ，而 UPS 内置电池电压为12V 或 24V。12.2 局部电路2.2.1 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， 1

5、80 反偏，且 V1 和 V2 互补，V 3 和 V4互补关系不变。V 3 的基极信号只比 V1 落后 q ( 0q 180)，V3、V 4 的栅极信号分别比 V2、V 1 的前移 180-q， uo 成为正负各为 q 的脉冲，改变 q 即可调节输出电压有效值。图 2.2.1 电压型逆变电路电压型逆变电路的特点(1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动(2) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同(3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。52.2.2 电流型逆变电路直流电源为电流源的逆变电路电流型逆变电路。一般在直流侧

6、串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源。交流侧电容用于吸收换流时负载电感中存贮的能量。电流型逆变电路主要特点：(1) 直流侧串大电感，相当于电流源。(2) 交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同。(3) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。换流方式有负载换流、强迫换流。VT1VT4 是桥式电路的 4 个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。VT1、VT4 闭合，VT2、VT3 断开时，负载电压 uo为正 VT1、VT4 断开，VT2、VT3 闭合时，u o为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换

7、频率，可改变输出交流电频率。图 2.2.2 电流型逆变电路及其波形6电阻负载时，负载电流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同。阻感负载时，i o 滞后于 uo，波形也不同（图 2.2.2b） 。t1 前：S 1、S 4 通，u o 和 io 均为正。t1 时刻断开 S1、S 4，合上 S2、S 3，u o 变负，但 io 不能立刻反向。io 从电源负极流出，经 S2、负载和 S3 流回正极，负载电感能量向电源反馈，io 逐渐减小，t2 时刻降为零，之后 io 才反向并增大。2.2.3 全桥正弦逆变器图 2.2.3 示出单相全桥逆变器的原理电路及波形。其中 H 桥和滤波电路完成直流到交流的变

8、换,滤去谐波，获得交流电；控制电路完成对 H 桥中开关管的控制，并使输出交流电的电压、频率和波形定。如图 2.2.3 所示，Vd 是直流电压源，S1S4 是 4 个 IGBT 开关管，L 和 C 是滤波电感和滤波电容，用于滤除逆变系统中的高次谐波。RL 和 RC 是滤波电感和滤波电容的等效串联阻抗。z 是负载，负载可以是纯阻性也可以是非线性等。图 2.2.3 全桥逆变主电路7图 2.2.4对逆变器的控制主要包括对 SPWM 的控制(即 H 桥开关管开关方式)和对 SPWM 脉宽的控制二部分。SPWM 的控制方式可分为单极性和双极性二种。在传统的单极性或双极性控制方式中，开关管均工作在高频条件下

9、，这样虽然可以得到较理想的正弦输出电压波形，但也产生了较大的开关损耗，且频率越高，损耗越大。SPWM 的生成原理及波形如图 2.2.4 所示。由于采用正弦波调制波(Ussintst)与三角波载波(幅值为 Uc 的正三角波，频率为 c)相交来获得 SPWM 波，因此，基波频率为调制波的频率，基波幅值与调制比 M(M=Us/Uc)成正比关系，谐波含量少。正弦逆变器常采用 SPWM 控制，利用调制波控制输出波形频率，调整 M来控制输出电压幅值。工作时，H 桥中 Sl、S4 在前半周期内以图2 中的 SPWM 信号闭合，S2、S3 断开；在后半周期内 S1、S4 断开，S2、S3 以 SPWM 信号闭

10、合。故在整个周期内 H 桥输出波形如图1(b)所示。这样，对该波形进行滤波，即可获得频率为 s。，幅值正比 M 与调制比 M 的正弦交流电82.3 正弦波输出变压变频电源调制方式2.3.1 正弦脉宽调制技术随着逆变器控制技水的发展电压型逆变器出现了多种的压、变频控制方法。目前采用较多的是正弦脉宽调制技术即 sPwM 控制技术。在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目前国内外研究得比较多的主要有数字 PID 控制、无差拍控制、双环反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等。本文所采用的是外环为平均值环、内环为瞬时值环的双环控制策略。内环通过瞬时值控制获得快速的动态性能，保证变压变

11、频电源输出电压畸变率较低，外环使得变压变频电源在各个频率段的输出电压具有较高的精度，并使用 DSPTMS320F240 全数字的控制实现。单相全桥式电压型 SPWM 逆变器电路拓扑结构图如图 2.3.1所示。图 2.3.1 中 S1S4 的通断由正弦脉宽调制产生的信号来控制。SPWM 正弦脉宽调制可分为双极性调制方式、单极性调制方式和单极性倍频调制方式。9图 2.3.12.3.2 单极性调制方式单极性调制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。但又不是固定其中一个桥

12、臂始终为低频(输出基频)，另一个桥臂始终为高频载波频率)，而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。2.3.3 双极性调制方式双极性调制方式的特点是 4 个功率管都工作在较高频率(载波频率)，虽然能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。102.3.4 单极性倍频调制方式单极性倍频调制方式的特点足输出 SPWM 波的脉动频率是单极性的两倍，4 个功率管都工作在较高频率(载波频率)，因此，开关管损耗与双极性相同。2.4 3 种调制方式下逆变器输出电压谐波分析用 MathcAD 可推导出 3 种不同调制方式下逆变器输出电压各次谐波有效值与频率的关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；f0 为正弦波输出变频变压电源的输出电压频率。 控制电路采用 r TMS320F240 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