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逆变器的概述 逆变器(inverter)是将交流电能变换成直流电能的过程称为整流,把完成整流功能的电路称为整流电路,把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器与之相对应,把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变,把完成逆变功能的 电路称为逆变电路,把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器它由逆变桥、 控制逻辑和滤波电路组成主要用于把直流电力 转换成交流电力一般由升压回路和逆变桥式回路构成升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压;逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压逆变器主要由晶体管等开关元件构成,通过有规则地让开关元件重复开-关(ON-OFF),使直流输入变成交流输出广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、 电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、油烟机、冰箱,录像机、__器、风扇、照明等引言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(__T)、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;二是动态性能好因此,研究__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,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__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1正弦波逆变器的设计要求和主电路形式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)逆变电源的输入直流电压为180~285V,而UPS内置电池电压为12V或24V
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1.1逆变电源的设计要求和目标1)输出电压输出为单相220VAC(有效值),频率为50Hz±1Hz2)输出功率以1KW为例,允许过载20%,既Po__x=1200W3)输出电流允许失真度为3倍,既在电压峰值时的电流峰值允许最大为有效值的3倍最大有效值为Po__x/Voe=1200W/220V≈
5.5A4)整机效率设计目标η≥82%
1.2主电路形式选择这种正弦波输出逆变器的输入电压变化范围较宽,为180~285V,而其输出则要求是稳压的因此,该逆变电源的逆变电路必须有一个升压的过程这种逆变电源的主回路形式有下述两种桥式逆变电路以SPWM方式工作,将185~285VDC电压逆变成有效值基本不变的SPWM波形,由工频变压器升压得到220V交流电压这种电路方式效率比较高(可达90%以上)、可靠性较高、抗输出短路的能力较强但是,它响应速度较慢,波形畸变较重,带非线性负载的能力较差,而且噪声大逆变电路以PWM方式首先将185~285VDC电压逆变成高频方波,经高频升压变压器升压,再整流滤波得到一个稳定的直流电压,比如350VDC这部分电路实际上是一套直流/直流变换器,既DC/DC或DC-DC然后,在由另一套逆变器以SPWM方式工作,将稳定的直流电压逆变成有效值稍大于220V的SPWM电压波形,经LC滤波后,就可以得到有效值为220V的50Hz交流电压2有工频变压器的逆变电源主电路设计
2.1电路形式有工频变压器的逆变电源主回路基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,如图(2-1)所示图(2-1)有工频变压器的逆变电源主回路电源为180V~285VDC,四个开关管分别为Tr1Tr3Tr2Tr
4.图中,Tr1~Tr4为IGBT开关管,C1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
2.2参数设计变压器输出220VAC的峰值为311V,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C1的压降后,最低电压时为170V,所以变压器的匝比n为n=N2/N1=315V/170V≈
1.85(2-1)电源输出功率也就是变压器的输出功率Po=1200W设变压器的效率ηr=95%,则原边效率P1=Po/ηr≈1260W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400Hz的硅钢C型铁芯,其Ke=
0.9Bm=
1.2TKc可选为
0.3,j=3A/mm²=3*10²*³A/m²,所以铁芯__乘积为AeAc=12001+
0.95≈
1.14*10ˉ²+³m²+²=___0cm²+²(2-2)可以选取CD型400Hz硅钢铁芯查出截__Ae,求出有效__Se=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N1=V1__x/KfSeBm(2-3)N2=N1/n(2-4)导线截面副边S2=I2/j=
5.5/3≈
1.8mm²选Φ
1.2mm漆包线两股并绕;原边漆包线三股并绕最高电压为285V,所以开关管的耐压可选为600V开关管的峰值电流(2-5)选IGBT的电流定额为40A所以,我们可以选用三星公司的SGH80N60VFD、IR公司的IRGPC50VD
2、HARRIS公司的HGTIY40N60B3D、IXYS公司的IXGH50N60__I等,封装形式都是TO-2473无工频变压器的逆变器主电路设计
3.1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部分一套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,其电路形式如图(3-1)所示图(3-1)单相SPWM逆变主电路电源350V,各个管子分别为Tr1Tr3Tr2Tr
4.
3.2参数设计逆变器允许输出峰值电流为Im=3Iom=3*
5.5A=
16.5A(3-1)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,如三星公司的SGH30N60VFD、IR公司的IRGPC50KD
2、HARRIS公司的HGTG27N60C3DR、IXYS公司的IXSH30N60__I等L为工频电感,电感量可选为1~2mH为减小噪声,选闭合铁芯,如OD型硅钢铁芯(400Hz)或铁粉芯铁芯C为工频电容,可以选CBB61-10µF-250VAC4逆变控制电路的设计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成本有所不同,各有自己的优势和不足之处逆变电源SPWM电路的调制频率固定为50Hz不变,为了降低成本,我们这里用分立电路组成,如图(4-1)所示图(4-1)单相SPWM逆变电源控制电路放大第一路Tr1Tr4输出,第二路Tr2Tr3输出IC3输出正值比较IC4输出负值比较图中,正弦波发生器和三角波发生器分别见下两图(4-2)、(4-3)图(4-2)正弦波发生器IC1,IC2,C1=
0.08µ,R1=10kC2=
0.08µR2=
1.8kR3=
1.8kR6=180kR4=
1.6kR5=
1.6k图(4-3)三角波发生器C1=
0.2µC2=1µR1=100kR2=22kR3=10kRf=1MR4=10k.以标准的正弦波__为参考,将输出电压的反馈__与之相比较,经由IC1及其__电路组成的PI型误差放大器调节后得到一个控制__,送到IC2去调制三角波,既可得到SPWM波形IC3和IC4分别为正负值比较器,它们的输出__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__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
[2]5正弦波输出变压变频电源调制方式
5.1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变压、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(5-1)所示图2中S1~S4的通断由正弦脉宽调制产生的__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
[5]网络材料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 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
5.23种调制方式下逆变器输出电压谐波分析用__thcAD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系式单极性调制方式式中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
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[5]网络材料控制电路采用rTMS320F240数宁__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/I0,LC滤波器对开关频率及其倍频附近的谐波具有明显的衰减作用6结论10年前,IGBT出现在世界技术舞台的时候,尽管它凝聚了高电压大电流晶闸管制造技术和大规模集成电路微细__手段二者的精华,表现出很好的综合性能,许多人仍难以相信这种器件在大功率领域中的生命力现在,跨世纪的IGBT显示了巨大的进展,形成了一个新的器件应用平台本文对正弦波输出变频变压电源的不同调制方式进行了分析研究,研究结果表明,在输出电压要求的频率范围内,无论是变压变频电源输出电压的THD仿真结果,还是实际输出电压的THD实测数据包括开环、闭环,单极性调制方式下正弦波输出变压变频电源输出电压的THD值比其它两种调制方式小;而且单极性调制方式下功率管的损耗小于其它两种调制方式,因此,对正弦波输出变频变压电源来说,单极性调制方式无论输出电压波形的质量还是开关损耗,都优于其它两种调制方式正弦波逆变器在日常生产生活中,起到了相当大的作用它实现了具体电路的应用,未来还有广大的发展空间
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[1]正弦波逆变器丛书
[2]现代逆变技术及其应用
[3]中图分类号TM46文献标识码A文章编号219271320051060025—05
[4]及其它电源系列书籍
[5]网络材料正弦波发生器三角波发生器放大放大Uot图(5-1)主电路拓扑图。