5KV A单相逆变器设计与仿真
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目录
1、技术要求 (2)
2、负载参数计算 (2)
3、滤波电路的设计 (2)
4、逆变电路输出电压 (3)
5、逆变电路输出正弦电压 (5)
6、逆变器输出电流的计算 (6)
7、主开关元器件的选择 (7)
8、控制策略 (8)
9、控制器设计与仿真 (8)
11、结论 (13)
1、技术要求
1）输出电压：110V 2）输出频率：50HZ
3）输出功率：5KV A 4）负载功率因数：1~8.0cos =φ 5）过载倍数：1.5
2、负载参数计算
1）负载电感最小值计算
KVar S Q O L 3000sin =?=φ 公式 1
Ω===033.43000/110/2'L O L Q U Z 公式 2
H Z L L m 84.124.033/(100f)2/(''===）ππ 公式 3
2）负载电阻最小值计算
（1）当1cos =φ时，Ω==42.2/2
O O P U R 公式 4 （2）当8.0cos =φ时，
Ω=?=025.3)cos /(2
φO O P U R 公式 5 3、滤波电路的设计
1）滤波电感的设计
作用：（1）减小输出电压的谐波电压；（2）保证基波电压的传输。 注意：LC 2w 不应太大而接近于1，R wL 应较小。 选6.0=wL ,mH 912.150
26
.0=?=πL 公式 6
实取2mH 。
Ω===628.02w fL L Z L π 公式 7
滤波电路固有频率 Hz LC
94.17721f '==
π 公式 8
2）滤波电容的设计
滤波电容与负载并联，对逆变电路输出电流影响较大，所以设计滤波电路时先选择设计滤波电容。
取滤波电容容抗为负载电感感抗的2倍：
Ω==066.82'
L C Z Z 公式 9
uF Z C C 8.394)f 2/(1==π 取400uF ，4个100uF 、250V 的电容并联起来。
Ω=???==
962.7104005021
c 216
-ππf Z C 实 公式 10
4、逆变电路输出电压
如图1单相逆变器主电路结构图，L 为输出滤波电感，C 为滤波电容，r 为综合了线路电阻、滤波电感等效串联电阻、开关管压降和死区效应等因素的等效电阻。
图1
（1）空载时
A Z U I I C O L C 816.13962
.7110
===
= 公式 1 V Z I U L L L 676.8628.0816.13=?==? 公式 2 V U U U L O I 32.101676.8110=-=?-= 公式 3
（2）额定负载时 1）当1cos =φ时
ο95.16arctan )arctan(=???
? ??==C
O
C O
Z R R
U Z
U θ 公式 4
A I I I R
C
L 499.4742.2110962.71102
2
22
=??
?
??+??? ??=+=
公式 5 V I Z U L L L 8.29499.47628.0=?=?=?
公式 6 V U I 4.1052cos 299.321102299.3211022=???
??-???-+=θπ
公式 7
2）当8.0cos =φ时
A 459.13962.7110
033.4110110110'
=-=-=
-C L
C L Z Z I I 公式 8
354.0025.3110459.13arctan =????
?
?
??=θ 公式 9
()
A I I I I C
L R L 415.30459.13033.41102
2
2
'
2=+??
? ??=-+= 公式 10
V I Z U L L L 100.19415.30628.0=?=?=?
公式 11 V U I 989.117354.02cos 1.1911021.1911022=??
?
??+???-+=π
公式 12
（3）过载150%时 1）当cos ? =1时
c 2.42
arctan arctan 11.31.5 1.57.94
R θZ ===?g （） 公式
23
69.5L I A ==
公式 24 43.7L L L U Z I V ?==g
公式 25
110.1i U V = 2）当cos ? =0.8时
13.65
arctan 14.1110
1.53.025
θ==??（
）
公式 26
L I =
=56.2A 公式 27
L L L U Z I ?=g =35.3V
公式 28
144.5i U V =
5、逆变电路输出正弦电压
全桥电路输出电压与输入电压DC U 的关系为
DC DC
AC U U U 9.022==
π
公式 29
由于桥臂上下管互补通断要保留一定的死去时间，且管子导通有压降，故输出电
压达不到DC U 354.0,只能达到)(k 354.0ECSET DC mV U -
M 为同一通路中开关器件个数（m=2），k 是死区时间引起的压降系数K<1， T
T T ?-=2k 公式 30
设uS T khz f k 5.3,6.9=?=
6
6-3
106.91105.32-10
6.91
????=k =0.9328 管压降CECSET U 取3V ，V U DC 0.18935.19.02110=??= 公式 31
取190V ，
逆变电路输出电压为()V 45.15423-1909328.09.0=??? 取150V 。
6、逆变器输出电流的计算
（1）逆变器输出电流有效值
公式
32
公式 33
（2）逆变器输出电流峰值
公
式 34
公式35 7、主开关元器件的选择
（1）常用开关器件功率-频率如图所示
选择MOSFET
（2）MOSFET流过的峰值电流和耐压值的计算
公式 36
公式37
公式38
8、控制策略
逆变器双闭环控制结构由外环电压调节器和内环电流调节器组成。外环电压调节器一般采用PI调节器，内环电流调节器可以采用PI调节器或P调节器。电容电流内环电压外环控制系统动态性能好，抗负载扰动性能强。PWM逆变器电容电流内环电压外环双环控制系统框图如图2所示：
电压给定信号ur与输出电压反馈信号u0比较得到电压误差，经过电压调节器Gv产生电流给定信号uir，uir与电容电流反馈信号ic比较而得的电流误差信号经过电流调节器Gi 形成控制量u1，对逆变器实施控制。
9、控制器设计与仿真
（1）控制器的设计
在该双环控制方案中，电流内环采用PI调节器，简称双环PI-PI控制系统。其中电流调节器Gi 的比例环节用来增加逆变器的阻尼系数，使整个系统工作稳定，并保证有很强的鲁棒性；电流调节器的积分环节用来减少电流环稳态误差；电压外环也采用PI调节器，电压调节器GV的作用是使得输出电压波形瞬时跟踪给定值。这种电流内环电压外环双环控制的动态响应速度十分快，且静态误差很小。
电压和电流调节器分别为：
电压和电流调节器分别为：
()s k s G i
V 11p k += 公式 39 ()s
i
k k s G p 22i +=
公式 40
可得到该控制系统的传递函数： ()()()()
()()
()s I s LCD r sL s U s LCD k s k k s k s U O r i p i p
O
+-++=
22211 公式 41 ()()()()s I s G s U s G O io -=r ur
系统输出传函中的前一部分 () urGs 体现了控制系统输出对正弦电压给定ru 的跟踪性能，而后一部分 () ioGs 体现了负载电流对控制系统输出的扰动特性，即系统等效输出阻抗。
其中控制系统特征方程为：
()LC
k k s LC
k k k k s LC
Ck k k s LC
Ck rC s D i i i
p i p i
p p p
2112212
2213
24
1s +
++
+++
++
= 公式 42 对上述系统按极点配置方法设计控制器参数。双环控制系统的控制器参数按常规方法设计，需考虑两个调节器之间的响应速度、频带宽度的相互影响与协调，制器设计步骤复杂，还需要反复试凑验证；采用极点配置方法大大简化了设计过程，同时能满足高性能指标要求，这种设计方法具有明显的优越性。 四阶系统希望闭环主导极点2
2,11r r r r jw w s ξξ-±-= 公式 43 非主导极点r r w s ξm 3-= 公式 44 r r w s ξn 4-=
公式 45
希望四阶系统特征方程为()()()()r
r
r
r
r r r r w n s w m s w s w s D ξξξ++++=2
22s
42
0a r r w LCmn ξ=
公式 13 ()3
12a r r w mn n m LC ξ++=
公式 14 ()[]
2
2
2221a r r w mn n m LC ξ+++=
公式 15 ()r r w n m LC ξ++=2a 3
公式 16 r L
a p -=
3
2k
公式 50 ()0k k k k 1Ck 02
2221223
2=-+-+a a a p i p i i
公式 51
的实数根
p i p C a 2221k 1
k k --=
公式 52
i
i a 20
1k k =
公式 53
针对一台单相PWM 逆变器进行双环控制器设计，逆变器的主要参数如下：额定输出电压Uor=110V （rms ），额定频率f=50Hz ，额定输出功率Po=5kW ，额定功率因数cos φ=0.8，输出滤波电感L=2mH ，输出滤波电容C=400μF ，等效阻尼电阻r=0.1Ω，PWM 开关频率 fsw=10kHz 。取期望阻尼比ζr=0.8，期 望自然频率ωr=2500，m=6,n=8可得：
8490106.925008610800a ?=????=-
()539110544.725008.06288610800a ?=????++??=- ()[]2.248250064.0688262110800a 292=???+?+?+??=- ()0256.0250064.082610800a 93=??++??=-
261.2k 1
k k 2221=--=
p
i p C a
9.631.0-1040256.0k 4
-32=?=-=
r L a p 67.3738k k 20
1==
i
i a 9.256775k 2=i
（2）仿真结果
将图3数学模型仿真，得图4波形如下
图3
波形图
输出电压波形图
突加负载时的电压波形图（放大）
突减负载时的电压波形图（放大）
11、结论
本文建立了单相逆变器的数学模型，采用电压电流双环控制，对单相PWM 逆变器进行建模仿真。采用极点配置的方法设计控制器参数。仿真和实验结果表明，所采用的控制策略使电流内环、电压外环的逆变器双环控制方式能够达到较好的动、静态特性，特别是其非线性负载带载能力较强。理论分析和实验结果表明通过增大控制系统的期望自然频率，抗非线性负载扰动能力可以得到改善与提高。
逆变器的基础知识 一、逆变器种类的划分 主要分两类，一类是正弦波逆变器，另一类是方波逆变器。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。 同时，其负载能力差，仅为额定负载的40－60％，不能带感性负载（详细解释见下条）。如所带的负载过大，方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。 针对上述缺点，近年来出现了准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、模拟正弦波等等）逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔，使用效果有所改善，但准正弦波的波形仍然是由折线组成，属于方波范畴，连续性不好。 总括来说，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器，其技术属于50年代的水平，将逐渐退出市场。 二、何为感性负载 通俗地说，即应用电磁感应原理制作的大功率电器产品，如电动机、压缩机、继电器、日光灯等等。这类产品在启动时需要一个比维持正常运转所需电流大得多（大约在3-7倍）的启动电流。 例如，一台在正常运转时耗电150瓦左右的电冰箱，其启动功率可高达1000瓦以上。此外，由于感性负载在接通电源或者断开电源的一瞬间，会产生反电动势电压，这种电压的峰值远远大于逆变器所能承受的电压值，很容易引起逆变器的瞬时超载，影响逆变器的使用寿命。因此，这类电器对供电波形的要求较高。 三、准正弦波逆变器可以用于哪些电器 准正弦波也分为若干种，从与方波相差无几的方形波到比较接近正弦波的圆角梯形波。 我们这里仅讨论方形波，这也是目前大部分市售高频逆变器能够提供的波形。这类准正弦波逆变器可应用于笔记本电脑、电视机、组合式音响、摄像机、数码相机、打印机、各种充电器、掌电上脑、游戏机、影碟机、移动DVD、家用治疗仪等等，输出功率较大的逆变器还可以应用于小型电热器具如电吹风机、电热杯、厨房电器等等。 但对感性负载类电器如电冰箱、电钻等则不宜长时间使用准正弦波逆变器供电。否则，将可能对逆变器和相关电器产品造成损坏或缩短预期使用寿命。如果一定要使用感性负载，建议选用储备功率较大的准正弦波逆变器。
逆变器电路DIY(图文详解) 电子发烧友网：本文的主要介绍了逆变器电路DIY制作过程，并介绍了逆变器工作原理、逆变器电路图及逆变器的性能测试。本文制作的的逆变器(见图1)主要由MOS 场效应管，普通电源变压器构成。其输出功率取决于MOS 场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。下面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。 1.逆变器电路图 2.逆变器工作原理 这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。 2.1.方波信号发生器(见图2)
图2 方波信号发生器 这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。其振荡频率为f=1/2.2RC.图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率 fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz.由于元件的误差，实际值会略有差异。其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。 #p#场效应管驱动电路#e# 2.2场效应管驱动电路 图3 场效应管驱动电路 由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至0~12V.如图3所示。 4. 逆变器的性能测试 测试电路见图4.这里测试用的输入电源采用内阻低、放电电流大(一般大于100A)的12V汽车电瓶，可为电路提供充足的输入功率。测试用负载为普通的电灯泡。测试的方法是通过改变负载大小，并测量此时的输入电流、电压以及输出电压。输出电压随负荷的增大而下降，灯泡的消耗功率随电压变化而改变。我们也可以通过计算找出输出电压和功率的关系。但实际上由于电灯泡的电阻会随受加在两端电压变化而改变，并且输出电压、电流也不是正弦波，所以这种的计算只能看作是估算。
逆变器常见故障及处理方法在采用DC600V供电系统的旅客列车上每节车厢都设置一台三相逆变器将机车供给的DC600V的直流电逆变为380V/50HZ三相交流电给客车空调以及其它一些三相用电设备供电。 逆变器设两台互为独立的热备逆变器单元（硬卧车、行李车为一台无热备），逆变器容量：2*35KV A逆变器+隔离变压器（高寒车及餐车为15KV A、非高寒车为5KV A），当某一台逆变器发生故障造成停止输出时，另一台逆变器可通过转换向两路负载供电，以确保客车用电设备的正常工作。 一、逆变器的操作要求： 为了确保逆变器的可靠工作，必须按照逆变器的操作规程进行操作。上电的时候，先给110V控制电然后再给600V 的大电；断电的时候先断600V的大电，再断110V控制电，即遵行先弱电、后强电，先轻载，再重载的操作原则。为了确保检修人员和设备的安全，逆变器的检修必须在断电五分钟后进行。 一、逆变器常见故障的处理 1.正常工作时，逆变器报代码为“OO”，输入欠压时报 “O2”，除此之外，出现其它代码均为故障状态。 2.如果逆变器报“O5”，断开负载，看能否正常工作，如 正常，检查负载是否有问题，如仍有“O5”故障，则
更换驱动板或控制板，如仍有问题，更换输出电流传感器LT208。如减载后两路都报“O5”故障，是负载有问题，检查负载。 3.如果逆变器报“O7”，空载情况下，如果复位后能重启， 检查负载是否有问题（短路、断路、绝缘不良）。如果不能进行重启，车上四合一电气柜显示屏直接报“O7”，打开相关逆变单元的散热器，检查IGBT是否完好，如IGBT完好，则驱动板故障，更换驱动板。 4.如果逆变器报“OC”，用万用表测量熔断器，如果坏， 更换熔断器，然后，打开对应单元的散热器，测量IGBT 是否有损坏，有损坏则进行更换，同时检查驱动板是否正常，有问题更换。 5.如果逆变器报“OE”，检查相应单元的接触器触头和触 点是否异常，检查散热器箱内左侧的电源板插头是否有松动，如果接触器触头有粘连现象，要检查散热器上的IGBT是否有问题，同时检查驱动板。如都正常，测量相应单元的固态继电器，有问题则更换相应单元箱的固态继电器。 6.如果逆变器报“FE”，打开相应散热器，检查控制板是 否工作，不工作，更换控制板。 7.另外，还有三种故障现象，表现为逆变器上传的代码为 “OO”，但仍为故障的状态：第一种为逆Ⅰ或逆Ⅱ无输
逆变器电路图 这是一种性能优良的家用逆变电源电路图，材料易取，输出功率150W。本电路设计频率为300Hz左右，目的是缩小逆变变压器的体积、重量。输出波形方波。这款逆变电源可以用在停电时家庭照明，电子镇流器的日光灯，开关电源的家用电器等其他方面。 电容器 C1、C2用涤纶电容，三极管 BG1-BG5可以用9013：40V 0.1A 0.5W，BG6-BG7可以用场效应管IRF150：100V 40A 150W 0.055 欧姆。变压器B的绕制请参考逆变器的设计计算方法，业余条件下的调试；先不接功率管，测 A点、B点对地的电压，调整R1或R2使A、B两个点的电压要相同，这样才能输出的方波对称，静态电流也最少。安装时要注意下列事项：BG6、BG7的焊接，必须用接地良好的电烙铁或切断电源后再焊接。大电流要用直径2.5MM以上的粗导线连接，并且连线尽量短，电瓶电压12V、容量12AH以上。功率管要加适当的散热片，例如用100*100*3MM铝板散热。如果你要增加功率，增加同型号的功率管并联使用，相应地增加变压器的功率。 晶体管的选择：考虑到安全因素，要具有一定的安全系素。经验资料如下： 直流电源电压：晶体管集射极耐压BV CEO 6～8V≥20～30V 12～14V≥60～80V 24～28V≥80～100V 计算晶体管集电极电流：I CM（A）=输出功率P（W）÷ 输入电压V（V）× 效率。
式中输入电压即电源电压。效率与选择的电路有关，一般在百分之60～80之间。 铁芯截面积：S（平方厘米）=k×变压器额定功率的平方根，k的选择见下表 P(VA) 5-10 10-50 50-100 100-500 500-1000 k 2-1.75 1.75-1.5 1.5-1.35 1.35-1.25 1.25-1 变压器铁芯的选择：业余制作对变压器铁心要求并不严格。不过硅钢片最好选用薄而质地脆的，或者采用铁氧体磁心。漆包线用高强度的，绕线需用绕线机紧密平绕。 安插硅钢片时要严格平整。初级绕组两端电压与铁心截面积和工作频率等参数的 关系可以用公式表示如下：V=4.44×10-8SKFBN 式中 S --- 铁心截面积（平方厘米）； K --- 硅钢片间隙系数（0.9～0.95）； F --- 逆变器工作频率（赫兹）； B --- 饱和磁通密度（T）； N --- 线圈的匝数（圈）； V --- 初级绕组的电压（伏特）。 K的数值与硅钢片的厚度及片与片之间的间隙有关，铁心层迭越紧，K值越高 一般K取0.9即可。逆变器的工作频率，主要由所选择的铁心决定。采用硅钢片铁心，逆变器工作频率低于2KH Z。采用不同的铁氧体磁心，工作频率在2KH Z～40KH Z之 间。如果工作频率超出了磁心的固有频率，则高频损耗十分严重。饱和磁通密度
第1章概述 任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整正弦波逆变电源是连续控制的线性正弦波逆变电源。这种传统正弦波逆变电源技术比较成熟,并且已有大量集成化的线性正弦波逆变电源模块,具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点、但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都不得和很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。另外,由于调整管上消耗较大的功率,所以需要采用大功率调节器整管并装有体积很大的散热器,很难满足现代电子设备发展的要求。在近半个多世纪的发展过程中，正弦波逆变电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛的应用，正弦波逆变电源技术进入快速发展期。 正弦波逆变电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。它的功耗小，效率高，正弦波逆变电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器，此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此正弦波逆变电源具有重量轻、体积小等优点。另外，于功耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V±10%,而正弦波逆变电源在电网电压在110～260V范围变化时,都可获得稳定的输出阻抗电压。正弦波逆变电源的高频化是电源技术发展的创新技术,高频化带来的效益是使正弦波逆变电源装置空前的小型化,并使正弦波逆变电源进入更广泛的领域,特别是在高新技术领域的应用,扒动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外正弦波逆变电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具
电力电子技术课程设计 班级 学号 姓名 电气工程及其自动化 二零一五年一月
目录 1 绪论 (2) 1.1 电力电子简介 (2) 1.2 课程设计的目的与要求 (2) 1.3 课程设计题目 (3) 1.4 仿真软件的使用 (3) 2 工作原理 (4) 2.1 逆变电路原理 (4) 2.1.1 电压型逆变电路 (4) 2.1.2 电流型逆变电路 (6) 2.2单相桥式PWM逆变电路的基本原理 (10) 2.2.1 单极调制法 (11) 2.2.2 双极调制法 (12) 3 电路的设计过程 (13) 3.1 逆变控制电路的设计 (13) 3.2 正弦波输出变压变频电源调制方式 (14) 3.2.1 正弦脉宽调制技术 (14) 3.2.2单极性调制方式 (15) 3.2.3 双极性调制方式 (15) 3.2.4 单极性倍频调制方式 (15) 3.3 3种调制方式下逆变器输出电压谐波分析 (16) 4 仿真实验与结果 (17) 4.1 单相桥式PWM逆变主电路原理图 (17) 4.2 仿真所得波形 (17) 5 仿真结果分析 (19) 6 心得体会 (20) 7 参考文献 (21)
1 绪论 1.1 电力电子简介 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。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。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。本次课程设计研究单相桥式PWM逆变电路，通过该电路实现逆变电源变压、变频输出。 1.2 课程设计的目的与要求 1. 进一步熟悉和掌握电力电子原器件的特性； 2. 进一步熟悉和掌握电力电子电路的拓扑结构和工作原理； 3. 掌握电力电子电路设计的基本方法和技术，掌握有关电路参数的计算方 法；
目录 目录 (1) 第一章绪论 (2) 1.1 正余弦波逆变器的概念 (2) 1.2 正余弦波逆变器的发展历史 (2) 1.2.1 概述 (2) 1.2.2 正余弦波逆变器器件概述 (3) 第二章正弦波逆变器中的开关器件及其基本工作原理 (4) 2.1 可关断晶体管（GTO） (4) 2.2 电力晶体管（GTR） (5) 2.3 功率场效应晶体管（Power MOSFET） (6) 2.4 绝缘栅双极晶体管（IGBT） (7) 2.5 小结 (8) 第三章正弦波逆变器设计总体思路.... (9) 3.1 总体框架图 (9) 3.2 局部电路 (9) 3.21 电压型逆变器 (9) 3.22 电流型逆变器 (10) 3.3 正弦脉宽调制逆变器 (11) 3.31 PWM逆变电路及其工作原理 (11) 3.32 总控制电路 (13) 3.33控制局部电路 (15) 第四章SPWM逆变器的应用 (16) 4.1 SPWM逆变器的概况 (16) 4.2 SPWM逆变器的应用场合 (16) 总结 (17) 参考文献 (17)
第一章绪论 1.1正弦波逆变器的概念 所谓逆变器，是指整流器的逆向变换装置。其作用是通过半导体功率开关器件（例如GTO,GTR,功率MOSFET 和IGBT等）的开通和关断作用，把直流电能换成交流电能，它是一种电能变换装置逆变器。 特别是弦波逆变器，其主要用途是用于交流传动，静止变频和UPS电源。逆变器的负载多半是感性负载。为了提高逆变效率，存储在负载电感中的无功能量应能反馈回电源。因此要求逆变器最好是一个功率可以双向流动的变换器，即它既可以把直流电能传输到交流负载侧，也可以把交流负载中的无功电能反馈回直流电源。 1.2弦波逆变器的发展历史 1.21 概述 逆变器的原理早在1931年就在文献中提到过。1948年，美国西屋电气公司用汞弧整流器制成了3000HZ 的感应加热用逆变器。 1947年，第一只晶体管诞生，固态电力电子学随之诞生。1956年，第一只晶体管问世，这标志着电力电子学的诞生，并开始进入传统发展时代。在这个时代，逆变器继整流器之后开始发展。首先出现的是SCR电压型逆变器。1961年，B.D.Bedford提出了改进型SCR强迫换向逆变器，为SCR逆变器的发展奠定了基础。1960年以后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并开始进行研究。1962年，A.Kernick提出了“谐波中和消除法”，即后来常用的“多重叠加法”，这标志着正弦波逆变器的诞生。1963年，F.G.Turnbull提出了“消除特定谐波法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小，效率最优，转矩脉动最小等。 20世纪70年代后期，可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其模块相继实用化。80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了各种高频化的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应管Power MOSFET、绝缘门极晶体管IGT或IGBT、静电感应晶体管SIT、静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管
逆变器技术要求 1、可靠性指标 逆变器设计正常持续使用寿命应≥12年； 2、外观 逆变器的前后面板、外壳及其他外露部分应具备防护涂层，具备绝缘及三防特性，涂镀层应表面平整光滑、色泽一致和牢固； 3、端口及标志 输入端口正、负极、通信端口、输出端、保护性接地端和告警指示等应有明显的标志；4、产品型号和编码 逆变器产品型号命名和编制方法应遵循YD/T 638.3的规定执行； 5、结构及规格 逆变器应采用立式机柜安装方式，应采用先进工艺制成，体积小、重量轻。 逆变器规格尺寸应不大于：长x宽x高=700(mm)*700(mm)*1200（mm）。 逆变器应能够设置可靠的安装固定装置及减振紧固装置，满足车载要求。 6、环境条件 a）环境温度：-10℃～50℃；相对湿度：≤90%（40℃±2℃）； b）贮存温度：-40℃～70℃；贮存相对湿度：≤90%（40℃±2℃）； c）大气压力：70～106kPa d）工作环境应无导电爆炸尘埃，应无腐蚀金属和破坏绝缘的气体与蒸汽，应通风良好并远离热源； 7、输入电压额定值 逆变器输入直流电压额定值：51.2V；允许变化范围：43.2V～57.6V；
8、输出电压额定值及稳定精度 交流输出电压额定值：～380VAC；稳定精度<±1%； 9、输入电流额定值 逆变器输入直流电流额定值：195.3A/10KVA；允许变化范围：173.6A～231.5A/10KVA； 10、输出频率 逆变器的输出频率变化范围应不超过额定值50Hz的±1%； 11、输出功率额定值 单机输出功率额定值为10KVA； 12、额定输出效率 当输入额定电压，负载率40%～90%时，单机转换效率应≥90%； 13、产品输出要求 同规格单机逆变器应具备高效滤波同步电路，能够并联冗余输出和管理，负载不均衡度<5%； 14、功率模块要求 宜选用IGBT功率模块的PWM逆变器，正弦波输出； 15、负载等级 在允许工作电流下，逆变器连续可靠工作时间应≥12h，在125%额定电流下，逆变器连续可靠工作时间应大于或等于5min；在150%额定电流下，逆变器连续可靠工作时间应大于或等于60s； 16、空载损耗 在输入电压为额定值，负载为零时，逆变器空载损耗应不超过额定容量的3%,并具备休眠功能； 17、保护功能
单相正弦波变频电源 摘要：本设计是通过模拟和数字的方法来产生SPWM信号。采用89C51单片机产生正弦波基波，采用NE555芯片产生高度线性等腰三角波载波。基波和载波通过高速电压比较器LM311比较产生与之对应的SPWM驱动信号。SPWM驱动信号经整形电路、死区电路、驱动功放隔离电路完成对全桥场效应管的开通和关断,从而完成将直流电压逆变成所需频率的正弦交流电。而调压电路采用前级DC-DC独立调压来实现，实现直流稳压。改变单片机正弦波输出频率来实现逆变输出SPWM 交流调频的功能。采用芯片AD637对输出电压、电流进行真有效值变换，经A/DTLC549变换后送单片机处理，实时对逆变输出进行监控，保证输出电压的稳定性。输出电压波形为正弦波，输出频率可变，能够测量和显示电源输出电压、电流、具有过流保护、过压保护电路、空载报警电路等。同时基于UC3845多路隔离反击式开关电源为系统供电。 在研究和设计的基础上制作了样机，完成了大部分的调试工作，达到了预期的目的。 关键词：升压；场效应管；检测电路；逆变
Abstract:The SPWM signal is produced by the way of analog and digita in the design.The fundamental wave is produced by 89C51 chip,and the sine t riangle carrier wave is produced by NE555 chip.SPWM drive signal is generated by the high-speed voltage comparator LM311. The turn-on and turn-off of mosfet are controlled by SPWM drive signal from the shaping circuit, the dead zone circuit, the power am plifier circuit to bring out the required frequency of the sinusoidal alternating current in DC/AC convertion.The voltage regulating circuit uses DC-DC independent voltage regulating to realize, Change the frequence of the sine wave that is the output of the MCU will realize the function of inverse output SPWM AC frequency modulation .Use AD637 to complete voltage and current true effective value transform and then send the result to A/DTLC549. Through AD exchange the output will be send to the MCU to be processed,according to the result to monitor the inverse output and to ensure the stability of the output voltage. The waveform of the output voltage is sine-wave,its frequence can be changed.The voltage and current of the Power source can be e over-current and over-voltage protection circuit, an o-load alarm circuit and smeasured and the result can be displayed on the LCD.The power source include tho on. At the same time use multi-channel isolate Counter type switch power as system power supply. On the basis of research and design,a prototype of principle is produced.the most of debugging of the whole system is completed. Keyword:boost；mosfet；detection circuit；inverter
单相逆变器的软件设计
摘要 随着电力电子技术的迅猛发展，逆变技术广泛应用于航空、航海等国防领域和电力系统，交通运输、邮电通信、工业控制等民用领域。特别是随着石油、煤和天然气等主要能源日益紧张，新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。利用新能源的关键技术--逆变技术，能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化的直流电能变换成交流电能与电网并网发电。因此，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。理论联系实际，将书本上所学到的知识与实际设计结合起来，学习电力电子基本理论，掌握单相电压型逆变器的工作原理和SPWM原理，并进行详细的设计分析，掌握其控制方式及在电力系统中的重要作用。 关键词：逆变技术，单相电压型逆变器，SPWM原理
ABSTRACT With the rapid development of power electronics technology, the inverter technology is widely used in aviation, navigation and other fields of national defense and the electric power system, transportation, telecommunications, industrial control and other civilian areas. Especially with the oil, coal and natural gas and other major energy shortage, the development and utilization of new energy has been paid more and more attention. The key technology of new energy, inverter technology, the battery, DC can be converted into AC power grid connected power generation solar cell and fuel cell and other new energy conversion. Therefore, inverter technology plays a very important role in the field of new energy development and utilization. The theory with practice, apply on the books knowledge and practical design combine learning power electronics basic theory, master the working principle and the principle of SPWM single-phase voltage type inverter, and design a detailed analysis, palm Hold the control mode and the important role in the power system. Keywords: Inverter technology ，Single phase voltage source inverter ，SPWM principle
第0章引言 本文提出了一种将重复控制与引入积分控制的极点配置相结合的混合型控制方案。其中重复控制改善系统的稳态性能，极点配置改善系统的动态特性。两种控制方式互为补充，可以同时实现高品质的动态响应和高质量的输出电压波形在电力电子装置中，以CVCF逆变器为核心的UPS得到了广泛的应用，对其输出波形主要的技术要求包括低的稳态总谐波畸变率（THD）和快速的动态响应，由于非线性负载、PWM调制过程中的死区和逆变器系统本身的弱阻尼性等因素的影响，采用一般的闭环PWM控制效果不理想。本文以PID控制模块、RSM 模块,采用重复控制反馈改善系统的稳态性能，采用引入积分控制的极点配置改善系统的动态特性，实验结果表明，本方案可以同时实现高品质的稳态和动态特性。 第1章单相逆变器的概论 1.1单项逆变器的基本原理 逆变器通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成． 单相恒压恒频率正弦波逆变器电源一般用在对电源质量要求很高的场合。总的原理是直流经振荡电路产生脉动直流（开关管间断导通关闭）或交流电再通过变压器在次极感应出所需电压的交流电。 逆变器的工作原理： 1.直流电可以通过震荡电路变为交流电 2.得到的交流电再通过线圈升压（这时得到的是方形波的交流电） 3.对得到的交流电进行整流得到正弦波 逆变分有源逆变和无源逆变，本设计中为有源逆变。 1.2 单相逆变器主电路拓扑结构 单相逆变器主电路主要有半桥式、全桥式、推挽式3种，拓扑结构如图1—1
所示。 （1）半桥电路输出端的输出的电压波形幅值仅为直流母线电压值的一半，因此，电压利用率低；但在半桥电路中，可以利用两个大电容C1、C2会补偿不对称的波形，这是半桥电路的优点所在。 （2）全桥电路和推挽电路的电压利用率是一样的，均比半桥电路的利用率大1倍。但全桥、推挽式电路都存在变压器直流不平衡的问题，需要采取措施解决。 （3）推挽电路主要优点是电压损失小，直流母线电压只有一个开关管的管压降损失；此外，两个开关管的驱动电路电源可以共用，驱动电路简单。推挽式比较适合低压输入的场合。低压输入的推挽式变压器原边绕组砸数较少，一般采用并绕方式，以增加两绕组的对称性，工艺上难度较大。 它的优点是： 结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小。 缺点是：变压器带有中心抽头，而且开关管的承受电压较高；由于变压器原边漏感的存在，功率开关管关断的瞬间，漏源极会产生较大的电压尖峰，另外输入电流的纹波较大，因而输入滤波器的体积较大。 中、大容量逆变器多采用全桥结构，它的控制方法比较灵活，主要有双极性和单极倍频两种。 对于开关器件的选择，小容量逆变器多用MOSFET，大容量正弦波输出地逆变器多用IGBT，特大容量逆变器选择GTO。
单相光伏并网逆变器的研究
轮机工程学院
摘要 能源危机和环境问题的不断加剧，推动了清洁能源的发展进程。太阳能作为一种清洁无污染且可大规模开发利用的可再生能源，具有广阔应用前景。并且伴随“智能电网”理论的兴起，分布式电力系统正日益受到关注，光伏逆变系统作为分布式电力系统的一种重要形式，使得对该领域的研究具有重要的理论与现实意义。 论文在分析光伏逆变系统发展现状与研究热点的基础上，探讨了光伏逆变系统的主要关键技术，对直接影响光伏逆变系统的工作效率以及工作状态的最大功率点跟踪控制、光伏逆变器控制等技术进行了详细研究。 为研究光伏逆变系统，本文建立了一套完整的光伏逆变系统模型，主要包括光伏电池模块，前级DCDC变换器，后级DCAC逆变器，以及相应的控制模块。为了提高系统模型的准确性及稳定性，论文设计了一种输出电压随温度光照改变的光伏电池模型，提出了一种基于Boost 升压变换器的最大功率点跟踪（MPPT）控制策略，并且将正弦脉冲宽度调制技术（SPWM）应用于逆变器控制。最后在MatlabSimulink软件环境下搭建了光伏逆变系统的整体模型，完成系统性的实验验证。 经过仿真实验验证，所提出的光伏逆变系统设计方案正确可行，且输出达到了设计要求，为进一步实现并网功能提供了条件，具有较高的实用参考价值。 关键词：光伏电池；最大功率点跟踪；光伏逆变系统；正弦脉冲调制技术
ABSTRACT With intensify of the energy crisis and environmental problems, the development of clean energy . The solar energy because of its friendly-environmental advantage and renewable property. With the proposition of the Smart Grid, Distributed Power System . As an important form of Distributed Power System, photovoltaic inverter system is the key of the research in this field. This paper discusses the key techniques of photovoltaic inverter system on the basis of analysis of development and research techniques such as maximum power point tracking (MPPT) which work efficiency and work condition and technology of PV inverter. In order to research PV inverter system, this paper builds an integral model, including PV battery model and DCDC converter and DCAC single phase inverter as well as corresponding control models. In order to improve the validity and the stability of the system, the paper
3KVA三相逆变器设计 1概述 随着各行各业自动化水平及控制技术的发展和其对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备（如通信电源、电弧焊电源、电动机变频调速器等）都不是直接使用交流电网作为电源，而是通过形式对其进行变换而得到各自所需的电能形式，它们所使用的电能大都是通过整流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的。 当今世界逆变器应用非常广泛。逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电的变换器，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，GTO 等的发展和PWM 的控制技术的日趋完善，使SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用。PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM 控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM 法），磁链追踪型PWM 法和电流跟踪型PWM 法，其中利用SPWM 控制技术做成的SPWM 逆变器具有以下主要特点：（1）逆变器同时实现调频调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。 （2）可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，低次谐波减少，在电气传动中，可使传动系统转矩脉冲的大大减少，扩大调速范围，提高系统性能。 （3）组成变频器时，主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构，由于采用不可控整流器，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关。 本次课程设计要完成的是设计容量为3KVA的三相逆变器。初始条件为：输入直流电压220V。要求输出220V三相交流电，完成总电路的设计，并计算电路中各元件的参数。
逆变器问题解答
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目 录 一、有关逆变器的基本知识问答 １． 什么是逆变器,它起什么作用? 2. 按输出波形划分，逆变器分几类？ 3. 何谓感性负载？ 4. 准正弦波逆变器可以用于哪些电器? 5. 何谓逆变器的效率? 6. 什么是持续输出功率？什么是峰值输出功率? 7． 应该怎样连接逆变器与电源和负载? 8. 汽车点烟器插口能够输出多大功率的电能？ 9. 在关闭汽车发动机的情况下可以使用车载逆变器吗? 10. 如果想较长时间地使用逆变器而不启动发动机,怎么办？ １1. 使用逆变器有何危险性？ 1２. 如何知道蓄电池的容量? 13. 一般的家用轿车使用什么规格的蓄电池？ 14． 如何为蓄电池配备合适的逆变器？ 15． 使用车载逆变器须要注意些什么? 1６. 为何使用普通万用表测量准正弦波逆变器的交流输出时,显示的电压比２2０伏低? 17. 如何挑选逆变器产品？ 二、关于家庭备用电源的介绍 1. 什么是家庭备用电源? 2. 如何选购家庭备用电源系统中的逆变器? 3. 如何选购家庭备用电源系统中的蓄电池? 4. 如何选购家庭备用电源系统中的蓄电池充电器? 5. 怎样知道电视机的实际耗电量？ 6. 为何使用备用电源系统时电视机的画面质量不如使用电网电? 7. 为何准正弦波逆变器时输出的交流电不能用来推动电扇和日光灯? 8. 使用家庭备用电源系统应注意什么? 9. 能否利用电动自行车的蓄电池作为家庭备用电源? 有关逆变器的基本知识问答 1. 问：什么是逆变器，它起什么作用？ 答：简单地说,逆变器就是一种将低压(１２-4８伏）直流电转变为2２0伏交 流电的电子设备。因为 我们通常是将22０伏交流电整流变成直流电来使用,而逆变器的作用与此相
正弦波逆变器逆变主电路介绍 主电路及其仿真波形 图1主电路的仿真原理图 图1.1是输出电压的波形和输出电感电流的波形。上部分为输出电压波形，下面为电感电流波形。 图1.1输出电压和输出电感电流的波形 图1.2为通过三角载波与正弦基波比较输出的驱动信号，从上到下分别为S1、S3、S2、S4的驱动信号，从图中可以看出和理论分析的HPWM调制方式的开关管的工作波形向一致。
图1.2 开关管波形 从图1.3的放大的图形可以看出，四个开关管工作在正半周期，S1和S3工作在互补的调制状态，S4工作在常导通状态，S2截止；在负半周期，S2和S4工作在互补的调制状态，S3工作在常导通状态，S1截止。 图1.3放大的开关管波形 图1.4为主电路工作模态的仿真波形，图中从上到下分别为C3的电压波形、C1的电压波形、S3开关管的驱动波形，S1的驱动波形。从图中可以看出在S1关断的瞬间，辅助电容的电压开始上升，完成充电过程，同时S3上的辅助电容完成放电过程，S3开通。 图1.4工作模态仿真波形 图1.5为开关管的驱动电压波形和电感电流波形图，图中从上到下分别为电
感电流波形、S3驱动波形、S1驱动波形。从图中可以看出当S1关断瞬间到S3开通的瞬间，电感电流为一恒值，S3开通后，电感电流不断下降到S3关断时的最小值，然后到S1开通之前仍然为一恒值，直到S1开通，重复以上过程。根据以上结论可以看出仿真分析状态和前面的理论分析完全符合。 图1.5开关管的驱动电压波形和电感电流波形 2 滤波环节参数设计与仿真分析 2.1 输出滤波电感和电容的选取 对逆变电源而言，由于逆变电路输出电压波形谐波含量较高，为获得良好的正弦波形，必须设计良好的LC 滤波器来消除开关频率附近的高次谐波。 滤波电容C f 是滤除高次谐波，保证输出电压的THD 满足要求。C f 越大，则THD 小，但是C f 不断的增大，意味着无功电流也随之增加，从而增加了逆变电源的 电容容量，同时会导致逆变电源系统体积重量增加，同时电容太大，充放电时间也延长，对输出波形也会产生一定的影响。 逆变桥输出调制波形中的高次谐波主要降在滤波电感的两端，所以L 的大小关系到输出波形的质量。要保证输出的谐波含量较低，滤波电感的感值不能太小。增加滤波器电感量可以更好地抑制低次谐波，但是电感量的增加带来体积重量的加大。不仅如此，滤波电感的大小还影响逆变器的动态特性。滤波电感越大，电感电流变化越慢，动态时间越长，波形畸变越严重。而减小滤波电感，可以改善电路的动态性能，则使得输出电流的开关纹波加大，必然增大磁滞损耗，波形也会变差。综合以上的分析，在LC 滤波器的参数设计时应综合考虑。 本文设计的LC 滤波器如图 3.12中所示，电感的电抗2L X L fL ωπ==,L X 随频率的升高而增大。电容的电抗为 112C X C fC ωπ==，C X 随频率的升高而减小。1L C ωω=所对应
逆变器设计课程设计任务
3KVA逆变器设计课程设计任务书
课程设计任务书 题目: 3KVA三相逆变器设计 初始条件： 输入直流电压220V。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 设计容量为3KVA的三相逆变器，要求达到： 1、输出220V三相交流电。 2、完成总电路设计。 3、完成电路中各元件的参数计算。 时间安排： 6月5日~6月6日：完成选题，领取设计任务书，查阅相关资料，规划总体设计方案； 6月7日~6月11日：完成电力电子装置的具体设计方案，包括参数设计、器件选取等； 6月12日~6月14日：整理资料，完成设计论文撰写。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 目录
摘要 (1) 1 设计意义及要求 (2) 1.1设计意义 (2) 1.2设计要求 (2) 2 方案设计 (3) 2.1设计原理及思路 (3) 2.1.1逆变电路 (3) 2.1.2 三相逆变原理介绍 (4) 2.1.3 SPWM逆变电路原理及其控制方法 (5) 2.1.4 设计思路 (8) 2.2方案设计与选择 (8) 2.2.1 逆变电路选择 (8) 2.2.2 SPWM采样方法选择 (10) 3 部分电路设计 (11) 3.1IGBT三相桥式逆变电路 (11) 3.2脉宽控制电路的设计 (12) 3.2.1 SG3524芯片 (12) 3.2.2 调制波及载波的产生 (13) 3.3驱动电路的设计 (14) 3.3.1 IR2110芯片 (14) 3.3.2 驱动电路 (14) 3.4LC滤波 (15) 3.5变压器升压模块 (16) 4 系统元件有关参数的计算 (17) 4.1开关管和二极管的选择 (17) 4.2L、C滤波器的设计 (17) 4.3变压器参数设计 (18) 5 基于MATLAB的原理仿真 (19) 结束语 (22) 参考文献 (24)