逆变电路的实现

学号：0121111360203课程设计题目1KVA单相逆变器设计学院自动化学院专业自动化班级自动化1102班姓名吴淼指导教师朱国荣2014年1月2日课程设计任务书学生姓名：吴淼专业班级：自动化1102班指导教师：朱国荣工作单位：自动化学院题目:1KVA单相逆变器设计初始条件：输入直流电压：48V。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1KVA的逆变器，要求达到：1、输出单相220V交流电。2、完成总体系统设计。3、完成总电路和电力电子器件电压和电流定额计算。时间安排：课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。约占总时间的40%。第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要与整流电路相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。根据直流侧电源的性质又可分为电流型逆变电路和电压型逆变电路。本次课程设计是要设计一个电压型逆变电路，并且属于无源逆变。设计中需要考虑电路的输出容量和输出电压满足设计要求，因此就需要对电路中用到的各种电子元器件的参数进行计算，并且需要还需要确定主要器件的类型。关键词：逆变，直流斩波，滤波目录1概述.........................................................................................................12设计思路.................................................................................................23定额计算.................................................................................................24电路设计与参数计算............................................................................34.1逆变电路..........................................................................................................34.2滤波电路..........................................................................................................44.3升压斩波单路..................................................................................................54.2驱动单元..........................................................................................................65心得体会.................................................................................................8参考文献.....................................................................................................9本科生课程设计成绩评定表..................................................................1011KVA单相逆变器设计1概述简单地说，逆变器就是一种将低压（12或24或48V）直流电转变为220V交流电的电子设备。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成，它实现直流交流转换，因此这个部件最重要的可靠性和转换效率。通常我们将220V交流电整流变成直流电使用，而逆变器的作用刚好与之相反，因此而得名。根据波形的分类，只要可以分为两类，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的正弦波交流电，它不存在电网中的污染。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同时产生，这样，对负载的逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，不能带感性负载。总的来说，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，但技术要求和成本较高，而方波的制作采用简易的多谐振荡器，实现较为简单，不过由于其缺点太过突出，已经淡出现在的市场了。按照直流侧的电源性质，逆变电路可以分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。[1]本次课设设计的要求是设计一个容量为1KVA的单相逆变器，输入的是48V直流电，输出220V交流电。根据以上的信息内容，为了输出的交流电质量较高，需要实现正弦波逆变器的功能，输出为正弦波；题目要求是输入48V直流电，因此直流侧是电压源，设计的电路应属于电压型逆变电路。22设计思路设计流程如图2-1所示：图2-1课程设计的要求输出为交流电，因此需要设计一个单相的逆变电路，将给定的直流电转换为交流电。经过分析之后，单相桥式逆变电路是一个不错的选择。设计中需要将48V电变为220V电压，所以中间必须要加一个升压装置，可以通过变压器升压，也可以通过直流斩波进行升压。该设计选择直流斩波电路进行升压的工作。首先将48V直流电通过直流斩波电路将电压上升到某个值，升压后的直流电在进入逆变电路逆变成所需要的220V交流电。为了最终获得的正弦波形，需要对逆变电路输出的矩形波进行滤波，设计一个LC振荡电路可以实现。3定额计算该逆变器的容量要求是S=1KVA，输出电压为U=220V。所以额定电流值：1I=S/U=1000/220=4.55A额定的负载：LR=U/1I=220/4.55=48.448V直流电（DC）244V直流电（DC）220V交流电（矩形波）220V交流电（正弦波）直流斩波单相桥式逆变LC震荡滤波34电路设计与参数计算4.1逆变电路逆变电路电路原理图如图4-1所示：图4-1单相逆变电路原理图1.原理说明：电压型全桥逆变电路的原理图如上图所示，它共有四个桥臂。桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通。两对交替各导通180度。当输出端接上负载时，设某时刻t1,T1、T4成对导通，此时odU=idU，其输出电压odU，导通180度后，T1、T4关断，让T2、T3导通，同样导通180度，此时odU=-idU，这就完成一个周期的逆变过程。最终输出的波形为矩形波。[1]2.参数计算：对电压波形进行定量分析。把幅值为Ud的矩形波odU展开成傅里叶级数得/)5/t5sin3/t3sint(sinU4Udod其中，基波的幅值m1oU和基波有效值1odU分别为ididm1oU27.1/U4Uididod1U9.0/U22U逆变电路的输出端1odU需要满足设计要求，因此1odU=220V。可得idU=1odU/0.9=244.4V4忽略电路的损耗，根据能量守恒：SIUidid得到A01.44.244/1000U/SIidid3.器件选择：①续流二极管（VD1、VD2、VD3、VD4）的反向最大耐压V1222/UUidm.可供选择的二极管型号有：10CTQ150-1(fI=10.00ArrmV=150VfV=0.73V)40L15CTS(fI=10.00ArrmV=150VfV=0.41V)②IGBT管（T1、T2、T3、T4）的最大集射极电压cemU122V,最大电流要大于逆变电路的额定电流1I，A55.4II1m。可供选择的IGBT的型号有：GT8Q101(最高耐压V=1200V最大电流I=8A)GT8Q191(最高耐压V=1900V最大电流I=8A)4.2滤波电路滤波电路如图4-2所示：图4-2滤波电路1.原理说明：该滤波电路是由电容和电感组成的LC震荡电路。从输入端输入一个矩形波Ui，经过LC震荡电路可以将其转化为正弦信号，带动负载Zf。2.参数计算：滤波电感c1f2/L，c1f2/1C取额定负载的0.5倍，cf取0.1倍开关频率6HZ计算得mH42.6)614.32/(4.485.0L1mF1.1)4.485.0614.32/(1C53.器件选择：①滤波电感fL可供选择：轴向滤波电感规格：LGC0410/LGC0513/LGC0616/LGC1019电感量：0.1uH-10mH额定电流：65mA~10A②滤波电容fC可供选择：500V3900UF电容500V3900UF500V4400UF电容500V4400UF4.3升压斩波单路升压斩波电路如图4-3所示：图4-3升压斩波电路图1.原理说明：首先假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。当可控开关V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I，同时电容C上的电压向负载R供电。因C值很大，基本保持输出电压Uo为恒值。设V处于通态的时间为ont，此阶段电感L上积蓄的能量为onEIt。当V处于断态时E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为offt，则在此期间电感L释放能量为offIt)EUo(。当电路工6作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量于释放的能量相等，即offIt)EUo(=onEIt化简得offoffoffont/ETt/E)tt(U式中，1t/Toff，输出电压高于电源电压，起升压作用。[1]2.参数计算：储能电感：假定忽略斩波电路的内部损耗，则o*oi*iIVIV（Vi、Ii是电路的输入电压，电流，Vo、Io是电路的输出电压，电流），因为offt*ViVo，故有offt/T*IoVi/Io*VoIi我们选择Ii4.1L/t*ViIon，则电感Ii4.1/t*ViLon有Vo*f/)ViVo(Vo/)ViVo(*Tton且Vi/Io*VoIi因此Io*Vo*f4.1/Vi-Vo*ViL22）（已知Vo=244V，Vi=48V，取Io=Ii=4.01A，f=60HZ则：14.4mHH0144.04*244*60*4.1/48-24448L22）（滤波电容：假如滤波电容C必须在V开启的ont期间供给全部负载电流，设在ont期间，C上的电压降纹波电压由式)V/t(*ICoono和oV/)ViVo(*Tton得Vo*Vo*f/)ViVo(*IoCV2.3%10*32Vo所以uF7.16244*2.3*60/48-244*01.4C）（4.2驱动单元电路设计中，逆变电路中和升压斩波电路中的IGBT管都需要驱动，首先考虑逆变电路的驱动单元。逆变电路有4个IGBT需要驱动信号，这4个IGBT桥式连接，因此可以考虑用集成触发器进行驱动。选用KJ004集成电路为斩波电路中IGBT的提供触发信号，选用两个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成四路双脉冲，7在由四个晶体管进行脉冲放大，即构成单相桥式逆变电路的集成驱动单元。以上驱动电路均为模拟的，其优点是结构简单、可靠，但缺点是易受电网电压的影响，触发脉冲的不对称度较高，可达3~4度，精度低。[1]4.5总体设计总体的设计图如图4-4所示：图4-4总体设计图上图为