8KVA单相逆变器设计与仿真

-1-8KVA单相逆变器设计与仿真姓名：班级：学号：同组同学：-2-一．设计1.1技术要求1、输出电压V0（相）：220V2、输出功率P0：8KVA3、输出频率f：60HZ4、过载倍数：2倍5、负载功率因数cosφ：0.8-11.2单相逆变电路因为输出功率为8KVA，所以选择单相全桥逆变电路。单相全桥逆变电路，如图1所示。图1单相全桥逆变电路1.3负载参数计算负载输出部分电路图，如图2所示图2负载输出电路1.负载电阻最小值计算当cosφ=1时，负载电阻计算计算公式为公式（3-1）；当cosφ=0.8时，负载电阻计算公式为公式（3-2）05.680002202020PVR(3-1)-3-5625.78.08000220cos0202SVR（3-2）2.负载电感最小值计算负载无功功率1LQ为KVASQL8145.437sin8sin01o(3-3)负载电感感抗1LZ为053.105.481422021201LLQVZ(3-4)负载电感L1为mH667.26602053.10f211LZL（3-5）1.4滤波电容计算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选择滤波电容取滤波电容容抗等于负载电感感抗的2倍滤波电容容抗CZ为106.20053.10221LCZZ(4-1)滤波电容C为uFfZCL997.131106.206021211(4-2)实际取值130uF,由13个10uF的电容构成电容阻抗实际值1CZ为4148.201013060212161fCZC（4-3）1.5无隔离变压器时，逆变器输出电流有效值长期最大电流（长）OI为9268.37)4148.20220()05.6220(22(长）OI（5-1）-4-短期最大电流短）(0I为5214.73)4148.20220()05.62202(22(短）OI（5-2）1.6无隔离变压器时，逆变器输出电流峰值长期电流峰值长）(OPI为6366.539268.3722((长）长）OOPII（6-1）短期电流峰值短）(OPI为975.1035214.7322((短）短）OOPII（6-2）1.7滤波电感计算1.滤波电感的作用1).减小输出电压的谐波电压2).保证滤波电压的传输2.设计滤波器时应该注意以下问题1).滤波电路固有频率应远离输出电压中可能出现的谐波频率（例60倍频）2).LC2应该远小于1（即12LC)3).RL应较小根据设计滤波器时要注意的问题要求而选择6.1L滤波电感L为mHfL246.46026.126.1（7-1）实际取值为5mH所以滤波电感感抗LZ为884.110560223fLLZL(7-2)滤波电路的固有频率'f为HZLCf511.19710130105212163'（7-3）10923.02LC满足要求-5-1.8逆变电路输出电压滤波及负载部分电路图，如图3所以图3滤波及负载部分电路图在过载2倍的情况下：1.1cos时（即纯阻性）电感电流LI与RI间的夹角为4286.8)4148.20205.6arctan()2arctan(CZR（8-1）电感电流LI为521.73)05.62202()4148.20220()2(2222RCLIII(8-2)电感L上的压降LV为VZIVLLL514.138884.1521.73(8-3)逆变电路的输出电压iV为VVi1835.242)4268.890cos(514.1382202514.13822022（8-4）2.8.0cos时（即阻感性）负载电感电流1LI与滤波电容电流CI之差为9915.324148.20220053.102202220220211CLCLZZII(8-5)-6-CLII1与RI之间的夹角为555.29)5625.722029915.32arctan()arctan(1RCLIII（8-6）电感电流LI为8847.66)9915.32()5625.72202()()2(22212CLRLIIII(8-7)电感L上的压降为LV为VZIVLLL0107.126884.18847.66(8-8)逆变电路的输出电压iV为VVi7.302)555.2990cos(0107.12622020107.12622022(8-9)1.9主开关器件的耐压主开关器件的耐压根据所有工作情况下的最高电压考虑，主开关器件所承受的最高电压一般出现在输入电压最高、输出负载最轻时，选主开关器件耐压为实际工作电压的2倍。取逆变电路在过载情况下的输出电压的2倍，即V4.60527.302。在留有一定裕量下，实际选650V耐压的开关器件。1.10输出滤波模型输出滤波电路图，如图4所示图4输出滤波电路根据输出滤波电路写出如下关系式1riVoVidtdiL（10-1）01iidtdVoC（10=2）-7-将式（9-1）、（9-2）变换形式后的式（9-3）、（9-4）11riVoViLsi（10-3）oiiCsVo1（10-4）根据（9-3）、（9-4）画出输出滤波仿真模型，如图5所示图5输出滤波仿真模型输出电压Vo与输入电压Vi的关系式为oirCsLCsrLsVircsLCsVo11122（10-5）1.11单相逆变器的控制策略1.电压单闭环控制系统单闭环控制系统仿真模型，如图6所示图6单闭环控制系统仿真模型在给定输入Vi与负载扰动输入io共同作用下下，闭环输出Vo（s）为)()1()()()()1()(23232sIoKsKsKrCLCsrLsssViKsKsKrCLCsKsKsKVoiPdiPdiPd其闭环特征方程)(sD为iPdKKsKrCLCssD)1()()(23（11-2）-8-主导极点21、S为2211rrrrjS、（11-3）非主导极点3S为)105(3nnSrr（11-4）期望的特征方程)(sDr为))(2())()(()(22321rrrrrrrrrnsssssssssD（11-5）根据极点配置法求解，得rCLCnKrrd)2(（11-6）1)12(22LCnKrrP（11-7）LCnKrri3（11-8）r是阻尼比r是自然振荡频率L为滤波电感C为滤波电容当8.0r、3500r、10n、6.0r时，代入到（11-6）、（11-7）、（11-8）中求得8825.108PK222950iK02176.0dK2.电流内环、电压外环双闭环控制系统将滤波电感电流或滤波电容电流瞬时值作为反馈量引入控制系统，设置电流内化改善系统动态性能双闭环控制系统仿真模型有三种情况，如图7、图8、图9所示图7双闭环控制系统仿真模型1（负载扰动在内环之外）-9-图8双闭环控制系统仿真模型2（负载扰动在内环之内）图9双闭环控制系统仿真模型3（引入负载电流前馈补偿）如图7所示，模型1中负载扰动在内环之外，其优点是能方便的实现逆变器的过流保护，但对负载扰动的抗干扰性弱。如图8所示，模型2中负载扰动在内环之内，其对负载扰动的抗扰性能要强于模型1，但其电感电流不受限制，不能通过限流实现对逆变器的保护。如图9所示，模型3中引入了负载电流前馈补偿，电感电流受到了限制，系统也能根据负载扰动的变化及时的调整，抗扰性也比较好。双闭环系统闭环特征方程)(sD为LCKKsLCKKKKsLCCKKKsLCKrCssDiiiPiPiPPp21122122213241)((11-9)四阶系统期望闭环主导极点21、S为2211rrrrjS、（11-10）-10-非主导极点3S、4S为rrmS3（11-11）rrnS4（11-12）期望的四阶系统特征方程)(rsD为))()(2()(22rrrrrrrrnsmssssD（11-13）根据极点配置法求解，得420rrLCmna（11-14）321)2(rrrmnnmLCa（11-15）222])22(1[rrmnnmLCa（11-16）rrnmLCa)2(3（11-17）PiPKCKaK22211（11-18）iiKaK201（11-19）rCaKP32（11-20）0)1(02222122232aKKKaKaCKPiPii（11-21）将8.0r3500r10nm6.0r，代入（11-14）到（11-21）求得901024.6a611030.3a4025.7212a04.03a0923.3072PK059.532iK3459.21PK7326.52671iK-11-二．仿真2.1电压单闭环控制系统仿真电压单闭环控制系统仿真模型，如图10所示ViioVoSineWaveScope5ScopePulseGeneratorProductPID(s)PIDController1sIntegrator11sIntegrator-K-Gain31/3Gain2-K-Gain1-K-Gain图10电压单闭环控制系统仿真模型给定为幅值311V、频率60HZ的交流信号时当在0.0208s时加入负载最小电阻6.05，0.054s时去掉负载时，负载电流0i的波形如图11所示，输出电压0V的波形如图12所示图11负载电流0i的波形-12-图12输出电压0V的波形当在0.0208s时加入6.05负载，峰值电压下凹到293V,在0.054s去掉负载时，峰值电压凸起到328V。突加、突减负载对系统影响较明显。当在0.0208s时加入3负载，0.054s时去掉负载时，输出电压0V波形如图13所示图13输出电压0V的波形（R=3时）在加入、去除负载时，输出电压波形有比较明显的波动。在0.0208s加入负载时，波峰电压下凹到了276.8V，与峰值相差了34.2V；在0.054s去除负载时，波峰电压凸起到了347V，比峰值电压高了36V。突加，突减负载对系统影响比较明显。-13-0V的FFT分析，如图14所示00.020.040.060.080.1-2000200Selectedsignal:6cycles.FFTwindow(inred):2cyclesTime(s)024681012141600.0050.010.0150.020.025HarmonicorderFundamental(60Hz)=310.9,THD=0.02%Mag(%ofFundamental)图140V的FFT分析由图14可知，输出电压0V峰值为310.9V，存在的主要谐波次数是1.5次谐波。当负载增加10倍，即在0.0208s时加入30的负载，在0.054s时去掉负载，输出电压0V的波形，如图15所示图15输出电压0V的波形（R=30时）-14-由图15知，在0.0208s时突加负载，波峰电压下凹到307V；在0.054s时突减负载，波峰电压凸起到313.2V。负载越大，突加、突减负载对系统的影响就越小，当负载大到一定时，突加、突减负载对系统基本上没有什么影响。当负载减小10倍，即在0.0208s时加入0.3的负载，在0.054s时去掉，输出电压0V的波形，如图16所示图16输出电压0V的波形（R=0.3）由图16知，在0.0208s突加负载时，峰值电压最低下凹到125.2V，在0.054s突减负载时，峰值电压最高凸起到688.6V。负载电阻减小10倍时，突加、突减负载对系统影响很大，在突减负载时，峰值电压有正常电压的2倍左右。给定为幅值3