A单相逆变电源设计

1/19题目：18KVA单相逆变器设计与仿真院系：电气与电子工程学院专业年级：电气工程及其自动化2010级姓名：郑海强学号：1010200224同组同学：钟祥锣王敢方骞2013年11月20号2/19单相逆变器设计一.设计的内容及要求1.1设计内容要求设计一个输入为150V的直流电压，输出容量为18KVA，输出电压为300V单相交流电的逆变器。1.2参数要求1、输出电压：AC单相300V2、输出频率：100Hz3、输出功率：18KVA4、负载功率因数：cos0.81.0,滞后5、负载短时过载倍数：1.56、输入电压：直流DC333V二.设计方案介绍系统原理框图如下图所示保护电路150VDC供电触发电路逆变主电路工频变压器滤波器300VAC3/19方案简述将直流电变成交流电的电路叫做逆变电路。根据交流侧接在电网和负载相接可分为有源逆变和无源逆变，所以本次设计的逆变器设计为无源逆变。换流是实现逆变的基础。通过控制开关器件的开通和关断，来控制电流通过的支路这是实现换流的方法。直流侧是电压源的为电压型逆变器，直流侧是电流源的为电流型逆变器，综上本次设计为电压型无源逆变器。三.主电路原理图及主要参数设计3.1主电路原理图如图1所示图13.2输出电路和负载计算3.2.1负载侧参数设计计算负载侧的电路结构图如图2所示，根据图2相关经计算结果如下：4/19C'LRiVRI'LICIoVLLI图2负载侧电路结构图1.负载电阻最小值：cos=1.0时，R=2oV/23300/(1810)5oP=?W；cos=0.8时，R=2oV/(oP23cos)300/(18100.8)6.25j=创=W2.负载电感最小值：'L='LZ/(2f)=8.3/(2100p创)=0.0132H3.滤波电容：取滤波电容的容抗等于负载电感感抗的2倍，则：C=1/(2fcZ)=1/(2´100´32)=95.92F取电容为100F,将10个10F的AC电容进行并联，c()Z实=1/(2fC)=1/6(210010010)p-创创=15.9W4.滤波电抗L的计算选取主开关器件工作频率Kf=NOf=32´100=3200Hz由于移相原因，输出线电压的开关频率变为：2Kf=6400HZ取滤波电路固有谐振频率'f=1/(2LC)=Kf/6=533.3Hz则：L=1/（422'fC）=1/(422533100610)=880H实选用L=900uH由此特征阻抗3.2.2逆变电路输出电压900/1003TZLC===5/191.滤波电路输入端电压(无变压器时)逆变电路的输出与后续电路的连接电路如图3所示，有图3可以得到如下的计算结果。C'LRoULLI逆变电路iULuCIiuOuLu图3逆变电路输出电路图4空载时的矢量图空载时:空载时的矢量图如图4所示，由图4可得：()30018.915.9oLCuIAZ===622100900100.5652()LoZfLpp-==创创=W()18.90.565210.7LLLuIZV=??。()3001.5298.5ioLuuuV=-=-=这说明空载时输出电路是升压的。额定负载时：额定负载时，当cos1.0j=和cos=0.8的矢量图分别如图5和图6所示。LILuiuRIouLuCIiuLuouRILuLICILCIILI图5cos1.0j=时的矢量图图6cos=0.8时的矢量图cos1.0j=：()11115tantantan17.5115.9oCCZRRZq---====()()()2222300530015.962.9LRCIIIA=+=+=6/19()0.565262.935.6LLLuZIV=??，()()200230035.62cos9017.530035.6286.16iuV=+-?创=。这说明cos1.0时，即使满载，输出电路也是升压的。cos=0.8：()30030030030017.288.315.3LCLCIIAZZ¢¢-=-=-=，117.28tan19.793006.25oq-==，()()2222'(300/6.25)17.2851.01LRLCIIIIA=+-=+=，()0.565251.0128.83LLLuZIV=??，()()220030028.832cos9019.7930028.83309.65iuV=+-?创=，负载最重时本设计中，负载最重为过载150%时，功率因数最低为0.8，此时：()3003001.53003001.535.358.315.9LCLCIIAZZ¢¢´-=?=-=，135.35tan26.151.53006.25oq-==´，()()()2222'1.5300/6.2535.3536.34LRLCIIIIA=+-=?=，()0.565236.3420.54LLLuZIV=??，()312.33iuV=，可见输出电路此时降压比较严重。2.逆变电路输出正弦电压计算单相桥式电路输出电压为：0.708uE°=。考虑要保留“死区”间隔(图7/197所示)以及开关器件导通时有压降，因而输出电压实际只能达到：()()0.708setuKEmV°°=-。其中：2m=；K为“死区”间隔引起的压降系数:TTKT-D=,则:156.255.00.968156.25K-==本设计中取()3CEsetVV=，则：()0.7080.96832uE°=创-?，考虑整流滤波电路的压降后，实际取为：()350EV=。则三相逆变电路输出线电压为：()()0.7080.6835032235.7uV°=创-?实际取为：()240uV°=。TT图7死区“间隔”示意图3.2.3逆变电路和输出电路之间的电压匹配：逆变电路和输出电路之间的电压匹配采用电源变压器，其结构简图如图8所示。由前面的计算可知输出电路输入端最高电压()312.333iuV=，逆变电路输出线电压240u=，在逆变电路和输出电路之间加入电源变压器。设变压器的变比为:1N，原副方各参数的矢量图如图9所示：以副方输出电压ou为基准矢量，变压器原方电压mouNu=,付方电流oI如图示（滞后），原方电流1/LoIIN=。8/191LICL'R1LABumu:1NoIou图8电压匹配电路图由22111122LOLILI=，可得：2211OLILLNLI骣琪==琪桫，21LNLww=和()221111LLLOOLuLINLINLINNLINu=====，由矢量图可得：ABiuNu=，2400.7684312.333ABiuNu===，考虑变压器内阻和激磁等原因，调整变比N和原方电流：0.75331.02N=。故，取实际的变比为0.7533，()()()1111.03~1.051.03~1.051.03~1.050.7533LOOIIIN?=()()1188.71.04122.460.7533LIA=创=长()()11137.21.04189.420.7533LIA=创=短。将电感折算到原边得：()()22610.753390010510.7LNLHm-==创=3.2.4开关器件的选取1电流参数：9/19开关器件中电流有效值：()()122.46TIA=长，()()189.42TIA=短开关器件中电流峰值：()()()12171.18TPLIIA=?长长()()()122189.42267.8TPLIIA=??短短在连续情况下安全裕量选为2，则：()()22173.18346.36TTPIIA==?长，在过载情况下安全裕量选为1.5，则：()()1.51.5267.8401.7TTPIIA==?短3.3变压器和交流电抗器设计计算在实际加工制造前还进行各种机械结构参数的计算，为制造提供依据。主要是变压器的额定功率、初级线圈电流、铁心的截面积、各线圈的匝数、线圈所用导线的直径和核算铁心窗口面积等几方面。1.计算变压器的额定功率：变压器输出功率为：2223()18IVAkVAPU==(单相为15kVA)，输入功率为：111()PUIVA=那么1P可按下式求得近似值：211818.94()0.95PPkVAh===变压器的额定功率：1218+18.9418.47()22PPPkVA+===2、计算电流（1I）311118.94101.186.8()240PIKAU´==?32221810=60()300PIAU´==，式中K一般选1.1~1.2。10/193、计算变压器铁心净截面积及粗截面积铁心净截面积：321.318.4710176.67()SCKPcm==创=式中系数K一般选在1.0~1.5之间。由于硅钢片之间的绝缘和空隙，实际铁心截面积略大于计算值，应为：2176.67192.04()0.92CCKPSCSCcmKK¢====式中一般0.89CK=；冷轧硅钢带的0.92CK=。根据算出的SC求硅钢片中间舌宽a国家规范可查手册得到选择a=120mm。铁心叠厚b的计算100192.04100160()120SCbmma¢创===取160bmm=，1601.333120ba==在1~2之间。窗高系数hza=取为2.3，所以2.32.3120276()hamm==?。4、计算各线圈的匝数：确定每伏匝数（ON）由84.4410()mCEfNBSV-=?可得8100.098(/)4.4410013000176.67ONNE===创?匝伏11/19经过计算得初级：112400.09823.53()ONUN=??匝实际取为56匝。次级：22(1.05~1.1)1.13000.09832.34()ONUN=鬃=创=匝实际取为90匝。5、计算各线圈导线直径导线电流：2()4IdjsjAp==?41.13()IIdmmjjp==×原边：1186.834.72()2.5pIsmmj===，副边：226024()2.5Ismmj===6、校核铁心窗口面积变压器线圈绕在框架上，每层线圈之间一般均有绝缘层。线圈厚度、绝缘层厚度和框架厚度的总和应小于选用铁心窗口宽度原副边导线带绝缘尺寸大概为24.857.40mm和24.368.40mm。原边每层匝数：1276221347.401.05m-?=-=´；副边每层匝数：227622129.88.401.05m-?=-=´；四：控制系统和辅助电路设计4.1逆变部分的控制系统设计12/19逆变部分采用的控制策略是数字PID和重复控制相结合的综合控制策略。数字PID控制用于保证较快的动态响应，重复控制用于保证输出电压的波形质量。其控制框图如图12所示。那么该控制系统将兼具良好的稳态和动态性能，通过控制参数的合理设计，就可以满足设计指标要求。重复控制PID控制SVPWM脉冲形成驱动/隔离三相逆变桥输出电压检测比较判断保护输入电压检测输入电流检测过流保护保护比较判断比较判断XXVd+-+++变压器及LC滤波电路DSP图9逆变部分控制系统框图1、重复控制器的设计重复控制器控制框图如图12所示C++C(z)P(z)r-+++++edy图10重复控制器控制框图13/19周期延迟正反馈环节对逆变器输出电压的误差进行逐工频周期的累加。补偿器C(z)的作用是抵消二阶LC滤波器的谐振峰值，使重复控制系统稳定。C(z)的表示形式为：()()krCzKzSz=式中，rK——重复控制器的增益，kz——超前环节，()Sz——滤波器滤波器()Sz是为了抑制系统的高频干扰，削除被控对象的谐振峰值，使其在谐振点处有较大的幅值衰减，且具有零相移、零增益特性。因此滤波器()Sz可以由二阶低通滤波器1()Sz和零相移陷波器2()Sz组成。2数字PID控制器设计数字PID控制器的控制原理基本上与模拟PID控制相同。数字PID控制正弦波逆变电源系统的原理如图10所示。为了改善系统的稳态和动态特性,系统中用了前馈补偿。PID控制器可表示为121()(2)()1pidpddKKKKKzKzDzz---++-++=-式中，pK称为比例系数，iK称为积分系数，dK称为微分系数。D（Z）P（Z）+++-VrefVoV图11数字