直流逆变器设计

武汉理工大学《能力拓展训练》说明书13KVA三相逆变电源设计1概论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。2设计方案与原理2.1主电路结构选择武汉理工大学《能力拓展训练》说明书2逆变器主电路结构的选取应该遵循以下几个原则：应选用尽量少的开关器件，这样可以提高系统的可靠性，并且降低成本；尽量减少逆变电源中的电容值、电感值和电容电感元件在逆变电源中的数量，这样可以减小整个逆变电源设备的体积，提高其可靠性，同时也应该降低设备的成本；电路拓扑结构应该有利于逆变电源最终输出电压中谐波的消除，输出电压频率及幅值的调节。鉴于以上诸项要求，本文所设计的逆变器主电路采用的是全桥式结构。2.2方案论证在逆变器电路的设计中，控制方法是核心技术。早期的控制方法使得输出为矩形波，谐波含量较高，滤波困难，而SPWM技术较好地克服了这些缺点。SPWM（SinusoidalPulseWidthModulation）正弦脉宽调制技术：通过对一系列宽窄不等的脉冲进行调制，来等效正弦波形（幅值、相位和频率）。SPWM容易实现对电压的控制，控制线性度好，本文所设计的逆变电源采用SPWM控制方式。2.3SPWM逆变器原理2.3.1SPWM波形所谓的SPWM波形就是与正弦波形等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形如图2.1所示，等效的原则是每一区间的面积相等。如图把一个正弦波分作几等分（如图2.1a中，n=12）然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替。图2.1与正弦波等效的等幅不等宽矩形脉冲序列波矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合（如图2.1b），这样由几个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，称作SPWM波形。同样，正弦波的负半周也用同样的方法与一系列负脉冲波等效。图2.2为SPWM滤波线为等效正弦波UmSinω1t,SPWM脉冲序列波的幅值为Us/2,各武汉理工大学《能力拓展训练》说明书3脉冲不等宽，但中心间距相同为π/n，n为正弦波半个周期内的脉冲数，令第i个矩形脉冲宽度为δi,其中心点相位角为θi，则根据面积相等的等效原则，可分成)(sin)2/(12/2/ttdUUiimsi)]2cos()2[cos(nnUiimimnUsin2sin2当n值较大时：nn22sinsimnUU/sin2这就是说，第i个脉冲的宽度与该处正弦波值近似成正比，因此半个周期正弦波的SPWM波是两侧窄，中间宽，脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。图2.2单相式SPWM电压波形2.3.2SPWM调制及逆变桥工作原理今以SPWM三相逆变桥为例进行说明，SPWM三相逆变器主电路由六个全控式功率开关器件构成三相逆变桥，它们各有一个继流二极管反并联结，整个逆变器由三相不可控整流器提供电压为Us的直流电压。若有同一桥臂上下两个开关交替地导通与关断，则输出脉冲在“+”和“－”之间变化，这样得到双极式的SPWM波形，如图2.3所示，其调制方法与单极式相似，只是输出脉冲电压的极性不同，当Ura＞Ut时，VT1导通VT4关断，Uao=+Us/2；当Urs＜Ut时VT1关断，VT4导通，输出相电压Uao=-Us/2,同理VT3和VT6，VT3和VT5交替导通得到UAO，UCO如图c和d所示，UAB=UAO-UBO，可得逆变器输出的线电压波形UAB=f(t)如e所示。tUm1sinUs/2武汉理工大学《能力拓展训练》说明书4图2.3三相双极式SPWM波形2.3.3SPWM波形的分析对负载(交流异步电机)来说，有用的是电压的基波，希望SPWM波形中基波成分越大越好，通过对SPWM脉冲序列波U(t)展开成付利叶极数分析可知，输出基波电压幅值Um与δi有着直接的关系，它说明调节调制波幅值从而改变各个脉冲宽度时，可使逆变器输出电压基波幅值平滑调节。SPWM逆变器输出脉冲序列波的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波，当然这必须是在满足n不太小的近似条件下得到的。但SPWM逆变器输出相电压的基波幅值有常规六拍阶梯波的86%～90%，为弥补这一不足，常在SPWM逆变器的直流回路中并联相当大的滤波电容，以提高逆变器的直流电压Us.由以上分析可知n越大即功率开关器件半周内要开关n次，脉冲数n=N/2，其中N为载波比，即：N=ft/fr=载波频率/参考调制波频率即希望N越大越好。但从功率开关器件本身的允许开关频率来看，N不能太大：N≤功率开关器件的允许开关频率/最高的正弦调制信号频率上式中分母实际上就是SPWM变频器的最高输出频率。现常用功率开关频率如下：BJT（1～5kHz）GTO(1～2kHz)MOSFET（50kHz）IGBT（20kHz）随着全控型快速半导体器件性能价格比的提高和PWM技术的日渐完善和新技术新工艺新材料的使用，SPWM技术将在电气传动及电力系统中得到更广泛的运用。2.4升压斩波原理升压斩波电路如下图2.3所示。假设L值、C值很大，V通时，E向L充电，充电电武汉理工大学《能力拓展训练》说明书5流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压uo为恒值，记为Uo。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为1onEIt。V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为offt，则此期间电感L释放能量为01()offUEIt，稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等，即offontIEUtEI101)((2-1)化简得0offTUEt(2-2)输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路，也称之为boost变换器。T与offt的比值为升压比，将升压比的倒数记作β，则1(2-3)故EaU110(2-4)升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因：L储能之后具有使电压泵升的作用，并且电容C可将输出电压保持住。图2.4升压斩波电路原理图3电路原理及设计3.1主电路原理图逆变电源采用图3.1所示主电路。首先采用升压斩波电路将110KV直流电压升高到武汉理工大学《能力拓展训练》说明书6400KV，因为对输出波形的要求不是很高，与负载并联的电容C取很大就可以达到滤波的目的。开关管T1~T6是IGBT，构成三相逆变桥。关断缓冲由电阻R、电容C和二极管D并联网络组成；C0折算到变压器TM的原边后与L2一起构成交流输出滤波电路；变压器用作电路隔离和升压。图3.1三相逆变器主电路原理图3.2SPWM控制系统图3.2三相SPWM控制系统框图三相脉冲形成可采用上述介绍的SPWM控制方法，控制系统框图如3.2所示。下面介绍SPWM生成的各电路部分。3.2.1数字分频电路武汉理工大学《能力拓展训练》说明书7图3.3是数字分频电路，Y是石英晶体振荡器，它有稳定的震荡频率，频率稳定度可以达到万分之一。该电路选用震荡频率1.8432MHz的晶振，它和R1、C1、C2组成频率信号产生的电路，得到1.8432MHz频率信号，再经过数字电路CD4017、CD4040处理，输出两路频率信号。CD4017是十进制计数器，第7脚的Q3计数端引至第15脚的复位端可以实现3分频。CD4040是串行二进制计数器，9脚Q1可以得到2分频，2脚的Q6可以得到2的6次方既64分频。1.8432MHz的频率，分频后三角波频率为9.6kHz，标准正弦的扫描频率为102.3kHz。图2-3数字分频电路.2标准正弦波形成电路图3.3数字分频电路标准正弦波的长生是利用数字电路实现的，电路原理如图3.4所示。在EPROM中存放的数据（十六进制）是这样得到的；将一个周期的单位正弦波分成N等份，每一点的数据在计算机上事先离散计算好在存放进去。由于写入的数据只能是正值，单位正弦波是和图4中Uref的波形一致，幅值为1的正弦波。本例中将一个周期的正弦波分成N=2048份。正弦扫描频率引入数字电路CD4040，CD4040的输出是一组地址扫描信号送到EPROM的地址线上，EPROM2732中存放的数据便依次送到D/A转换器DAC0832，DAC0832将这些数据转换成断续的模拟信号，经过一个小电容C1（0.1uf以内）滤波，得到连续模拟信号Uref，峰峰值由IO1端引入的给定电压Uc决定，电路中Uc来自调节器的输出。经运放武汉理工大学《能力拓展训练》说明书8LF365处理，可以获得正负对称、幅值为Uc的标准正弦波SINE。图3.4标准正弦波形成电路3.2.2标准正弦波形成电路要产生的标准正弦波的频率f1=50Hz，那么扫描频率应该为：kHzHzNffh4.1022048501，和前面分频电路得到的频率一致。正弦波的频率由武汉理工大学《能力拓展训练》说明书9稳定度相当高的晶振分频得到，故正弦波的波形畸变率很低；正弦波的幅值受控于给定电压。因此，该电路是一个高精度的正弦发生器。上述电路具有通用性，对一个已经写好数据的EPROM，若改变正弦扫描频率，可以改变标准正弦波频率；若改变EPROM中的数据，可实现不同的PWM调制策略，如梯形波调制，注入特定次谐波；若再增加两套电路，在3个EPROM中存放相位互差120°的数据，就可实现三相SPWM控制。3.2.3三角波形成电路分频电路提供了三角波频率信号，即为9.6kHz的脉冲信号，应用隔直、比例和积分电路即可得到幅值适当，正负对称的三角波，其频率为9.6kHz。3.2.4SPWM形成电路本装置SPWM形成电路如图3.5所示，正弦波信号SINE和三角载波信号TR来自前级电路；TL084是运算放大器，一TR由它接成的反向器得到。电路中大量使用了芯片LM311，它是DIP8封装的快速电压比较器，不仅可以作为比较器，还可以利用他的特点做脉冲封锁。下面介绍它的应用：8脚、4脚分别接芯片电源的正、负端；2脚、3脚分别是同向、反向输入；1脚是低电平设定（可接电源负或地），它的电压值决定了LM311输出的低电平值；7脚为输出端，逻辑判断为“高电平”时，集电极开路（OC门特性），因此，7脚必须有上拉电阻同正电源连接，否则，没有高电平输出，图中的R1、R2、R3、R4等都是上拉电阻；5、6脚用来调节输入平衡（可不用），6脚还可以用作选通，如果LM311的6脚接低电平。其输出恒为高电平，这个特点往往用来设置脉冲封锁。该系统设置PWM信号低电平有效，即PWM信号为低电平时，驱动电路产生驱动脉冲，IGBT导通。Lock为保护电路输出的脉冲封锁信号；在电路出现故障时，lock的低电平送到后级各个LM311的6脚，使所有PWM为高电平封锁驱动脉冲。如果不利用LM311封锁驱动，也可以设置PWM高电平有效，取消后级的LM311。武汉理工大学《能力拓展训练》说明书10图3.5SPWM波形成电路图3.5（a）中R1~R4，C1~C4和Rp还组成了死区形成电路，参数大小决定死区时间，Rp可以调节死区大小