逆变电路-电力电子课程设计-spwm.doc

电力电子技术课程设计

电力电子课程设计报告

题 目 无源逆变系统的实现
专业班级 电气工程及其自动化02
学 号 1004150213
学生姓名 孔令上
指导教师 胡为兵
学院名称 电气信息学院

完成日期：2013年 1月

目录
1、设计说明 3
1.1、 设计目的及作用 3
1.2、 设计依据（技术要求） 4
1、 正文 4
2.1、主电路详细原理图 4
2.2、主电路工作原理论述 5
2.4.1单向全控桥式逆变电路 5
2.3、元件参数 6
2.4、元件选择 6
2.5、控制保护电路详细框图 7
2.6、控制保护原理的论述 8
2.6.1、spwm控制原理 8
2.6.2、过流保护设计 10
2.6.3、过流保护论述 11
2.6.4、过压保护设计 11
2.6.4、过压保护论述 12
2、 小节 12
3、 参考资料 13

1、设计说明
1.1、 设计目的及作用
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。现如今，逆变器的应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变。另外，交流电机调速变频器、UPS、感应加热电源等使用广泛的电力电子装置，都是以逆变电路为核心。

本文以单相DC-AC逆变器为研究对象，设计了一种基于全桥式结构的SPWM逆变器。以stc公司的51单片机作为控制核心，根据反馈的电压或电流信号对PWM波形作出调整，进行可靠的的双闭环控制，逆变部分采用mcs-51数字化SPWM控制技术，以尽可能减少谐波。为降低开关损耗，防止产生噪声，将开关频率设置为20KHZ。系统具有短路保护，输入过压和过流保护功能，针对开关管，还完善了抑制浪涌电流，开断缓冲和关断缓冲等功能。设计的硬件电路主要包括全桥式逆变主电路、控制电路、驱动电路、取样电路、保护电路等。重点分析了SPWM控制算法，并给出了软件实现SPWM波形的过程。采用无差拍控制和传统的PI控制方法相结合的复合控制方法，既利用了无差拍控制的快速动态响应特性，又利用了PI控制具有强的鲁棒性，据此设计的控制器能够使逆变器的输出电压很好地跟踪正弦波，在电容性整流负载下输出电压也具有很好的正弦性，在MATLAB/SIMULINK下建立了电源系统的仿真模型，完成了控制器的参数设计，并给出电源在不同负载下和主电路滤波器参数变化下的输出电压仿真波形，证明了本方案设计的逆变器能够得到优质的正弦交流电。
1.2、 设计依据（技术要求）
1.直流电压为12 V。
2.要求频率可调。
3.输出为5V的正弦交流电。
4.带阻感负载。负载中R=2 L=1mH。
5.要求输出频率范围：10HZ~100HZ
1、 正文
2.1、主电路详细原理图
这次设计应用的是电压型全桥逆变电路。其主电路，即逆变部分如下图所示。

2.2、主电路工作原理论述
2.4.1单向全控桥式逆变电路
共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180°。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。
改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压 ——移相调压。

图5-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式
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G1
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V3的基极信号比V1落后q （0＜ q ＜180 °）。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1前移180°－q。输出电压是正负各为q 的脉冲。改变q 就可调节输出电压。故移相调压就是调节输出电压的脉宽。

2.3、元件参数
由于系统的直流电源为=12v。故考虑短路情况，所有igbt，二极管的正向耐压及反响耐压应该为24v以上。
考虑到要求的输出频率在10-100hz。故igbt的开关频率至少应有100hz，并留有余量。
又R=2，L=1mH，输出电压为幅值为5v的正弦，故计算得，电感L、电阻R的最大电流应该为2.5A。
2.4、元件选择
项目
数目
参数

Stc89c52单片机
1

三菱CT60AM-20 IGBT
5
60A/1000V
N5400 硅整流二极管
5
0V, 3A,(Ir=5uA,Vf=1V,Ifs=150A)
LFV129-102U-3A 电感
2
1mh，3A，Tempcrature Risc MAX(℃) 40，17.5mm*14.5mm
2 欧电阻
2

总计
14

2.5、控制保护电路详细框图
本次设计的原理框图如下：
直流电源
逆变电路
输出滤波

保护监测
调制电路

输入电路
保护电路
显示电路

电压反馈
电流反馈

Stc51单片机

2.6、控制保护原理的论述
2.6.1、spwm控制原理
在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。此定理称之为面积等效原理。它是PWM控制技术的重要理论基础。

用PWM波代替正弦波
如上图的正弦半波分成N份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，是矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，就得到上图下半部分的脉冲序列。这就是PWM波形。假如这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM波形。实际中应用的主要是调制法，结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明如下。
设负载为阻感负载，工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。
控制规律：
正半周，通，断，和交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，和导通时，等于，关断时，负载电流通过和续流，0，负载电流为负区间，为负，实际上从和流过，仍有=，断，通后，从和续流，=0，总可得到和零两种电平。同样，在负半周，让保持通，保持断，和交替通断，可得-和零两种电平。
单相桥式PWM逆变电路
2.6.2、过流保护设计
过流保护不仅直接关系到IGBT器件本身的工作特性和运行安全，而且影响到整个系统的性能和安全。它包括短路和过流保护两种，控制回路误动作或误配线等都会造成逆变器上、下桥臂直通等短路事故。短路电流流过逆变器的开关器件，会使元件烧坏，因此，必须在很短的时间内封锁PWM驱动信号输出，使逆变器停止工作，同时，还应使输入侧电源开关跳闸。短路电流的整定值一般为逆变器输出额定电流的200%~300%，超过逆变器额定电流200%以上的电流应立即采取保护措施。

图1过流保护原理图
2.6.3、过流保护论述
过流保护电路如图1所示。此电路是过流保护电路，其中100kΩ电阻用来限流，通过比较器LM311对电流互感器采样转化的电压进行比较，LM311的3脚接一10kΩ电位器来调比较基准电压，输出后接一100Ω的电阻限流它与后面的220µF的电容形成保护时间控制。当电流过流时比较器输出是高电平产生保护，使SPWM不输出，控制场效应管关闭，等故障消除，比较器输出低电平，逆变器又自动恢复工作。
2.6.4、过压保护设计
电网输入电压长时间过高、减速过快，引起泵升电压过高，当超过IGBT的安全工作电压时就可能造成开关器件的损坏；我国电网电压的线性度较差，在重负载时，线电压通常小于380V，而在用电低谷期时，线电压高达440V，如此大的电压变化范围，会导致直流回路过电压，同样会损坏IGBT。故设计了这个过压保护电路
电网输入电压长时间过高、减速过快，引起泵升电压过高，当超过IGBT的安全工作电压时就可能造成开关
图2过压保护电路
2.6.4、过压保护论述
直流电压保护信号取自主回路滤波电容器两端，经电容器分压后获得，为防止高压信号进入控制电路，采用光电耦合电路，直流电压保护动作限定在670V以上。
正常情况下，采样电压小于给定电压，比较器输出低电平，经反向器CD4090输出高电平，指示灯不亮。当故障发生时，采样电压经与非门CD4090输出低电平，过压指示灯LED1亮，同时，过压信号经与非门74HC30输出信号SET，送至锁存器74HB66封锁驱动脉冲输出。

2、 小节
今天，我完成了我的电力电子课程设计，我感到收获颇多！
首先，我感受到了电力电子技术确确实实是一门应用前景广泛的技术。就比如我所做的spwm控制的逆变电路，在电机的反馈运行上、在ups电源上就能用到。现代电力电子技术的重点已经是你变而不是整流了。
其次我学会了使用multisim、matlab等仿真软件 ，熟悉了电力电子器件，并在完成原件选择的时候发现，电力电子器件的选型是门很深的学问啊，若不是对电路有个系统完整的了解，是无法完成选型工作的。
最后，我深刻体会到，电力电子技术是门需要将理论和实践相结合的课程。或许所有工科课程都是这样，理论上你也许能分析出来，而实际做产品的时候就会发现有这样那样的问题是你在纸上分析不出来的。看来以后我一定要加大练习力度。好好讲理论和实践想结合！

3、 参考资料
[1] 刘风君，正弦波逆变器 ，科学出版社
[2] 曲学基，逆变技术与应用，电子工业出版社
[3] 王兆安、刘进军，电力电子技术，机械工业出版社

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