利用倍频单极性调制法研究逆变器的调制方式.doc

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1、利用倍频单极性调制法研究逆变器的调制方式新疆工业高等专科学校电气系课程设计任务书10/11学年下学期2011年 5月31日专业电气自动化班级09-41（1）班课程名称电力电子技术设计题目利用倍频单极性调制法研究逆变器的调制方式指导教师起止时间5月30至6月3日周数一周设计地点仓101设计目的：培养学生以下几个方面的能力：（1）综合运用所学知识，进行电力电子电路和系统设计的能力。（2）了解与熟悉常用的电力电子电路的电路控制方法。（3）培养综合分析问题.发现问题.解决问题的能力.设计任务或主要技术指标：1)明确设计任务，对所有设计的任务进行具体分析，充分了解系统性能、指标内容及要求。2）制定设计方

2、案3)并行具体任务：单元电路的设计；参数计算；器件选择；绘制电路原理图。4）攥写课程设计报告（说明书）：课程设计报告是对设计全过程的系统总结，也是培养综合科研素质的一个重要环节。设计进度与要求：（1）课程设计时间为 7 天。（2）调研、查资料 2 天。（3）总体方案设计 2 天。（4）单元电路设计 1 天（画原理图，参数计算）。（5）撰写设计说明书及验收 2 天。主要参考书及参考资料：1沙占有，王彦朋，孟志勇等.新型单片开关电源设计与应用技术M.北京:电子工业出版社，2004.2王鸿钮.实用电源技术手册C.上海:上海科学技术出版社.2002.8: 126-1433蔡宣三.开关电源的发展轨迹M.

3、电源.2000.4: 42-43 4李明珠.基于DSP的在线式UPS控制系统D.南京：南京航空航天大学，2004.教研室主任（签名） 系（部）主任（签名） 年 月 日新疆工业高等专科学校电气系课程设计评定意见设计题目： 利用倍频单极性调制法研究逆变器的调制方式 学生姓名： 专业 电气自动化 班级 09-41（1）班 评定意见：评定成绩： 指导教师（签名）： 年 月 日评定意见参考提纲：1.学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。2.学生的勤勉态度。3.设计或说明书的优缺点，包括：学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。摘 要电力电子技术是以电力为对象的电子技

4、术。它是一门利用各种电力电子器件，对电能进行电压、电流、频率和波形等方面的控制（参数）进行变换，为不同要求的负载提供适配的电源。它主要包括3各方面的研究内容：电力电子器件、电力电子变流装置和电力电子变流系统的控制技术。目前的电力电子器件均有半导体材料制成的，故也称电力半导体器件。电力电子变流电路通常可分为4大类型，即交流变直流（整流）电路、直流变交流（逆变）电路、直流变直流（直流斩波）电路和交流变交流（交流调压、变频）电路。进行上述变换的技术称为电流技术。本次报告主要是交流变直流（整流）电路的设计，则：整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。整流电路的分类：1、按组成的器件可分为

5、不可控、半控、全控三种。2、按电路结构可分为桥式电路和零式电路。3、按交流输入相数分为单相电路和多相电路。4、按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。5、基本控制方式由相位控制方式、脉宽调制控制方式和软开关控制方式。该报告以三相半波整流电路构成系统的主电路，根据三相半波整流电路对触发电路的要求，采用触发电路，为了方便，我们使用集成触发电路，同时考虑了保护电路，通过参数计算对晶闸管进行了选型，也对使用事项做了简单的介绍。把固定不变交流电变换成大小可调的单一方向直流电，把大小可变的电压变换成连续可调的直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对

6、电源电压大小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压U1，变成二次电压U2。由晶闸管等组成的控制整流主电路，其输出端的负载，我们研究是电阻性负载（如电炉，电热器，电焊机，和白炽灯等）、电阻电感负载（如直流电动机的励磁绕组，滑差电动机的电枢线圈等）。以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管在交流电压U2一周期内导通的时间，这样负载上直流平均值就可以得到控制。关键词：电力电子 整流 可控整流 晶闸管目 录1 设计要求52逆变器控制方式选择53 方案设计73.1系统总体框图73.

7、2主电路的设计73.3 DSP的选取93.4驱动电路的设计93.5采样电路103.6保护电路114 元件参数计算114.1输出滤波电感Lf、滤波电容Cf的选取114.2变压器的设计124.3功率开关的选择135 仿真结果135.1驱动波形135.2功率开关器件两端的电压波形145.3逆变器输出波形15总 结16谢 辞17参考文献18171 设计要求主要内容：利用倍频单极性SPWM调制法研究逆变器的调制方式，分析系统的稳定性和外特性，给出系统的硬件结构框图，设计系统各个部分的硬件电路，完成数字控制SPWM逆变器的原理试验和仿真。基本要求：输入电压：4060VDC；输出额定容量：1kVA；输出电压

8、：220V3%；输出电压频率：50Hz载波频率：25kHz；THD(总谐波失真)：3%。2 逆变器控制方式选择传统逆变器的控制电路都是采用模拟电路和小规模数字集成电路实现的。随着信息技术的发展，数字控制技术在逆变电源控制领域已得到越来越广泛的应用。综合考虑系统性价比以及数字控制方式存在的问题，目前，部分数字化（CPU）产生基准正弦，宽频带的电压调节器仍由模拟电路实现）不失为中小功率逆变器控制电路的优选方案。本文分别对两种模拟/数字混合控制方案进行了比较研究，分析了它们的设计与实现，给出了相关实验结果。本章研究的混合控制方式，也是基于数字控制器的。利用DSP取代纯模拟控制中的一些实现环节，如基准

9、正弦发生器、输出过载保护、输出过压/欠压保护等，对于减小控制电路复杂程度、提高系统控制特性是有好处的。同时，混合控制方式也考虑了数字控制可能产生的一些问题，尽可能保留模拟控制的优点，仍采用模拟电路实现电压调节器，与全数字控制系统相比，提高了系统带宽频率和动态响应速度。可见，这种模拟/数字混合控制逆变器具有较高的性价比，在一些应用场合具有较大的优势。根据PWM控制信号的产生方式，常用的混合控制实现方案有两类：模拟/数字混合控制方案、模拟/数字混合控制方案。方案的实现框图如图1。低通滤波器基准正弦发生器有源PI校正电路SPWM生成驱动电路逆变桥LC滤波器无源超前网络电压采样电路DSP-图1 混合控

10、制方案的实现框图图1中，主控芯片DSP主要功能是提供基准正弦数据、计算控制变量采样信号的数值以执行各种保护等，控制电路的其它部分如电压调节器（包括控制框图中前向通道的有源PI校正电路和反馈通道的无源超前校正网络）、PWM发生器等都是用模拟元件实现的。由于DSP产生的基准正弦信号带有高频谐波分量，需采用低通滤波器才能得到光滑的基准正弦波，作为逆变控制系统的指令信号。图2给出了模拟/数字混合控制方案的实现框图，系统工作过程为：DSP提供基准正弦数据，经低通滤波器滤波后得到连续的基准正弦波形，有源PI校正电路将误差信号变为调制信号，由DSP自带的A/D转换器采样并通过DSP内部的事件管理器产生各路P

11、WM控制信号，再经驱动电路控制逆变桥功率开关管的通断。低通滤波器基准正弦发生器有源PI校正电路SPWP生成驱动电路逆变桥LC滤波器无源超前网络电压采样电路DSP-采样保持+图2 混合控制方案的实现框图就控制电路的复杂程度而言，尽管两种方案采用了相同的DSP作为控制芯片，由于方案仍采用与纯模拟控制电路中相同的PWM控制信号生成电路，没有充分运用DSP的片上资源，使得控制电路规模变大，而方案则可省去比较复杂的三角波发生器和比较器，具有一定的成本优势。如前节所述，采用方案时，功率开关管驱动信号的死区时间需要通过模拟器件产生，与方案的软件编程产生死区时间相比，控制精度降低，灵活性差，必须设置相当长的死

12、区时间以保证功率电路的安全，而方案产生的死区时间精度很高，只需根据功率开关管的工作特性设置较短的死区即可，于是可以减轻死区效应，提高逆变器的控制性能。本文拟采用方案进行分析与设计。3 方案设计3.1系统总体框图以数字信号处理器(DSP)为核心的逆变器控制框图如图3所示。在数字信号处理器(DSP)中产生SPWM控制信号，逆变器输出高频脉宽调制型交流电。该交流电经工频变压器和输出滤波器处理后，得到稳定、纯洁的正弦波电源。图3 系统总体框图驱动电路采样电路保护电路DSP3.2主电路的设计1、主电路的结构图4 单相全桥逆变主电路逆变器的主电路结构形式多种多样，有全桥型、半桥型及推挽型等。中小容量逆变电

13、源多采用半桥式逆变器结构，结构简单，控制方便。中大容量逆变电源一般采用全桥式和推挽式逆变器结构。为了滤除高次谐波，逆变桥后级均接有LC滤波器。全桥型的主电路结构由于各种因素的影响必然存在直流偏磁的问题。直流偏磁的存在致使铁心饱和，从而加大了逆变器输出变压器的损耗，降低了效率，甚至会引起逆变失败，对系统的运行有着极大的危害，必须采取措施加以解决。小容量逆变电源因为输出容量小，电压和电流不大，因此开关器件多选用电力MOSFET。而大容量正弦波输出的逆变电源因其电压电流一般都比较大，因此多采用IGBT作为它的开关器件。本文主要研究的是50Hz,1kW的低频逆变电源。基于以上的分析，选用全桥型，带有输

14、出隔离变压器的主电路形式，并采用MOSFET作为开关器件。主电路图如图4所示。2、输出滤波电容的选取输出滤波电容用来滤除输出电压的高次谐波，若越大，输出电压的THD就越小，但DC/AC逆变器无功电流分量增大，从而增大了变流器的体积和成本。一般选取为宜，因此滤波电容值应满足 （1）3、输出滤波电感设计滤波电感有两个作用一方面滤除输出波形中的高次谐波；另一方面作为积分环节实现SPWM控制。它的设计应满足四个方面的要求。1）尽可能滤除调制波的高次谐波分量，提高输出电压波形质量，滤波电感的高频阻抗与滤波电容的高频阻抗相比不能过低，即滤波电感的感值不能太小。为满足输出电压波形质量，要求一个采样周期中，电

15、感电流的最大变化量小于允许的电感电流纹波。在时，最大，此时有： （2）2）电感电流必须能跟踪上给定电流的变化，即。一旦不能跟踪的变化，输出电压的失真度就会变大，严重时甚至导致系统异常工作。因此不能过大，即 （3）式中，为输出电压峰值。3.3 DSP的选取目前，随着计算机和信息产业的飞速发展，信号处理学科不但在理论上，而且在方法上都获得了迅速发展。特别是信号处理器DSP(Digital Signal Processor)的诞生与快速发展，使各种数字信号处理算法得以实时实现，为数字信号处理的研究和应用打开了新局面。由于DSP具有丰富的硬件资源、改进的并行结构、高速数据处理能力，强大的指令系统和日益

16、提高的性价比己经成为世界半导体产业中紧随微处理器与微控制器之后的又一个热点，在通信、航空、航天、雷达、工业控制。网络及家用电器等各个领域得到了广泛的应用。本系统采用的数字信号处理器为TI(TEXAS INSTRUMENTS)公司专为电机和电源等数字化控制而设计的DSP（TMS320F2407A）。这款DSP控制芯片有以下特点：1）采用高性能静态CMOS技术，使供电电压降为3.3V.减小了控制器的功耗：40MIPS的执行速度，提高了控制器的实时控制能力。2）片内有32K字的FLASH程序存储器和1.5K字的数据/程序RAM,544字双口RAM(DASRAM)和2K字的单口RAM(SARAM)。3

17、）10位A/D转换器，最小转换时间为375nS。可以以两个8通道的双排序方式采样，或一个16通道排序方式采样。4）看门狗定时模块(WDT)。3.4驱动电路的设计隔离驱动电路采用A3120光耦隔离型驱动电路，A3120结构框图及驱动电路结构如图5所示。A3120是美国惠普公司生产的用于驱动IGBT、MOSFET器件的光电耦合器，该芯片内部集成有光耦、接口和功放单元，可驱动1200V/100A的IGBT模块。该驱动芯片的主要特点为：（1）工作电源电压范围宽（15V30V）；（2）最小的输出电流峰值2A；（3）最大交换速度500ns；（4）具有欠压锁定保护（UVLO）功能；（5）输出与输入信号同相。

18、当输入信号为高电平时，A3120输出为高电平，由功放级的NPN晶体管放大后输出，驱动功率器件；当输入信号为低电平时，A3120输出为低电平，功放级的PNP晶体管导通，功率器件极间承受反向电压关断。图中，R的大小将影响逆变器的开关损耗，并且影响功率开关的关断尖峰大小以及逆变器的输出波形质量。逆变桥选用不同的功率开关，应调整的大小，使逆变器获得最佳的性能。图5 逆变桥功率开关驱动电路A31203.5采样电路在数字控制系统中，DSP片内A/D采样能够承受到输入电平范围为03.3V，所以无法对所需的控制量直接进行A/D采样，因而通常需要把这些量调理后，才能接至DSP第A/D转换口。本系统采用的是电压电

19、流双环控制，所以包括电压采样电路和电流采样电路。在电压电流双闭环控制系统中，需采样逆变器的输出电压作为反馈量。为了满足DSP的A/D模块输入信号的要求，模拟量需要经过图6所示的调理电路。电流采样电路和电压采样电路原理基本类似，只需把电压传感器换成电流传感器即可：电感电流经一电流传感器得到与电感电流成正比的电压信号，然后经过调理电路变换到03.3V，输入到DSP的A/D模块采样口。图6 电压采样电路+-+-+U13BU13ADT1ADCIN4+5+15-153.6保护电路输入过压和欠压保护电路如图7所示，直流电压保护信号取自主电路输入电压，经电阻分压和光耦隔离后送入控制电路。利用光电耦合器把各种

20、模拟负载与数字信号源隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开。经过光耦的保护信号通过比较器分别与设定的最大/最小电压值进行比较，如果电压值超过限定值，比较器就输出低电平。比较器的输出信号相与，所得的信号送入DSP的PDPINT中断口。当器件引脚PDPINT(电源驱动保护中断)被拉低时，会产生一个外部中断，这个中断是为系统的安全操作提供的。如果PDPINT未被屏蔽，当PDPINT引脚拉低以后，所有的PWM输出均为高阻态。这样可以在过流等故障的情况下，把逆变器的PWM控制信号封死,关闭功率器件，从而实现对逆变器的保护。+-+-+输入电压欠压保护输入电压过压保护+15+15+15+15+15图7

21、 输入过压和欠压保护4 元件参数计算4.1输出滤波电感Lf、滤波电容Cf的选取取。滤波电容电流的有效值为：110%负载时，负载电流的有效值为容性负载时电感电流最大，因此电感电流有效值为其中，。考虑到滤波电感电流的脉动量，滤波电感的电流峰值为Lf选用Mn-Zn R2KBD型铁氧体材料铁心PM62*49，其磁路截面积窗口面积，饱和磁感应强度，选用,滤波电感匝数为：取N=55匝，气隙。按滤波电感电流有效值选取导线，取,导线截面积，导线选用0.12cm的铜皮。窗口利用系数，可以绕下。4.2变压器的设计为了确保输出电压uo的波形质量，防止uo的顶部出现平顶失真，应满足取，有选用的硅钢铁心，截面积为，窗口

22、面积。因为硅钢片是由钢片叠加而成，所以实际铁心截面积为。取变压器原边绕组为匝，副边绕组匝。因此式中为变压器激磁电流。取导线电流密度，有原边采用的高强度漆包线单层绕制，副边采用的高强度漆包线单层绕制。窗口利用系数，可以绕下。4.3功率开关的选择MOSFET的选择可以从器件的电压等级和电流等级两个方面加以考虑。假定逆变器最高直流输入电压为，则采用全桥逆变电路时每个开关器件所承受的最高电压即为。考虑电压尖峰影响，实际开关器件所承受的最高电压要比这个高得多，其大小与吸收电路吸收电压尖峰的能力有关。在这里由于逆变器最高直流输入电压为52.8V,所以我们选用耐压等级为100V的MOSFET.器件的电流等级

23、要根据它所通过的最大峰值电流来确定。假定系统输出功率为，变压器的变比为，假设系统的过载系数为1.5，逆变桥中每个MOSFET电流应力为变压器原边最大电流，则逆变桥中每个MOSFET中流过的电流峰值为：此外，考虑电流纹波以及反并联二极管反向恢复尖峰电流等因素的影响，选MOSFET的电流定额为150A。5 仿真结果5.1驱动波形图8是4个功率开关器件MOSFET的驱动波形。图8 驱动波形由图8可以看出DSP可以很好的输出功率管的驱动波形。从波形看出，能满足快速开关功率管的要求，并满足同一桥臂上两个开关管的死区控制。5.2功率开关器件两端的电压波形图9 MOSFET管两端电压5.3逆变器输出波形1、

24、空载时的波形图10 空载波形2、满载时的波形（1）满载时逆变器的输出波形下图是逆变器满载时的电压波形，由图11可知，逆变器输出电压非常接于正弦波形，其谐波含量少，功率因数大，性能能达到要求。图11 输出波形（2）满载时电感中的电流波形图12 电感电流波形总 结本文主要围绕数字控制SPWM逆变器的硬件设计以及数字控制系统硬件电路设计等方面展开了研究。论文的主要内容概述如下：1介绍了三种经典的SPWM调制方式，包括双极性SPWM调制法，单极性SPWM调制法，倍频单极性SPWM调制法，通过比较和试验发现单极性倍频SPWM调制法相对于其他两种调制方法，其谐波含量更低，只需要更小的滤波器件就可以达到很好

25、的滤波效果。在选择此种调制方式的基础上给出了系统的传递函数，分析了系统的稳定性和外特性。2给出了系统的硬件结构框图，并设计了系统各个部分的硬件电路，包括主电路，驱动电路，采样电路和保护电路，以及数字控制系统的硬件电路，并完成了数字控制电路部分的PCB板的设计。3在传统的PI调解器的基础上，给出了几种用DSP完成PI算法的方法，发现增量式PI算法可以使系统获得更高的精度和可靠性。给出了系统控制软件的流程图，包括主程序流程图和中断程序流程图，在中断程序流程图中包括了数字PI算法。4基于DSP完成了数字控制SPWM逆变器的原理试验，试验结果表明，数字控制在改善逆变器的动态和稳态性能方面也能获得良好的

26、效果。谢 辞经过一周的忙碌设计学习，使我感到很充实，谢谢学校给我们提供了这样一个好的机会。然而，在设计的每个阶段，我都亲自的去做每一个过程，认识了许多型号的电子元件，许多的专业知识也在这个过程中潜移默化，在以后的未来工作中也是一个成功的积淀。在我学习和设计过程中，得到了老师的无私帮助的亲切指导，无论我在学习的过程中遇到的什么困难，付老师都不厌其烦的给我解释并帮助我在理论和实践上提高自己。给我的学习创造了良好的环境和契机。对老师的这种无私的帮助，我是很难用语言来表达自己的感谢的，正所谓感激之情，难于言表。我谨在此对老师衷心的说声：“谢谢付涛老师，您辛苦了！”参考文献1 沙占有，王彦朋，孟志勇等.

27、新型单片开关电源设计与应用技术M.北京:电子工业出版社，2004.2 王鸿钮.实用电源技术手册C.上海:上海科学技术出版社.2002.8: 126-1433 蔡宣三.开关电源的发展轨迹M.电源.2000.4: 42-43 4 Abraham I.Pressman.Switching Power Supply DesignC. Publishing House of Electronics Industry 2005.9:71-895 李明珠.基于DSP的在线式UPS控制系统D.南京：南京航空航天大学，2004.6 陈坚.电力电子学电力电子变换和控制技术C.北京：高等教育出版社，2002：137

28、142.7 林渭勋.现代电力电子电路M.杭州：浙江大学出版社，2002：157163.8 Carpita Mauro.Experimental study of a power conditioning system using sliding mode controlJ.IEEE Transactions on Power Electronics,1996, 11(5):731-742.9 Tzou Ying-Yu,Jung Shih-Liang,Yeh Hsin-Chung.Adaptive repetitive control of PWM inverters for very low THD AC-voltage regulation with unknown loadsC.IEEE Transactions on Power Electronics,1999,14(5):973-981.