逆变器的设计(共12页).docVIP

引言 电力系统变电站和调度所的继电保护和综合自动化管理设备有的是单相交流供电的，其中有一部分是不能长时间停电的。普通UPS设备因受内置蓄电池容量的限制，供电时间比较有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比较大，所以需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。 电力电子器件的发展经历了晶闸管（SCR）GTO）、晶体管（BJT）、绝缘栅晶体管（IGBT）等阶段。目前正向着大容量、高频率、易驱动、低损耗、模块化、复合化方向发展，与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。 IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块在大功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。 随着电力电子技术的飞速发展，正弦波输出变压变频电源已被广泛应用在各个领域中，与此同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。 在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大[1]。本文针对正弦波输出变压变频电源SPWM调制方式及数字化控制策略进行了研究，以TMS320F240数字信号处理器为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变频输出。UPS设备因受内置蓄电池容量的限制，供电时间比较有限，而直流操作电源所带的蓄电池容量一般都比较大，所以需要一套逆变电源将直流电逆变成单相交流电。 逆变电源的工作原理与UPS有以下两点区别： 1）逆变电源不需要与交流电网锁相同步，因为其负载可以瞬间停电（几秒以内）。 2）逆变电源的输入直流电压为180～285VUPS内置电池电压为12V或24V。220VAC（有效值），频率为50Hz±1Hz。 2）输出功率：以1KW为例，允许过载20%，既Pomax=1200W。 3）输出电流：允许失真度为3倍，既在电压峰值时的电流峰值允许最大为有效值的3倍。最大有效值为Pomax/Voe=1200W/220V≈5.5A。 4）整机效率：设计目标η≥82%。 1.2主电路形式选择 这种正弦波输出逆变器的输入电压变化范围较宽，为180～285VSPWM方式工作，将185～285VDC90%以上）、可靠性较高、抗输出短路的能力较强。但是，它响应速度较慢，波形畸变较重，带非线性负载的能力较差，而且噪声大。 1.2.2无工频变压器的逆变电源 逆变电路以PWM方式首先将185～285VDC350VDC。这部分电路实际上是一套直流/直流变换器，既DC/DC或DC-DC。然后，在由另一套逆变器以SPWM方式工作，将稳定的直流电压逆变成有效值稍大于220V的SPWM电压波形，经LC滤波后，就可以得到有效值为220V的50Hz交流电压。 2有工频变压器的逆变电源主电路设计 2.1电路形式 有工频变压器的逆变电源主回路基本工作过程可以理解，可以把它设计成以IGBT为 开关管的桥式逆变电路形式，如图（2-1）所示。 图（2-1）有工频变压器的逆变电源主回路 电源为180V～285VDCTr1,Tr3,Tr2,Tr4. 图中，Tr1～Tr4IGBT开关管，C1为串联耦合（去耦）电容，防止变压器因单相偏磁而饱和，T为隔离升压变压器，C2为输出滤波电容，L为输出滤波电感。 2.2 参数设计 2.2.1逆变变压器 变压器输出220VAC的峰值为311V，考虑到变压器副边绕组电压峰值设为315V，原边在考虑去耦电容C1的压降后，最低电压时为170V，所以变压器的匝比n为 n=N2/N1=315V/170V≈1.85 （2-1） 电源输出功率也就是变压器的输出功率Po=1200W。设变压器的效率ηr=95%，则原边效率P1=Po/ηr≈1260W。SPWM电压波形，其基波（50Hz）400Hz的硅钢C型铁芯，其Ke=0.9,Bm=1.2T,Kc可选为0.3，j=3A/mm2=3*10(2*3)A/m2，所以铁芯面积乘积为 AeAc= 1200(1+0.95)