1、武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书1目录摘要 21.主电路设计 21.1 主电路原理 21.1.1 AC-DC 原理分析 .21.1.2 DC-AC 逆变器原理分析 .41.2 主电路参数计算 .51.2.1 整流部分设计计算 51.2.2 逆变部分设计计算 62. 控制系统设计 .72.1 SPWM 控制原理 .72.2 PI 调节器的设计 .92.3 控制电路的设计 103.驱动电路设计 .104.MATLAB 仿真设计 114.1 MATLAB 简介 114.2 CVCF 正弦波逆变电源电路 .114.3 仿真结果及分析 .12总结 .14参考文献 .15武汉理工大学电力电子装
2、置及控制课程设计说明书2恒压恒频正弦波逆变电源（50V,500W）设计摘要现代电路中，恒压恒频逆变电源有着广泛的应用。本文就设计一个恒压恒频正弦逆波变电源展开。将输入为 220V/50HZ 的单相交流电进行 AC-DA-AC 的变换。通过对主电路，控制系统，驱动电路和辅助电源的设计，达到一个满足设计要求的输出为 50V,功率为 500W 的恒压恒频电源恒压恒频电源的设计。并且设计完成后，将电路用 MATLAB 进行仿真，观察仿真结果。通过仿真结果和理论比较，进一步验证设计的正确性。关键词：整流 逆变 SPWM 调制1.主电路设计1.1 主电路原理由于输入为单相交流电源，输出也为单相交流电源。所
3、以主电路应该包括AC-DC，DC-AC 两部分。1.1.1 AC-DC原理分析本文的整流电路部分采用桥式整流电路。现将其电路图及其工作原理介绍如下。桥式整流电路原理图如图 1-1 所示。桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。这种电路，只要武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书3增加两只二极管口连接成“桥“式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。图 1-1 桥式整流电路图桥式整流电路的工作原理如下：e2 为正半周时，对 D1、D3 和方向电压，Dl，D3 导通；对 D2、D4 加反向电压，D2、D4 截止。电路中构
4、成e2、Dl、Rfz、D3 通电回路，在 Rfz，上形成上正下负的半波整洗电压，e2 为负半周时，对 D2、D4 加正向电压，D2、D4 导通；对 D1、D3 加反向电压，D1、D3 截止。电路中构成 e2、D2Rfz、D4 通电回路，同样在 Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。以上两种工作状态分别如图 1-2（a）和图 1-2（b）所示。 图 1-2 桥式整流电路的工作原理示意图（a）武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书4图 1-2 桥式整流电路的工作原理示意图（b）1.1.2 DC-AC逆变器原理分析逆变器通俗的讲就是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变
5、桥、控制逻辑和滤波电路组成单相恒压恒频率正弦波逆变器电源一般用在对电源质量要求很高的场合。总的原理是直流经振荡电路产生脉动直流（开关管间断导通关闭）或交流电再通过变压器在次极感应出所需电压的交流电。逆变器的工作原理：1.直流电可以通过震荡电路变为交流电 2.得到的交流电再通过线圈升压（这时得到的是方形波的交流电）3.对得到的交流电进行整流得到正弦波单相逆变器主电路主要有半桥式、全桥式、推挽式 3 种，拓扑结构如图 1-3 所示。 图 1-3 单相逆变器主电路拓扑结构武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书5（1）半桥电路输出端的输出的电压波形幅值仅为直流母线电压值的一半，因此，电压利用率低
6、；但在半桥电路中，可以利用两个大电容 C1、C2 会补偿不对称的波形，这是半桥电路的优点所在。（2）全桥电路和推挽电路的电压利用率是一样的，均比半桥电路的利用率大 1 倍。但全桥、推挽式电路都存在变压器直流不平衡的问题，需要采取措施解决。（3）推挽电路主要优点是电压损失小，直流母线电压只有一个开关管的管压降损失；此外，两个开关管的驱动电路电源可以共用，驱动电路简单。推挽式比较适合低压输入的场合。低压输入的推挽式变压器原边绕组砸数较少，一般采用并绕方式，以增加两绕组的对称性，工艺上难度较大。它的优点是：结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导
7、通损耗小。缺点是：变压器带有中心抽头，而且开关管的承受电压较高；由于变压器原边漏感的存在，功率开关管关断的瞬间，漏源极会产生较大的电压尖峰，另外输入电流的纹波较大，因而输入滤波器的体积较大。中、大容量逆变器多采用全桥结构，它的控制方法比较灵活，主要有双极性和单极倍频两种。对于开关器件的选择，小容量逆变器多用 MOSFET，大容量正弦波输出地逆变器多用 IGBT，特大容量逆变器选择 GTO。本次设计采用全桥式逆变电路。1.2主电路参数计算1.2.1 整流部分设计计算主电路整流部分电路设计如图 1-4武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书6图 1-4 主电路整流电路由于采用不控桥式整流电路整
8、流，所以：整流电压平均值为 29.0Ud V1980.二极管承受的最大正向电压为 6.5承受的反向电压为 V312要使整流后电压连续需满足 ，不妨取 C=0.1 。wRCF1.2.2 逆变部分设计计算逆变部分电路设计如图 1-5图 1-5 主电路逆变部分电路图武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书7输出原边部分电阻电容参数 ，为了使电路损耗较小 尽量取得小，LR, R取 ，5R0.5LmH逆变器原边输出电压 VUd4.158.091要得到电压 ，则有变压器变比23V.3k得到正弦波幅值 max520因为要求功率为 500 ， ，考虑到电路中变压器及电PW2max5URP感的损耗，取 4R
9、2. 控制系统设计2.1 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。这里所说的效果基本相同，指环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅式变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。例如图 2-1 a 、b 、c 所示的三个窄脉冲形状不同，图 2-1a 为矩形脉冲，图 2-1b 为三角形脉冲，图 2-1C 为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于 1 ，那么，当他们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。脉冲越窄，其输出的差异越小。当窄脉冲变为图 2-1d 的单位脉冲
10、函数 5(t）时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书8图 2-1 形状不同而冲量相同的各种脉冲上述结论是 PWM 控制的重要理论基础。下面分析如何用一系列等幅而不等宽的脉冲代替一个正弦半波，把图 2-2a 所示的正弦半波波形分成 N 等份，就可把正弦半波看成由 N 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，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用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到图 2-2b
11、 所示的脉冲序列。这就是 PWM 波形。可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的图 2-2 PWM 控制的基本原理示意图武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书9原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM 波形。像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，也称为 SPWM ( Sinusoidal PWM ）波形。在 PWM 波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。以上介绍的是 PwM 控制的基本原理，按照上述原理，在给出了正弦波频率、幅值和半个
12、周期内的脉冲数后，PWM 波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的 PWM 波形。但是，这种计算是很繁琐的，正弦波的频率、幅值变化时，结果都要变化。较为实用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的 PWM 波形。通常采用等腰三角形作为载波，因为等腰三角形上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波形相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合 P 枷控制的要求。当调制信号波为正弦波时，所得到的
13、就是 SPWM 波形。一般根据三角波载波在半个周期内方向的变化，又可以分为两种情况。三角波载波在半个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的 PWM 波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性 PWM 控制方式，如图 2-3 所示。图 2-3 单极性 PWM 控制方式原理武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书10本设计采用单极性 SPWM 控制方式。2.2 PI调节器的设计 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分控制，简称PI 控制，又称 PI 调节。PI 控制器问世至今已有近 70 年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控
14、对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PI 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PI 控制技术。其传递函数 ，本设计采用sKWips1.0,ipK2.3 控制电路的设计本课程设计 SPWM 模块的具体电路模型如图 2-4 所示。图 2-4 SPWM 产生模块其中载波频率为 ，调制比为 0.8。KHZ103.驱动电路设计驱动电路是主电路与控制电路之间的接口电路。合理的驱动电路可以使开关管工作在较理想的状态下，缩短
15、开关时间，减小开关损耗，提高系统的运行效率。另外，有些保护措施往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本作用是：将信息电子电路传来的信号转换为加在器件控制回路中的电压或武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书11者电流，应该具有一定的功率，使器件能够可靠地开通或关断。驱动电路往往还需要提供电气隔离环节。目前，在常用的驱动电路中，广泛使用的电力电子器件是 MOSFET 和IGBT，变压器隔离驱动的驱动脉冲的占空比必须小于 50%，否则变压器的磁通不能复位。而采用 SPWM 调制方式时，开关管的驱动脉冲不可避免的有超过50%的情况，因此，小容量逆变器中，电力 MOSFET 多采用高
16、压隔离驱动的集成芯片，而在中大容量逆变器中，IGBT 则采用厚膜集成驱动电路模块。4.MATLAB仿真设计4.1 MATLAB简介在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。目前流行用 Basic、Fortran 和 c 语言编制计算程序, 既需要对有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。对多数科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。通常，编制程序也是繁杂的，不仅消耗人力与物力,而且影响工作进程和效率。为克服上述困难，美国 Mathwork 公司于 196
17、7 年推出了“Matrix Laboratory”（缩写为 Matlab）软件包，并不断更新和扩充。目前最新的 5.x 版本（windows 环境）是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。在此环境下所解问题的 Matlab 语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。不过，Matlab 作为一种新的计算机语言，要想运用自如，充分发挥它的威力，也需先系统地学习它。但由于使用 Matlab 编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以
18、不象学习其它高级语言-如 Basic、Fortran 和 C 等那样难于掌握。实践证明，你可在几十分钟的时间内学会 Matlab 的基础知识，在短短几个小时的使用中就能初步掌握它.从而使你能够进行高效率和富有创造性的计算。Matlab大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，而且编程效率和计武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书12算效率极高，还可在计算机上直接输出结果和精美的图形拷贝，所以它的确为一高效的科研助手。自推出后即风行美国，流传世界。4.2 CVCF正弦波逆变电源电路CVCF 正弦波逆变电源电路如图 4-1图 4-1 CVCF 正弦波逆变电源电路电路主要包括整流、逆
19、变、SPWM、PI 调节、辅助电源等等模块组成。4.3 仿真结果及分析搭建好电路图以后，开始运行仿真，然后观察各个示波器，得到以下各部分的波形图。图 4-2 为输入 220V/50Hz 的电压波形和整流后的波形。武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书13图 4-2220V/50Hz 的电压波形和整流后的波形说明：图 4-2 中，横轴为时间，纵轴为电压。上面波形为交流输入波形。下面波形为整流后的波形。根据理论，整流电路中，当电容趋向于无穷大时，整流出来的波形为一条直线。由于没有无穷大电容，所以本设计中采用 0.1F 的电容，得到图 4-2 的整流波形。整流后的波形不是一条直线，但满足 TH
20、D5%的误差条件。图 4-3 为经过逆变后的电压波形（没有经过变压器）的波形图图 4-3 逆变后的电压波形（变压器原边）图 4-4 为经过逆变后的变压器副边的电压波形武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书14图 4-4 逆变后的变压器副边的电压波形说明：图 4-3 和图 4-4 中，横轴为时间，纵轴为电压由图 4-3 和图 4-4 可以看出，由于要求输出电压 50V，考虑到电路损耗，所以设计中将变压器副边电压设置为输出 53V，这样在输出端就能更好的得到 50V的电压波形。图 4-5 为最后输出的电压、电流和功率的波形图 4-5 输出的电压、电流和功率的波形说明：图 4-5 中，横轴为时
21、间，纵轴为电压。从上到下波形分别为电压、电流、功率。从图 4-5 可以看出最后结果，输出电压为 50V,功率为 501W，满足条件。得到完整地正弦波。满足了设计要求的条件，验证了理论设计的正确性。武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书15总结通过本次课程设计，我更加牢固的掌握了整流，逆变、SPWM 调制等相关知识。学会了如何设计一个逆变电源。虽然刚开始的时候有些知识不明白，但是经过自己的努力和上网查资料以及对同学的请教，自己心中的很多疑惑都随之解开。同时，此次课设还加深了我对 MATLAB 软件的了解，知道了更多的MATLAB 的相关知识。自己受益匪浅。通过这次毕业设计，我还明白学习是一
22、个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。总之，万事开头难，知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书16参考文献1杨荫福，段善旭.电力电子装置及系统.清华大学出版社.2006.2王兆安，刘进军.电力电子技术（第 5 版）.机械工业出版社，2008.3 周志敏，周纪海.开关电源实用技术设计与应用M.人民邮电出版社.2005.4赵同贺，刘军.开关电源设计技术与应用实例M.人民邮电出版社.2007.5王英剑，常敏慧，何希才.新型开关电源实用技术M.电子工业出版社.2005.武汉理工大学电力电子装置及控制课程设计说明书17
