pwm控制的单相逆变电源系统设计lc滤波电路(编辑修改稿)

pwm控制的单相逆变电源系统设计lc滤波电路(编辑修改稿)内容摘要：

同时，在这种情况下，一般普通的稳压电源也难以达到满意的稳压效果。 本文所研制的逆变电源就是针对上述场合而设计的。 其主电路的构成采用Boost 电路 (DCDC)和全桥式逆变电路 (DCAC)的组合。 控制电路由 IR2110 芯片产生 PWM 对主电路进行控制。 在文章中对主电路、控制电路的工作过程及相关参数的设计给出了详细分析，并推导、给出了重要公式。 通过实验及仿真证明了该逆变电源的可行性。 7 第 2 章 系统方案及基本原理 系 统的基本要求 本毕业设计的课题为单相 PWM 逆变电源的设计，其具体的课题要求如下： （ 1）电源功率 1kW； （ 2）直流电源电压 48V； （ 3）电流波形尽可能接近正弦波；频率 50Hz； （ 4）谐波分量幅值尽可能的小； 为了实现本课题，本系统设计大体上由直流升压电路和交流逆变电路组成。 其中，直流升压电路和交流逆变电路是研究的核心。 系统实现的理论基础 采样理论 在采样控制理论中有一个重要的结论 [1]：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 、 b、 c所示的三个窄脉冲形状不同，图 ，图 ，图 ，但它们的面积 （ 即冲量 ） 都等于 1，那么，当 它 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 脉冲函数时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。 f ( t )t0f ( t )t0f ( t )t0W ( t )f ( t )t0 a) b) c) d) 图 形状不同而冲量相同的脉冲各种脉冲 8 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 N等份，就把正弦半波看成由 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。 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原理 PWM波形和正弦半波是等效的。 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。 图 PWM控制的基本原理示意图 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 9 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 PWM控制的要求。 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。 图 单极性 PWM控制原理方式 如果三角波载波在半个周期内的方向是在正负两个方向变化的，所得到的PWM波形也是在方向变化的，这时称为双极性 PWM控制方式，如图。 图 双极性 PWM控制原理方式 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。 冲量指窄脉冲的面积。 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 面积等效原理 分别将如图 脉冲加在一阶惯性环节（ RL电路）上，如图 10 所示。 其输出电流 i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图 [2]。 图 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 从波形可以看出，在 i(t)的上升段， i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全 相同。 脉冲越窄，各 i(t)响应波形的差异也越小。 如果周期性地施加上述脉冲，则响应 i(t)也是周期性的。 用傅里叶级数分解后将可看出，各 i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波 N等分，看 成 N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。 上述原理可以称为面积等效原理，它是 PWM控制技术的重要理论基础。 图 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。 图 半波分成 N等份，就可以把正弦半波看成 N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，然后把脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使它们 面积相等，就可以得到脉冲序列。 根据面积等效原理， PWM波形和正弦半波是等效的。 11 图 用 PWM 波代替正弦半波 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。 PWM 逆变电路及控制方法 目前中小功率的逆变电路几乎都采用 PWM技术。 逆变电路是 PWM控制技术最为重要的应用场合。 PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。 电压型逆变电路的特点 [3]： (1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动 ； (2) 输出电压为矩形波，输出电 流因负载阻抗不同而不同 ； (3) 阻感负载时需提供无功。 为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。 半桥逆变电路 电路结构如图 （ a） 所示。 V1和 V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，互补。 uo为矩形波，幅值为 Um=Ud/2， io波形随负载而异，感性负载时，图 ， V1或V2通时， io和 uo同方向，直流侧向负载提供能量， VD1或 VD2通时， io和 uo反向，电感中贮能向直流侧反馈， VD VD2称为反馈二极管，还使 io连续，又称续流二极管。 12 图 半桥逆变电路 单相半桥电压型逆变电路简单，使用器件少。 但是交流电压幅值 Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几 kW以下的小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。 全桥逆变电路 图 (a)，两个半桥电路的组合。 1和 4一对， 2和 3另一对，成对桥臂同时导通，交替各导通 180176。 uo波形同下图。 半桥电路的 uo，幅值高出一倍 Um=Ud。 io波形和下图中的 io相同，幅值增加一倍，单相逆变电路中应用最多的。 输出电压定量分析 uo成傅里叶级数 ）（   s i n 551ts i n 331ts i n4u d0 U （ ） 基波幅值 dolm 4U U （ ） 基波有效值  dol 22U U （ ） uo为正负各 180186。 时，要改变输出电压有效值只能改变 Ud来实现。 移相调压方式如图 （ b）。 可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压。 各栅极信号为 180186。 正偏， 180186。 反偏，且 V1和 V2互补， V3和 V4互补关系不变。 V3的基极信号只比 V1落后 q ( 0q 180186。 )， V V4的栅极信号分别比 V V1的前移 180186。 q，uo成为正负各为 q 的脉冲，改变 q 即可调节输出电压有效值。 13 图 全桥逆变电路 电流型逆变电路 直流电源为电流源的逆变电路 — 电流型逆变电路。 一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源。 单相电流型逆变电路： (1) 直流侧串大电感，相当于电流源。 (2) 交流输出电流为矩形波，输出电压波形和相位因负载不同而不同。 (3) 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。 换流方式有负载换 流、强迫换流 [4]。 单相桥式（并联谐振式）电流型逆变电路 如图。 图 单相桥式（并联谐振式）电流型逆变电路 4桥臂，每桥臂晶闸管各串一个电抗器 LT限制晶闸管开通时的 di/dt。 4和 3以 1000～ 2500Hz的中频轮流导通，可得到中频交流电。 采用负载换相方式，要求负载电流超前于电压。 负载 一般是电磁感应线圈，加热线圈内的钢料， RL串联 14 为其等效电路。 因功率因数很低，故并联 C。 C和 L、 R构成并联谐振电路，故此电路称为并联谐振式逆变电路。 输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。 因基波频率接近负载电路谐振频率，故负载对基波呈高阻抗，对谐波呈低阻抗，谐波在负载上产生的压降很小，因此负载电压波形接近正弦波，其逆变电路的主要输出波形如图。 图 并联谐振式逆变电路主要工作波形 一周期内，两个稳定导通阶段和两个换流阶段。 t1t2： VT1和 VT 4稳定导通阶段， io=Id， t2时刻前在 C上建立了左正右负的电压。 t2t4： t2时触发 VT2和 VT3开通，进入换流阶段。 LT使 VT VT 4不能立刻关断，电流有一个减小过程。 VT VT3 15 电流有一个增大过程。 4个晶闸管全部导通，负载电压经两个并联的放电回路同时放电。 t2时刻后， LT VT VT LT3到 C；另一个经 LT VT VT LT 4到C。 t=t4时， VT VT 4电流减至零而关断，换流阶段结束。 t4t2=tg称为换流时间。 io在 t3时刻，即 iVT1=iVT2时刻过零， t3时刻大体位于 t2和 t4的中点。 保证晶闸管的可靠关断：晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，换流结束后还要使 VT VT4承受一段反压时间 tβ， tβ=t5t4应大于晶闸管的关断时间 tq。 为保证可靠换流应在 uo过零前 td= t5t2时刻触发 VT VT 3。 td为触发引前时间  ttt  （ ） io超前于 uo的时间为 ttt  2 （ ） 表示为电角度   2)2( tt （ ） ω为电路工作角频率； γ、 β分别是 tγ、 tβ对应的电角度。 数量分析： 忽略换流过程， io可近似成矩形波，展开成傅里叶级数。 ）（   s in 551ts in 331ts in4i d0 I （ ） 基波电流有效值24I dol I （ ） 负载电压有效值 Uo和直流电压 Ud的关系COSU22U do  （ ） 实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。 固定工作频率的控制方式称为他励方式。 自励方式存在起动问题， 解决方法：一是先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。 另一种方法是附加预充电起动电路。 Boost 升压电路 T he boost converter，或者叫 stepup converter，是一种开关直流升压电路，它可 16 以是输出电压比输入电压高。 如图 ， 电感的作用是将电能和磁场能相互转换的能量转换器件，当 MOS开关管闭合后，电感将电。