正弦波逆变器的设计Word文件下载.docx
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说明书格式
1．课程设计封面；
2．任务书；
3．说明书目录；
4．正文
5．总结与体会；
6.参考文献
7、课程设计成绩评分表
进度安排
1:
课题内容介绍和查找资料；
2:
总体电路设计和分电路设计；
3:
写设计报告，打印相关图纸；
4.答辩
参考文献
1.《电力电子技术》
2.《现代逆变技术及其应用》
3.《交流电机变频调速技术》
第一章
概述。
。
1
第二章
总体设计思路.。
4
2.1
总体框架图.。
2.2
主电路形式选择.。
5
第三章
正弦波逆变器主电路设计.。
6
3.1
有工频变压器的逆变电源主电路设计.。
3.2
无工频变压器的逆变主电路设计
.。
8
第四章
正弦波逆变器输出变频调制方式
10
4.1SPWM正弦脉宽调制方式.。
第五章
正弦波逆变器控制电路.。
13
5.1
总控制电路.。
5.2
局部控制电路.。
15
第六章
总结与心得。
。
17
第七章
附录（总电路图）。
18
参考文献。
19
第一章概述
随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、
生活关系日益密切，而这些设备都离不开可靠的电源，所以逆变器的
作用也是越来越重要。
当铁路、冶金等行业的一些大功率非线性用电
设备运行时，给电网注入大量的谐波，导致电网电压波形畸变。
以至
于一般的电力用户难以接受，这时候逆变器就发挥了不可取代的地
位。
逆变器，是指整流器的逆向变换装置。
其作用是通过半导体功
率开关器件（例如GTO,GTR,功率MOSFET和IGBT等）的开通和关断
作用，把直流电能换成交流电能，它是一种电能变换装置。
我们现在
说所的正弦波逆变器，其主要用途是用于交流传动，静止变频和UPS
电源。
逆变器的负载多半是感性负载。
为了提高逆变效率，存储在负
载电感中的无功能量应能反馈回电源。
因此要求逆变器最好是一个功
率可以双向流动的变换器，即它既可以把直流电能传输到交流负载
侧，也可以把交流负载中的无功电能反馈回直流电源。
逆变器的原理早在1931年就在文献中提到过。
1948年，美国西
屋（Westinghouse）电气公司用汞弧整流器制成了3000HZ的感应加
热用逆变器。
1947年，第一只晶体管诞生，固态电力电子学随之诞生。
1956
年，第一只晶体管问世，这标志着电力电子学的诞生，并开始进入传
统发展时代。
在这个时代，逆变器继整流器之后开始发展。
首先出现
的是SCR电压型逆变器。
1961年，W.McMurray与B.D.Bedford提出了改进型SCR强迫换向逆变器，为SCR逆变器的发展奠定了基础。
1960年以后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并开始进行研究。
1962
年，A.Kernick提出了“谐波中和消除法”，即后来常用的“多重叠
加法”，这标志着正弦波逆变器的诞生。
1963年，F.G.Turnbull提出
了“消除特定谐波法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特
定的优化目标，如谐波最小，效率最优，转矩脉动最小等。
20世纪70年代后期，可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其
模块相继实用化。
80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，
产生了各种高频化的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应管
PowerMOSFET、绝缘门极晶体管IGT或IGBT、静电感应晶体管SIT、
静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管MCT，以及MOS晶体管MGT等。
这
就是、使电力电子技术由传统发展时代进入到高频化时代。
在这个时
代，具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷。
特别是脉宽调
制波形改善技术得到了飞速的发展。
1964年，由A.Schonung和H.Stemmler提出的、把通信系统调
制技术应用到逆变技术中的正弦波脉宽调制技术（Sinusoida-PWM，
简称SPWM），由于当时开关器件的速度慢而未得到推广。
直到1975年才由Bristol大学的S.R.Bowse等把SPWM技术正式应用到逆变技术中，使逆变器的性能大大提高，并得到了广泛的应用和发展，也使
正弦波逆变技术达到了一个新高度。
此后，各种不同的PWM技术相继
出现，例如注入三次谐波的PWM、空间相量调制（SVM）、随机PWM、
电流滞环PWM等，成为高速器件逆变器的主导控制方式。
至此，正弦波逆变技术的发展已经基本完善。
现在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。
正弦波逆变电源利用蓄电池的直流电作为输入，经逆变后输出纯净的正弦波交流电，输出电压和频率极为稳定并可长期连续工作，消除了直接使用市电带来的供电中断，电压不稳，杂音干扰和雷电侵入等不利因素，同时克服了小型ups供电时间短的致命缺陷，确保用电设备连续可靠的工作。
第二章设计总体思路
2.1总体框架图
输入180~285V直流
升压滤波
电路
电
逆变电路
驱动放大电
路
SPWM控制
输出220V
交流电
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。
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180～285V，而UPS内置电池电压为
12V或24V。
2.2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～
285V，而其输出则要求是稳压的。
因此，该逆变电源的逆变电路必
须有一个升压的过程。
这种逆变电源的主回路形式有下述两种。
2.2.1有工频变压器的逆变电源
桥式逆变电路以SPWM方式工作，将185～285VDC电压逆变成有效值基本不变的SPWM波形，由工频变压器升压得到220V交流电压。
这种电路方式效率比较高（可达90%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。
2.2.2无工频变压器的逆变电源
逆变电路以PWM方式首先将185～285VDC电压逆变成高频方波，
经高频升压变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的直流电压，比如
350VDC。
这部分电路实际上是一套直流/直流变换器，即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。
第3章正弦波逆变器主电路设计
3.1有工频变压器的逆变电源主电路设计
3.1.1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3.1所示。
图3.1有工频变压器的逆变电源主回路
电源为180V～285VDC，四个开关管分别为Tr1,Tr3,Tr2,Tr4.
图中，Tr1～Tr4为IGBT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。
3.1.2参数设计
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
电源输出功率也就是变压器的输出功率Po=1000W。
设变压器
的效率ηr=95%，则原边效率P1=Po/ηr≈1060W。
因为变压器是变换SPWM电压波形，其基波（50Hz）的成分
相当大，所以我们可以选择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）/0.95*4.44*50*0.9*0.3*3*10（2*3）*1.2
≈1.14*10ˉ（2+3）（m2+2）=1140cm2
可以选取CD型400Hz硅钢铁芯。
查出截面积Ae，求出有效面积Se=Ae*Ke，然后就可以由下面
的两个公式先求出原边匝数，再求出副边匝数。
N1=V1max/（KfSeBm）
N2=N1/n
导线截面：
副边S2=I2/j=5.5/3≈1.8（mm2）,选Φ1.2mm漆包线两股并绕；
原边S1=I1/j=Ni2/J=1.87*5.5/3≈3.43（mm2）,Φ1.2mm漆
包线三股
并绕。
2.开关管
最高电压为285V，所以开关管的耐压可选为600V。
开关管的峰值电
流：
Im=3I1m=3*5.5*1.87≈31（A）
选IGBT的电流定额为40A。
3.2无工频变压器的逆变器主电路设计
3.2.1电路形式
我们知道，无工频变压器的逆变电源实际上包含两部分：
一套DC/DC和一套SPWM逆变器。
DC/DC的设计这里我们不讨论。
所以，这里只讨论SPWM逆变主电路，其电路形式如图3.2所示。
图3.2无工频变压器的逆变电源主回路
电源是与一套直流/直流变换器连接，取350V，各个管子分别
为Tr1,Tr3,Tr2,Tr4.电感、电容组成LC滤波电路。
3.2.2参数设计
1.开关管
逆变器允许输出峰值电流为
Im=3Iom=3*5.5A=16.5A
所以开关管的电流定额可以选为600V。
我们可以选30A，600V，
TO-247封装的IGBT管。
2.LC滤波电路
L为工频电感，电感量可选为1～2mH。
为减小噪声，选闭合铁芯，
C为工频电容，可以选CBB61-10μF-250VAC。
第4章正弦波逆变器输出变频调制方式
当载波为三角波或锯齿波，调制波为正弦波时，不含相对于调制
波的低次谐波。
当载波为三角波或锯齿波时，基波的幅值和调制度M
成正比，即是线性关系。
当载波为三角波时，输出的脉宽调制波脉冲
的上升沿和下降沿都被控制，称为双边调制，而像锯齿波那样只控制
一个变化沿的控制方式称为单边调制从包含的//谐波来看，双边调制
性能较好。
根据设计要求，应以正弦波为调制波，以三角波为载波来
输出期望的正弦波，故应采用正弦波脉宽调制技术，即SPWM调制
技术。
在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目前国内外研究得比较
多的主要有数字PID控制、无差拍控制、双环反馈控制、重复控制、
滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等。
本文所采用的是外
环为平均值环、内环为瞬时值环的双环控制策略。
内环通过瞬时值控
制获得快速的动态性能，保证变压变频电源输出电压畸变率较低，外
环使得变压变频电源在各个频率段的输出电压具有较高的精度，并使
用DSPTMS320F240全数字的控制实现。
4.1SPWM正弦脉宽调制方式
SPWM正弦脉宽调制可分为双极性调制方式、单极性调制方式
和单极性倍频调制方式。
4.1.1单极性调制方式
单极性调制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高
的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：
另两只功
率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关
损耗。
但又不是固定其中一个桥臂始终为低频（输出基频），另一个桥
臂始终为高频[载波频率），而是每半个输出电压周期切换工作，即同
一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半周则工作在高频，这样
可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，
使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。
4.1.2双极性调制方式
双极性调制方式的特点是4个功率管都工作在较高频率（载波频
率），虽然能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。
4.1.3单极性倍频调制方式
单极性倍频调制方式的特点足输出SPWM波的脉动频率是单极
性的两倍，4个功率管都工作在较高频率（载波频率），因此，开关管
损耗与双极性相同。
第5章正弦波逆变器控制电路
5.1总控制电路
逆变电源控制电路的核心是SPWM发生器。
SPWM的实现包
括分立电路、集成芯片和单片机实现。
它们的电气性能和成本有所不
同，各有自己的优势和不足之处。
逆变电源SPWM电路的调制频率
固定为50Hz不变，为了降低成本，我们这里用分立电路组成，如图
5.1所示
图5.1
产生正弦波和三角波的方法有很多，如模拟法、数字法、数字
模拟混合法等，其中我们采用模拟方法来得到需要的波形。
模拟方法：
模拟方法多用线性积分电路产生三角波，用文氏
桥振荡器或RC振荡器产生正弦波，然后经过比例放大器控制其幅值
正弦波发生器和三角波发生器分别见下两图5.1.1、5.1.2。
图5.1.1正弦波发生器
C1=0.08μ，R1=10k,C2=0.08μ,R2=1.8k,R3=1.8k,R6=180k,R4=1.6k,R5=1.6k
图5.1.2三角波发生器
以标准的正弦波信号为参考，将输出电压的反馈信号与之相比较，经由U1A及其外围电路组成的PI型误差放大器调节后得到一个控制信号，送到U2A去调制三角波，既可得到SPWM波形。
U3A和U4A分别为正负值比较器，它们的输出信号分别给U5A和U6A，从
而将SPWM交替地分成两路，各自放大后驱动相应的开关管对，控
制主回路完成SPWM逆变。
需要注意的是，驱动电路要将每一路信
号分成相互隔离的两路，分别驱动处于对角位置上的两只开关管。
以上控制电路的特点是不仅能控制正弦波输出的有效值，还能调节输
出电压的瞬时值，优化波形，减小谐波失真，提高带负载能力。
5.2控制局部电路
5.2.1放大电路设计
恒流源的JFET差分驱动放大电路
因为所设计的控制电路输出的波形信号是比较微弱的。
完全
不能直接的驱动IGBT的导通。
所以我们必须要设计一个放大器来对
PWM信号进行放大在输出的。
其实放大器的选择又很多种选法，在
这里我采用的是FET差分式放大电路。
第6章总结与心得
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所
学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，又如何完成一件事情。
在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相
互监督。
学会了合作，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处
世。
从开始任务到查找资料，到设计电路图，到最后的仿真过程
中，我学到了课堂上学习不到的知识。
当遇到一不了的问题，跟同伴
一起商量、合作，或许能收到事半功倍的效果。
不管学什么，一定要
打好基础，学好、学精通，但光有理论还是不行的，还得能为己所用;
更重要的是要培养了独立思考和设计的能力，增强对知识应用的信
心，相信会对今后的学习工作和生活有非常大的帮助，并且提高了自己的动手实践操作能力，使自己充分体会到了在设计过程中的成功喜悦。
虽然这个设计做的不是很完美，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益;
最后,也是我感触比较深的一点,这次课程设计中遇到很多困难,让自己犯愁过,彷徨
过,急躁过,可当自己很快调整好心态,从跌倒的地方爬起来继续,最后取得成功,不止是成功后的喜悦,也是一次锻炼!
总的来说这个设计还是比较顺利的，在这里要感谢老师的指导，也感谢同学们的帮助。
虽然课程设计结束了，不过学习电力电子知识的过程还没有终结，探索学习的奥妙，培养学习的兴趣，养成良好的
学习习惯对我们来说才是最重要的，学习不仅仅是学习书本知识，不
是为了学习本身而去学习，方法很重要，以后要更加努力，多搞一些
实际性的东西，做对自己有用的事。
附录（总电路图）
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