课程设计—5KVA单相逆变器设计与仿真

5KVA单相逆变器设计与仿真姓名：班级：学号：同组同学：1目录1、技术要求..................................................................................................................22、负载参数计算..........................................................................................................23、滤波电路的设计......................................................................................................24、逆变电路输出电压..................................................................................................35、逆变电路输出正弦电压..........................................................................................56、逆变器输出电流的计算..........................................................................................67、主开关元器件的选择..............................................................................................78、控制策略..................................................................................................................89、控制器设计与仿真..................................................................................................811、结论......................................................................................................................1321、技术要求1）输出电压：110V2）输出频率：50HZ3）输出功率：5KVA4）负载功率因数：1~8.0cos5）过载倍数：1.52、负载参数计算1）负载电感最小值计算KVarSQOL3000sin公式1033.43000/110/2'LOLQUZ公式2HZLLm84.124.033/(100f)2/(''）公式32）负载电阻最小值计算（1）当1cos时，42.2/2OOPUR公式4（2）当8.0cos时，025.3)cos/(2OOPUR公式53、滤波电路的设计1）滤波电感的设计作用：（1）减小输出电压的谐波电压；（2）保证基波电压的传输。注意：LC2w不应太大而接近于1，RwL应较小。选6.0wL,mH912.15026.0L公式6实取2mH。628.02wfLLZL公式73滤波电路固有频率HzLC94.17721f'公式82）滤波电容的设计滤波电容与负载并联，对逆变电路输出电流影响较大，所以设计滤波电路时先选择设计滤波电容。取滤波电容容抗为负载电感感抗的2倍：066.82'LCZZ公式9uFZCC8.394)f2/(1取400uF，4个100uF、250V的电容并联起来。962.7104005021c216-fZC实公式104、逆变电路输出电压如图1单相逆变器主电路结构图，L为输出滤波电感，C为滤波电容，r为综合了线路电阻、滤波电感等效串联电阻、开关管压降和死区效应等因素的等效电阻。图14（1）空载时AZUIICOLC816.13962.7110公式1VZIULLL676.8628.0816.13公式2VUUULOI32.101676.8110公式3（2）额定负载时1）当1cos时95.16arctan)arctan(COCOZRRUZU公式4AIIIRCL499.4742.2110962.71102222公式5VIZULLL8.29499.47628.0公式6VUI4.1052cos299.321102299.3211022公式72）当8.0cos时A459.13962.7110033.4110110110'CLCLZZII公式8354.0025.3110459.13arctan公式9AIIIICLRL415.30459.13033.4110222'2公式105VIZULLL100.19415.30628.0公式11VUI989.117354.02cos1.1911021.1911022公式12（3）过载150%时1）当cos=1时c2.42arctanarctan11.31.51.57.94RθZ（）公式23221.569.5LCRIIIA公式2443.7LLLUZIV公式25110.1iUV2）当cos=0.8时13.65arctan14.11101.53.025θ（）公式26()2'2LLCRIIII=-+=56.2A公式27LLLUZI=35.3V公式28144.5iUV5、逆变电路输出正弦电压全桥电路输出电压与输入电压DCU的关系为DCDCACUUU9.022公式29由于桥臂上下管互补通断要保留一定的死去时间，且管子导通有压降，故输出电6压达不到DCU354.0,只能达到)(k354.0ECSETDCmVUM为同一通路中开关器件个数（m=2），k是死区时间引起的压降系数K1，TTT2k公式30设uSTkhzfk5.3,6.966-3106.91105.32-106.91k=0.9328管压降CECSETU取3V，VUDC0.18935.19.02110公式31取190V，逆变电路输出电压为V45.15423-1909328.09.0取150V。6、逆变器输出电流的计算（1）逆变器输出电流有效值公式32公式33（2）逆变器输出电流峰值公式347公式357、主开关元器件的选择（1）常用开关器件功率-频率如图所示选择MOSFET（2）MOSFET流过的峰值电流和耐压值的计算公式36公式37公式3888、控制策略逆变器双闭环控制结构由外环电压调节器和内环电流调节器组成。外环电压调节器一般采用PI调节器，内环电流调节器可以采用PI调节器或P调节器。电容电流内环电压外环控制系统动态性能好，抗负载扰动性能强。PWM逆变器电容电流内环电压外环双环控制系统框图如图2所示：电压给定信号ur与输出电压反馈信号u0比较得到电压误差，经过电压调节器Gv产生电流给定信号uir，uir与电容电流反馈信号ic比较而得的电流误差信号经过电流调节器Gi形成控制量u1，对逆变器实施控制。9、控制器设计与仿真（1）控制器的设计在该双环控制方案中，电流内环采用PI调节器，简称双环PI-PI控制系统。其中电流调节器Gi的比例环节用来增加逆变器的阻尼系数，使整个系统工作稳定，并保证有很强的鲁棒性；电流调节器的积分环节用来减少电流环稳态误差；电压外环也采用PI调节器，电压调节器GV的作用是使得输出电压波形瞬时跟踪给定值。这种电流内环电压外环双环控制的动态响应速度十分快，且静态误差很小。电压和电流调节器分别为：电压和电流调节器分别为：9sksGiV11pk公式39sikksGp22i公式40可得到该控制系统的传递函数：sIsLCDrsLsUsLCDkskksksUOripipO22211公式41sIsGsUsGOiorur系统输出传函中的前一部分()urGs体现了控制系统输出对正弦电压给定ru的跟踪性能，而后一部分()ioGs体现了负载电流对控制系统输出的扰动特性，即系统等效输出阻抗。其中控制系统特征方程为：LCkksLCkkkksLCCkkksLCCkrCsDiiipipippp21122122213241s公式42对上述系统按极点配置方法设计控制器参数。双环控制系统的控制器参数按常规方法设计，需考虑两个调节器之间的响应速度、频带宽度的相互影响与协调，制器设计步骤复杂，还需要反复试凑验证；采用极点配置方法大大简化了设计过程，同时能满足高性能指标要求，这种设计方法具有明显的优越性。四阶系统希望闭环主导极点22,11rrrrjwws公式43非主导极点rrwsm3公式44rrwsn4公式45希望四阶系统特征方程为rrrrrrrrwnswmswswsD222s420arrwLCmn公式13312arrwmnnmLC公式14222221arrwmnnmLC公式15rrwnmLC2a3公式16rLap32k公式500kkkk1Ck0222212232aaapipii公式51的实数根pipCa2221k1kk公式5210iia201kk公式53针对一台单相PWM逆变器进行双环控制器设计，逆变器的主要参数如下：额定输出电压Uor=110V（rms），额定频率f=50Hz，额定输出功率Po=5kW，额定功率因数cosφ=0.8，输出滤波电感L=2mH，输出滤波电容C=400μF，等效阻尼电阻r=0.1Ω，PWM开关频率fsw=10kHz。取期望阻尼比ζr=0.8，期望自然频率ωr=2500，m=6,n=8可得：8490106.925008610800a539110544.725008.06288610800a2.248250064.0688262110800a2920256.0250064.082610800a93261.2k1kk2221pipCa9.631.0-1040256.0k4-32rLap67.3738kk201iia9.256775k2i（2）仿真结果将图3数学模型仿真，得图4波形如下图311波形图输出电压波形图12突加负载时的电压波形图（放大）突减负载时的电压波形图（放大）1311、结论本文建立了单相逆变器的数学模型，采用电压电流双环控制，对单相PWM逆变器进行建模仿真。采用极点配置的方法设计控制器参数。仿真和实验结果表明，所采用的控制策略使电流内环、电压外环的逆变器双环控制方式能够达到较好的动、静态特性，特别是其非线性负载带载能力较强。理论分析和实验结果表明通过增大控制系统的期望自然频率，抗非线性负载扰动能力可以得到改善与提高。