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1、5KVA 单相逆变器设计与仿真姓名：班级：学号：同组同学：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.1311 1、技术要求、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：cos 0.8 15）过载倍数：1.52 2、负载参数计算、负载参数计算1 1）负载电感最小值计算）负载电感最小值计算QL SOsin 3000KVarZU2LO/QL110/3000 4.033L ZL/
2、(2f) 4.033/(100） 12.84mH2 2）负载电阻最小值计算）负载电阻最小值计算（1）当cos1时，R U2O/PO 2.42（2） 当c o s 0.8时，R U2O/(POcos) 3.0253 3、滤波电路的设计、滤波电路的设计1 1）滤波电感的设计）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：w2LC不应太大而接近于 1，wLR应较小。选wL 0.6,L 0.62501.912mH实取 2mH。ZL wL 2fL 0.6282公式 1公式 2公式 3公式 4公式 5公式 6公式 7滤波电路固有频率f12LC177.94Hz公式 8
3、2 2）滤波电容的设计）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：ZC 2ZL8.066公式 9C 1/(2fZC) 394.8uF取 400uF，4 个 100uF、250V 的电容并联起来。ZC实11 7.962公式 10-62fc250400104 4、逆变电路输出电压、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 13（1 1）空载时）空载时UO11013.81
4、6A公式 1ZC7.962IC ILUL ILZL13.8160.628 8.676V公式 2UIUOUL1108.676 101.32V（2 2）额定负载时）额定负载时1）当cos1时UO arctan(ZC R U) arctan16.95OZRC22I2LI2 IR110 C7.962110 2.42 47.499AUL ZLIL 0.62847.499 29.8VU11032.299cosI 110232.299222105.4V2）当cos 0.8时I110L ICZ110Z1104.0331107.96213.459ALC arctan13.459 0.354110 3.025II
5、22LR IL IC2110 4.033213.459 30.415A4公式 3公式 4公式 5公式 6公式 7公式 8公式 9公式 10UL ZLIL 0.62830.415 19.100V公式 11公式 12UI 110219.12211019.1cos0.354 117.989V2（3 3）过载）过载 150%150%时时1）当cos =1 时R2.42 arctan （） arctan11.3公式 231.5Zc1.5 7.94ILIC21.5IR2 69.5AUL ZLIL 43.7V公式 24公式 25Ui110.1V2）当cos =0.8 时 arctan （13.65） 14.
6、11101.53.0252公式 26IL=(IL- IC)+ IR2=56.2A公式 27公式 28UL ZLIL =35.3VUi144.5V5 5、逆变电路输出正弦电压、逆变电路输出正弦电压全桥电路输出电压与输入电压UDC的关系为UAC2 2UDC 0.9UDC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5压达不到0.354UDC,只能达到0.354k(UDCmVECSET)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，k T 2T公式 30T设fk 9.6khz,T 3.5uS1k 9.6103-23.510-61=0.
7、93289.6106管压降UCECSET取 3V，UDC110 20.91.35189.0V取 190V，逆变电路输出电压为0.90.9328190-32154.45V取 150V。6 6、逆变器输出电流的计算、逆变器输出电流的计算（1 1）逆变器输出电流有效值）逆变器输出电流有效值32（2 2）逆变器输出电流峰值）逆变器输出电流峰值式 346公式 31公式 33公公式公式 357 7、主开关元器件的选择、主开关元器件的选择（1 1）常用开关器件功率）常用开关器件功率- -频率如图所示频率如图所示选择 MOSFET（2 2） MOSFETMOSFET 流过的峰值电流和耐压值的计算流过的峰值电流
8、和耐压值的计算7公式 36公式 37公式 388 8、控制策略、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 9、控制器设计与仿真、控
9、制器设计与仿真（1 1）控制器的设计）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：8k1isk2iGis k2ps可得到该控制系统的传递函数：GVs k1pUO公式 39公式 40ks1psk1ik2
10、psk2iLCDss2sLrUrIOs公式 41LCDs GursUrsGiosIOs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：Ds s 4rC Ck2pLCs 31k1pk2pCk2iLCs 2k1pk2ik2 pk1iLCsk1ik2i公式 42LC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
11、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s1,2 rwr jwr1r非主导极点s3 mrwrs4 nrwr22rrr公式 43公式 44公式 45r希望四阶系统特征方程为Drs s2 2rwrs wra0 LCmnrwr42s mws nw公式 13公式 14公式 15公式 16公式 50公式 513a1 LCm n 2mnrwra2 LC 12m 2n mnrwr22a3 LCm2nrwrk2p32a3rLCk2i1a2k2ia1k2pk2ik2pa0 0的实数根k1pa2Ck2i1k2p9公式 52k1ia0k2i公式
12、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 cos =0.8，输出滤波电感 L=2mH，输出滤波电容 C=400 F，等效阻尼电阻 r=0.1 ，PWM 开关频率 fsw=10kHz。取期望阻尼比 r=0.8，期望自然频率 r=2500，m=6,n=8 可得：a0 8001096825004 9.6108a1800109688260.825003 7.544105a2 800 109126 28860.6425002 248.2a38001096280.6
13、42500 0.0256k1pa2Ck2i1 2.261k2 pk2pk1ia30.0256r -0.1 63.9L410-4a0 3738.67k2ik2i 256775.9（2 2）仿真结果）仿真结果将图 3 数学模型仿真，得图 4 波形如下图 310波形图输出电压波形图11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）1211、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。13