单相逆变器设计与仿真
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12KVA
目录
前言
1.1技术要求 1.2单相逆变电路 1.3负载参数计算 1.4滤波电容计算 1.5无隔离变压器时，逆变器输出电流有效值1.6无隔离变压器时，逆变器输出电流峰值 1.7滤波电感计算 1.8逆变电路输出电压 1.9主开关器件的耐压 1.10输出滤波模型 1.11单相逆变器的控制策略 2.1电压单闭环控制系统仿真
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总结
14
前言
逆变器是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220v50HZ 正弦或方波）。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC ）转化为交流电（AC ）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。
广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD 、VCD 、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等 。
简单地说，逆变器就是一种将低压(12～ 48伏) 直流电转变为220伏交流电的电子设备。因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。我们处在一个“移动”的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电，
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逆变器就可以满足我们的这种需求。
1.1技术要求
1、输出电压V0（相）：300V 2、输出功率P0：12KVA
3、输出频率f ：100HZ 4、过载倍数：1.5倍
5、负载功率因数cos φ：0.8-1 6、输入电压 380±10% 7、输入频率 50Hz ±10%
1.2单相逆变电路
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因为输出功率为12KVA ，所以选择单相全桥逆变电路。单相全桥逆变电路，如图1所示。
图1 单相全桥逆变电路
1.3负载参数计算
负载输出部分电路图，如图2所示
图2 负载输出电路
1. 负载电阻最小值计算
当cos φ=1时，负载电阻计算计算公式为公式（3-1）；当cos φ=0.8时，负载电阻计算公式为公式（3-2）
V 0
23002
R ===7.5Ω
P
120000
(3-1)
-
2V 2300= R ==9.375Ω （3-2）
S cos ϕ12000⨯0. 80
2. 负载电感最小值计算
负载无功功率Q L 1为
KVA (3-3) Q L 1=S 0sin ϕ=12⨯sin 37=7.22
o
负载电感感抗Z L 1为
V 023002
==12.46Ω (3-4) Z L 1=
Q L 17220
负载电感L1为
L 1=
Z L 112.46
==0. 0198mH （3-5） 2πf 2π⨯100
1.4滤波电容计算
滤波电容与负载并联，对逆变电路输出电流影响较大，设计滤波电路时选择滤波电容容抗等于负载电感感抗的2倍.
滤波电容容抗Z C 为
Z C
=2Z L 1=2⨯12.46=24.92Ω (4-1)
滤波电容C 为 C =
11==127.7uF (4-2)
2πfZ L 12π⨯100⨯12.46
实际取值130uF, 由13个10uF 的电容构成 电容阻抗实际值Z C 1 为
Z C 1（4-3）
11===12.24Ω -6
2πfC 2π⨯100⨯130⨯10
1.5无隔离变压器时，逆变器输出电流有效值
-
长期最大电流I O （长）为
I 1=(
30023002
+(=46.91A （5-1） 7.512.24
I 0(短）
短期最大电流为
1.5⨯30023002
I =() +() =64.81A （5-2） 2
7.512.24
1.6无隔离变压器时，逆变器输出电流峰值
长期电流峰值I OP (长）为
A （6-1） I 3 =2I O ( =2⨯43.31=66.345
短期电流峰值I OP (短）为
I 4=
2I O ( =2⨯53.90=91.66A （6-2）
1.7滤波电感计算
1. 滤波电感的作用
1). 减小输出电压的谐波电压
2). 保证滤波电压的传输 2. 设计滤波器时应该注意以下问题
1). 滤波电路固有频率应远离输出电压中可能出现的谐波频率.
2). ω
2
LC 应该远小于1（即ω
2
LC
ωL
3). R 应较小
根据设计滤波器时要注意的问题要求而选择ωL =0. 6 滤波电感L 为
-
L =
0. 60. 6
==954.92uH （7-1） 2πf 2π⨯100
实际取值为950uH 所以滤波电感感抗Z L 为
-6
Z =ωL =2πfL =2π⨯100⨯950⨯10=0.597Ω (7-2) L
滤波电路的固有频率f
'
为
f ' =
12πLC
=
1
2π950⨯10-6
⨯130⨯10
-6
=452.88HZ
ω2LC =(2⨯3.14⨯100)2⨯950⨯130⨯10m 12=0.0487
1.8逆变电路输出电压
滤波及负载部分电路图，如图3所示
图3 滤波及负载部分电路图
在过载2倍的情况下：
1. cos ϕ=1时（即纯阻性）
电感电流I L 与I
R 间的夹角θ为
7-3）
-
（
R 7.5o
) =16.75 θ=) = （8-1）
Z C 24.92
电感电流I L 为
3002300222
+I R =(+() =46.91A (8-2) I L =I C
12.247.5
电感L 上的压降∆V L 为
∆V L =I L Z L =46.91⨯0.597=28.00V (8-3)
逆变电路的输出电压V i 为
V i =3002+282-2⨯300⨯28⨯cos(90o -16.75) =293.16V （8-4）
2. cos ϕ=0. 8时（即阻感性）
负载电感电流I L 1与滤波电容电流I C 之差为
I L 1-I C =
2⨯3003001.5⨯300300-=-=24.08A (8-5) Z L 1Z C 12.4624.92
I L 1-I C
与I R 之间的夹角θ为
I L 1-I C 24.08
==36.96o （8-6） θ=300I R
9.375
电感电流I L 为
I L =(I R ) 2+(I L 1-I C ) 2=(
3002
+(24.08) 2=40.05A (8-7) 9.375
电感L 上的压降为∆V L 为
∆V L =I L Z L =40.05⨯0.597=23.91V (8-8)
逆变电路的输出电压V i 为
V i =3002+23.912-2⨯300⨯23.91⨯cos(90o +36.96) =314.96V (8-9)
-
1.9主开关器件的耐压
主开关器件的耐压根据所有工作情况下的最高电压考虑，主开关器件所承受的最高电压一般出现在输入电压最高、输出负载最轻时，选主开关器件耐压为实际工作电压的2倍。
取逆变电路在过载情况下的输出电压的2倍，即
314.96⨯2=629.92V
。在留有一定裕量下，实际选650V 耐压的开关
器件。
1.10输出滤波模型
输出滤波电路图，如图4所示
图4 输出滤波电路
根据输出滤波电路写出如下关系式
C
L
di
=Vi -Vo -ri 1dt （10-1）
dVo
=i 1-i 0
（10=2） dt
-
将式（9-1）、（9-2）变换形式后的式（9-3）、（9-4）
Lsi 1=Vi -Vo -ri 1 （10-3） CsVo =i 1-i o （10-4）
根据（9-3）、（9-4）画出输出滤波仿真模型，如图5所示
图5 输出滤波仿真模型
输出电压Vo 与输入电压Vi 的关系式为
Vo =
1Ls +r
Vi -i o （10-5） 22
LCs +rcs +1LCs +rCs +1
1.11单相逆变器的控制策略
1. 电压单闭环控制系统
单闭环控制系统仿真模型，如图6所示
图6 单闭环控制系统仿真模型
在给定输入
Vi
与负载扰动输入io 共同作用下下，闭环输出
Vo （s ）为
K d s 2+K P s +K i s (Ls +r )
Vo =Vi (s ) -Io (s )
LCs 3+(rC +K d ) s 2+(K P +1) s +K i LCs 3+(rC +K d ) s 2+(K P +1) s +K i
其闭环特征方程D (s ) 为
D (s ) =LCs 3+(rC +K d ) s 2+(K P +1) +K i （11-2）
2为 主导极点S 1、
2
=-ξω±j ω-ξ S 1、（11-3） 2r r r r
非主导极点S 3为
S 3=-n ξr ωr (n =5-10) （11-4）
期望的特征方程D r (s ) 为
D r (s ) =(s -s r 1)(s -s r 2)(s -s r 3) =(s 2+2ξr ωr +ωr 2)(s +n ξr ωr ) （11-5）
根据极点配置法求解，得
K d =(n +2) ξr ωr LC -rC （11-6） K P =(2n ξr 2+1) ωr 2LC -1 （11-7） K i =n ξr ωr 3LC （11-8） ξr 是阻尼比 ωr 是自然振荡频率 L 为滤波电感 C 为滤
波电容
n =10、r =0. 6Ω时，当ξr =0. 8、代入到（11-6）、（11-7）、（11-8）ωr =3500、
中求得
K P =108. 8825 K i =222950 K d =0. 02176
2.1电压单闭环控制系统仿真
电压单闭环控制系统仿真模型，如图10所示
图10 电压单闭环控制系统仿真模型
图13 输出电压V 0的波形
图
14. 单向负载波
图十五. 突加负载
图十六. 突减负载
总结
经过此次设计，我了解了仿真电路设计中的各项细节和过程，熟悉了单向逆变电路的特性和特点，将公式推导和原理结合相统一起来，深刻认识都计算精细对整个仿真的巨大印象，透彻的将感性和容性负载相区别，将功率角、功率因素和有功功率、无功
功率的各种联系透彻掌握，最后也对
matlab 仿真软件进一步熟悉了解，能够基本操作该软件做电路仿真实验，并取得目标波形
结果。
此次设计收获颇丰，虽然存在一些不足和错误，但在及时改正后取得了较好结果，相信在以后的学习中能够更加好的利用现在的所学，得到更大进步！
参考文献
[1]王兆安. 黄俊. 电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2008. [2]陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 北京:机械工业出版社，1991：10 [3]刘风君. 现代逆变技术及应用[M].北京电子工业出版社，2006 [4] 徐德宏. 开关电源设计指南[M].北京:机械工业出版社，2004. [5]胡寿松. 自动控制原理. 北京:科学出版社，2003：345—349 [6]陈道炼著．DC —AC 逆变技术及其应用[M]．机械工业出版社，2003