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1、8KVA单相逆变器设计与仿真姓 名： 班 级： 学 号： 同组同学：一设计1.1技术要求1、 输出电压V0（相）：220V 2、输出功率P0：8KVA 3、输出频率f：60HZ 4、过载倍数：2倍 5、负载功率因数cos：0.8-11.2单相逆变电路因为输出功率为8KVA，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=1时，负载电阻计算计算公式为公式（3-1）；当cos=0.8时，负载电阻计算公式为公式（3-2） (3-1) （3-2）2.负载电感最小值计算负载无功
2、功率为 (3-3)负载电感感抗为 (3-4)负载电感L1为 （3-5）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，所以设计滤波电路时选择滤波电容取滤波电容容抗等于负载电感感抗的2倍滤波电容容抗为 (4-1)滤波电容C为 (4-2)实际取值130uF,由13个10uF的电容构成电容阻抗实际值为 （4-3）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为 （5-1） 短期最大电流为 （5-2）1.6无隔离变压器时，逆变器输出电流峰值长期电流峰值为 （6-1）短期电流峰值为 （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
3、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（例60倍频） 2).应该远小于1（即) 3).应较小根据设计滤波器时要注意的问题要求而选择滤波电感L为 （7-1）实际取值为5mH所以滤波电感感抗为 (7-2)滤波电路的固有频率为 （7-3）满足要求1.8逆变电路输出电压滤波及负载部分电路图，如图3所以图3 滤波及负载部分电路图在过载2倍的情况下：1.时（即纯阻性）电感电流与间的夹角为 （8-1）电感电流为 (8-2)电感上的压降为 (8-3)逆变电路的输出电压为 （8-4） 2.时（即阻感性）负载电感电流与滤波电容电流之差为 (8-5)与之间的
4、夹角为 （8-6） 电感电流为 (8-7) 电感上的压降为为 (8-8)逆变电路的输出电压为 (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。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 （10-1） （10=2） 将式（9-1）、（9-2）变换形式后的式（9-3）、（9-4） （10-3） （10-4）根据（9-3
5、）、（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 （10-5）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 其闭环特征方程为 （11-2）主导极点为 （11-3）非主导极点为 （11-4）期望的特征方程为 （11-5）根据极点配置法求解，得 （11-6） （11-7） （11-8） 是阻尼比 是自然振荡频率 为滤波电感 为滤波电容当、时，代入到（11-6）、（11-7）、（11-8）中求得 2.电流内
6、环、电压外环双闭环控制系统将滤波电感电流或滤波电容电流瞬时值作为反馈量引入控制系统，设置电流内化改善系统动态性能双闭环控制系统仿真模型有三种情况，如图7、图8、图9所示 图7 双闭环控制系统仿真模型1 （负载扰动在内环之外） 图8 双闭环控制系统仿真模型2 （负载扰动在内环之内） 图9 双闭环控制系统仿真模型3 （引入负载电流前馈补偿）如图7所示，模型1中负载扰动在内环之外，其优点是能方便的实现逆变器的过流保护，但对负载扰动的抗干扰性弱。如图8所示，模型2中负载扰动在内环之内，其对负载扰动的抗扰性能要强于模型1，但其电感电流不受限制，不能通过限流实现对逆变器的保护。如图9所示，模型3中引入了负
7、载电流前馈补偿，电感电流受到了限制，系统也能根据负载扰动的变化及时的调整，抗扰性也比较好。双闭环系统闭环特征方程为 (11-9)四阶系统期望闭环主导极点为 （11-10）非主导极点、为 （11-11） （11-12）期望的四阶系统特征方程为 （11-13）根据极点配置法求解，得 （11-14） （11-15） （11-16） （11-17） （11-18） （11-19） （11-20） （11-21）将 ，代入（11-14）到（11-21）求得 二仿真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给定为幅值311V、频率60HZ的交流
8、信号时当在0.0208s时加入负载最小电阻6.05，0.054s时去掉负载时，负载电流的波形如图11所示，输出电压的波形如图12所示 图11 负载电流的波形 图12 输出电压的波形当在0.0208s时加入6.05负载，峰值电压下凹到293V,在0.054s去掉负载时，峰值电压凸起到328V。突加、突减负载对系统影响较明显。当在0.0208s时加入3负载，0.054s时去掉负载时，输出电压波形如图13所示 图13 输出电压的波形（R=3时）在加入、去除负载时，输出电压波形有比较明显的波动。在0.0208s加入负载时，波峰电压下凹到了276.8V，与峰值相差了34.2V；在0.054s去除负载时，
9、波峰电压凸起到了347V，比峰值电压高了36V。突加，突减负载对系统影响比较明显。 的FFT分析，如图14所示 图14 的FFT分析由图14可知，输出电压峰值为310.9V，存在的主要谐波次数是1.5次谐波。当负载增加10倍，即在0.0208s时加入30的负载，在0.054s时去掉负载，输出电压的波形，如图15所示 图15 输出电压的波形（R=30时）由图15知，在0.0208s时突加负载，波峰电压下凹到307V；在0.054s时突减负载，波峰电压凸起到313.2V。负载越大，突加、突减负载对系统的影响就越小，当负载大到一定时，突加、突减负载对系统基本上没有什么影响。当负载减小10倍，即在0.
10、0208s时加入0.3的负载，在0.054s时去掉，输出电压的波形，如图16所示 图16 输出电压的波形（R=0.3）由图16知，在0.0208s突加负载时，峰值电压最低下凹到125.2V，在0.054s突减负载时，峰值电压最高凸起到688.6V。负载电阻减小10倍时，突加、突减负载对系统影响很大，在突减负载时，峰值电压有正常电压的2倍左右。给定为幅值311V、频率60HZ的交流信号，负载电阻为3，滤波电容为130uF将滤波电容增大10倍后(即C=1300uF)，输出电压的波形，如图17所示 图17 输出电压的波形（C=1300uF)在0.0208s突加负载时，峰值电压最低下凹到296.8V；
11、在0.054s突减负载时，峰值电压凸起到324.4V。滤波电容增大10倍，使在突加、突减负载时系统更稳定。改变滤波电容后，的FFT分析，如图18所示 图18 输出电压的FFT分析（C=1300uF)将滤波电容减小10倍（即C=13uF)，输出电压的波形，如图19所示 图19 输出电压的波形（C=13uF)在0.0208s突加负载时，峰值电压最低下凹到223V；在0.054s突减负载时，峰值电压最高凸起到422V；滤波电容减小10倍时，突减、突减负载对系统影响比较大，且在突加、突减时，输出电压波形有明显的振荡。比较图13、图15、图16可得，加入负载越小，负载电流越大，突加、突减负载时系统波动越
12、大，系统越不稳定；加入负载越大，输出波形越接近于给定信号。比较图17、图19可得，滤波电容对系统的稳定性有很大的影响，滤波电容越小，突加、突减负载时，系统波动越大；滤波电容越大，突加、突减负载时，系统波动较小，比较接近于给定信号。2.2电流内环、电压外环双闭环控制系统双闭环控制系统仿真模型，如图20、21、22所示 图20 双闭环控制系统仿真模型1（负载扰动在内环外） 图21 双闭环控制系统仿真模型2（负载扰动在内环之内） 图22 双闭环控制系统仿真模型3（引入负载电流前馈补偿）给定为幅值311V、频率60HZ的交流信号当在0.0208s时突减6.05的负载，在0.054s时突减负载，负载电流
13、的波形如图23所示，的波形如图24、25、26所示 图23 负载电流的波形在0.0208s时加入负载，加入负载时有一定的波动，在0.054s时去掉负载。 图24 输出电压的波形（负载扰动在内环外）在0.0208s加入负载时，峰值电压下凹到了293.3V,在0.054s突减负载时，峰值电压凸起到了330V。突加、突减负载对系统稳定性有一定影响。 图25 输出电压的波形（负载扰动在内环之内）在0.0208s突加负载时，峰值电压下凹到了307.5V，在0.054s突减负载时，峰值电压凸起到了314V，与给定信号相差不大。比较图24和图25可知，负载扰动在内环之内的系统比负载扰动在内环外的系统，有更好
14、的抗干扰性能。 图26 输出电压的波形（引入负载电流前馈补偿）在0.0208s突加负载时，峰值电压下凹到了307.5V,在0.054s突减负载时，峰值电压凸起到了314V。引入负载电流前馈补偿的系统和负载扰动在内环之内的系统，具体相差不多的稳定性能，抗干扰性能都比负载电流在内环外的系统要好。双闭环控制系统三种仿真模型中的FFT分析波形是一样的，如图27所示 图27 输出电压的FFT分析 由图中可知，输出电压的主要谐波次数是1.5次谐波。当负载电阻改成3时，输出电压的波形如图28 图28 输出电压波形（负载电流扰动在内环外）当0.0208s突加负载时，峰值电压下凹到276.3V，0.054s突减
15、负载时，峰值电压凸起到348V。与图24相比，可知突加的负载电阻值减小，负载电流增大，系统的波动也就越大，系统稳定性减弱。当给定为幅值311V、频率60HZ的交流信号时，负载电阻为6.05，将输出滤波电容缩小10（即C=13uF）时，输出电压的波形如图29、30、31所示 图29 输出电压的波形（负载电流扰动在内环外）在0.0208s突加负载是，峰值电压下凹到272.7V,当0.054s突减负载时，峰值电压凸起到349.5V。与图24相比知，在突加、突减负载时系统波动大了些。 图30 输出电压的波形（负载电流扰动在内环之内） 图31 输出电压的波形（引入负载电流前馈补偿）在0.0208s突加负
16、载时，峰值电压下凹到287.3V，在0.054s突减负载时，峰值电压突起到333.5V。 的FFT分析，如图32所示 图32 输出电压的FFT分析由图知电容减小10倍后，主要谐波次数变成了2k次谐波，主要是2、4次谐波比较图12、24、25、26可知，双闭环控制系统的抗干扰性能要好于单闭环控制系统，负载电流扰动在内环之内的系统和引入负载电流前馈补偿的系统抗干扰性能要好于负载电流扰动在内环外的系统。比较图13、15、16可知，突加、突减的负载越小，相应的负载扰动电流越大，对系统的影响也越大，负载扰动电流越大，系统波动越大。比较图13、17、19可知，在突加、突减相同负载的前提下，输出滤波电容的大小也会影响系统的抗干扰性能，滤波电容越小，系统抗干扰性能越差，滤波电容越大，系统抗干扰性能越好。
