基于51單片機(jī)的逆變電源的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 年代，到目前為止，它已經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。第一代逆變電源是采用晶閘管(SCR)作為逆變器的開關(guān)器件，稱為可控硅逆變電源。可控硅逆變電源的出現(xiàn)雖然可以取代旋轉(zhuǎn)型變流機(jī)組，但由于SCR 是一種沒有自關(guān)斷能力的器件，因此必須增加換流電路來強(qiáng)迫關(guān)斷SCR，但換流電路復(fù)雜、噪聲大、體積大、效率低等原因卻限制了逆變電源的進(jìn)一步發(fā)展。第二代逆變電源是采用自關(guān)斷器件作為逆變器的開關(guān)器件。自20 世紀(jì)70 年代后期，各種自關(guān)斷器件相運(yùn)而生，它們包括可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。自關(guān)斷器件在逆變器中的應(yīng)用大大提高了逆變電源的性能，逆變器采用自關(guān)斷器件的好處是：①簡(jiǎn)化了主電路。由于自關(guān)斷器件不需要換流電路，因而主電路得以簡(jiǎn)化、成本降低、可靠性提高；②提高了性能。由于自關(guān)斷器件的使用，使得開關(guān)頻率得以提高，從而使逆變橋輸出電壓中低次諧波含量大大降低，因而使輸出濾波器的尺寸得以減小，逆變電源的動(dòng)態(tài)特性及對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性也得以提高。在自關(guān)斷器件當(dāng)中，IGBT以其開關(guān)頻率高、通態(tài)壓降小、驅(qū)動(dòng)功率小、模塊的電壓電流等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)已成為中小功率逆變器的首選器件。IGBT逆變電源已成為中小型逆變電源的主流。第二代逆變電源在控制上普遍采用帶輸出電壓有效值或平均值反饋的S P W M 控制技術(shù)。第二代逆變電源所采用的控制方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但由于它所采用的S P W M 控制技術(shù)只注重如何通過恰當(dāng)設(shè)計(jì)開關(guān)模式來實(shí)現(xiàn)逆變器輸出頻譜的優(yōu)化，沒有考慮信號(hào)傳輸過程中開關(guān)點(diǎn)的變化及負(fù)載的影響，所以存在以下缺點(diǎn)：①對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性不強(qiáng)。當(dāng)逆變電源輸出帶非線性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流中的低次諧波電流將流過電源的內(nèi)阻，引起輸出電壓波形畸變；②死區(qū)時(shí)間的存在將使S P W M 波中含有不易濾掉的低次諧波，使輸出電壓波形發(fā)生畸變；③動(dòng)態(tài)特性不好。負(fù)載突變時(shí)輸出電壓調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)。之所以出現(xiàn)這種情況，是因?yàn)橄到y(tǒng)中僅存在電壓平均值或有效值反饋，而沒有瞬時(shí)值反饋；④給定電壓與輸出電壓之間的相位差受負(fù)載影響較大，在三相電源中，三相輸出之間的相差不易滿足120176。要求。第三代逆變電源采用了實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)，使逆變電源的性能得到提高。實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)是針對(duì)第二代逆變電源對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性不強(qiáng)及動(dòng)態(tài)特性不好的缺點(diǎn)提出來的，它是近十年來發(fā)展起來的新型電源控制技術(shù)，目前仍在不斷地完善和發(fā)展之中，實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)的采用使逆變電源的性能有了質(zhì)的飛躍。實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)多種多樣，主要有以下幾種[59]：①重復(fù)控制；②諧波補(bǔ)償控制；③無差拍控制；④單一的電壓瞬時(shí)值控制；⑤帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制。其中以第五種控制方法因?qū)崿F(xiàn)方便，逆變電源動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越和對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。 發(fā)展趨勢(shì)及主要問題一、在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，變頻電源技術(shù)均處于核心地位。近年來，現(xiàn)代變頻電源技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)出以下幾種趨勢(shì)：(1) 高頻化 提高變頻電源的開關(guān)頻率，可以有效地減小裝置的體積和重量，為了進(jìn)一步減小裝置的體積和重量，去掉笨重的工頻隔離變壓器，采用高頻隔離，并可消除變壓器和電感的音頻噪聲，同時(shí)改善了輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。(2) 高性能化高性能主要指輸出電壓特性的高性能，它主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:穩(wěn)壓性能好，空載及負(fù)載時(shí)輸出電壓有效值要穩(wěn)定；波形質(zhì)量高，不但要求空載時(shí)的波形好，帶載時(shí)波形也好，對(duì)非線性負(fù)載性要強(qiáng)；突加或突減負(fù)載時(shí)輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)特性好；電壓調(diào)制量小；輸出電壓的頻率穩(wěn)定性好；對(duì)于共相電源，帶不平衡負(fù)載時(shí)相電壓失衡小。(3) 模塊化 ，完全可以滿足大功率要求的場(chǎng)合。但是，這樣整個(gè)系統(tǒng)的可靠性完全由單臺(tái)電源決定，無論如何可靠性也不可能達(dá)到很高。為了提高系統(tǒng)的可靠性，就必須實(shí)現(xiàn)模塊化，模塊化意味著用戶可以方便地將小容量的模塊化電源任意組合，構(gòu)成一個(gè)較大容量的變頻電源。模塊化需要解決逆變電源之間的并聯(lián)問題，變頻電源的并聯(lián)要比直流電源的并聯(lián)復(fù)雜，它面臨著負(fù)荷分配、環(huán)流補(bǔ)償、通斷控制等多方面的問題。 (4) 數(shù)字化現(xiàn)在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn):便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、提高系統(tǒng)抗干擾能力、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào)、也便于自診斷，容錯(cuò)等技術(shù)的植入，同時(shí)也為電源的并聯(lián)技術(shù)發(fā)展提供了方便。 (5) 綠色化綠色電源的含義有兩層:首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因。為了使電源系統(tǒng)綠色化，電源應(yīng)加裝高效濾波器，還應(yīng)在電網(wǎng)輸入端采用功率因數(shù)校正技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)。提高輸入功率因數(shù)具有重要意義，不僅可以減少對(duì)電網(wǎng)的污染，降低市電的無功損耗，起到環(huán)保和節(jié)能的效果，而且還能減少相應(yīng)的投資，提高運(yùn)行可靠性。提高功率因數(shù)的傳統(tǒng)方法是采用無源功率因數(shù)校正技術(shù)，目前較先進(jìn)的方法是:單相輸入的采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，三相輸入的采用SPWM高頻整流提高功率因數(shù)。今后電源技術(shù)將朝著高效率、高功率因數(shù)和高可靠性方向發(fā)展，并不斷實(shí)現(xiàn)低諧波污染、低環(huán)境污染、低電磁干擾和小型化、輕量化。從而為今后的綠色電源產(chǎn)品和設(shè)備的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)保證，這也將是現(xiàn)代電源發(fā)展的必然結(jié)果。二、變頻電源數(shù)字化發(fā)展存在的難點(diǎn)數(shù)字化是變頻電源發(fā)展的主要方向，但還是需要解決一下難題:(l) 變頻電源輸出要跟蹤的是一個(gè)按正弦規(guī)律變化的給定信號(hào)，它不同于一般的開關(guān)電源的常值控制。在閉環(huán)控制下，給定信號(hào)與反饋信號(hào)的時(shí)間差就體現(xiàn)為明顯的相位差，這種相位差與負(fù)載是相關(guān)的，這就給控制器的設(shè)計(jì)帶來了困難。(2) 變頻電源輸出濾波器對(duì)系統(tǒng)的模型影響很大，輸入電壓的波動(dòng)幅值和負(fù)載的性質(zhì)，大小的變化范圍往往比較大，這些都增加了控制對(duì)象的復(fù)雜性，使得控制對(duì)象模型的高階性、不確定性、非線性顯著增加。(3) 變頻電源電力電子變換裝置是一個(gè)離散的、耦合的、非線性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。要滿足負(fù)載對(duì)電源的靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求，一般地將電力電子變換裝置設(shè)計(jì)成一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。工程技術(shù)人員對(duì)線性系統(tǒng)的校正與綜合比較熟悉，對(duì)這樣的系統(tǒng)第5頁（共35頁）控制有些力不從心。因此，如果能建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，特別是從控制到輸出之間的傳遞函數(shù)，則有助于工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)分析，減少盲目選擇參數(shù)的調(diào)試時(shí)間，解決本質(zhì)非線性系統(tǒng)的線性控制問題。 指導(dǎo)思想及技術(shù)要求逆變電源主電路選用單相全橋逆變電路，采用51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)SPWM數(shù)字化調(diào)制控制，該電源調(diào)節(jié)靈活，性能穩(wěn)定可靠，效果很好。技術(shù)要求：（1）具有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能：RS和RL在給定范圍內(nèi)變化時(shí)，使，相對(duì)偏差的絕對(duì)值不大于1%。（2）具有頻率跟蹤功能：當(dāng)fREF在給定范圍內(nèi)變化時(shí)，使uF的頻率fF=fREF，相對(duì)偏差絕對(duì)值不大于1%。（3）當(dāng)RS=RL=30Ω時(shí)，DCAC變換器的效率≥60%。（4）當(dāng)RS=RL=30Ω時(shí)，輸出電壓uo的失真度THD≤5%。 （5）具有輸入欠壓保護(hù)功能，動(dòng)作電壓Ud(th)=(25177。) V。（6）具有輸出過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流Io(th)=(177。) A。3 總體方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思路逆變電源的主電路基本就是有整流器，逆變器，變壓器，LC濾波器組成。圖 典型的逆變電源主電路 逆變電路的選擇與方案論證：①按輸出電能的去向分，可分為有源逆變電路和無源逆變電路。前者輸出的電能不返回公共交流電網(wǎng)，后者輸出的電能直接輸向用電設(shè)備。②按直流電源性質(zhì)可分為由電壓型直流電源供電的電壓型逆變電路和由電流型直流電源供電的電流型逆變電路。③按主電路的器件分，可分為：由具有自關(guān)斷能力的全控型器件組成的全控型逆變電路；由無關(guān)斷能力的半控型器件（如普通晶閘管）組成的半控型逆變電路。半控型逆變電路必須利用換流電壓以關(guān)斷退出導(dǎo)通的器件。若換流電壓取自逆變負(fù)載端，稱為負(fù)載換流式逆變電路。這種電路僅適用于容性負(fù)載。對(duì)于非容性負(fù)載,換流電壓必須由附設(shè)的專門換流電路產(chǎn)生，稱自換流式逆變電路。④按電流波形分，可分為正弦逆變電路和非正弦逆變電路。前者開關(guān)器件中的電流為正弦波，其開關(guān)損耗較小，宜工作于較高頻率。后者開關(guān)器件電流為非正弦波，因其開關(guān)損耗較大，故工作頻率較正弦逆變電路低。⑤按輸出相數(shù)可分為單相逆變電路和多相逆變電路。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我希望獲得正弦交流電壓輸出，在我們電力電子的學(xué)習(xí)中，我們著重學(xué)習(xí)的是電壓型單相逆變電路，我對(duì)這方面也比較熟悉，故選擇電壓型單相逆變電路。圖 單相橋式逆變電路工作原理第7頁（共35頁）開關(guān)TT4閉合，TT3斷開：u0=Ud；開關(guān)TT4斷開，TT3閉合：u0=－Ud；當(dāng)以頻率fS交替切換開關(guān)TT4和TT3時(shí)，(b)所示的交變電壓波形，其周期Ts=1/fS，這樣，就將直流電壓E變成了交流電壓uo。uo含有各次諧波，如果想得到正弦波電壓，則可通過濾波器濾波獲得。電壓型半橋逆變電路結(jié)構(gòu)及波形：它由兩個(gè)導(dǎo)電臂構(gòu)成，每個(gè)導(dǎo)電臂由一個(gè)全控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容C1和C2，且滿足C1=C2。設(shè)感性負(fù)載連接在A、0兩點(diǎn)間。T1和T2之間存在死區(qū)時(shí)間，以避免上、下直通，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)兩晶閘管均無驅(qū)動(dòng)信號(hào)。輸出的電壓有效值為： 由傅里葉分析，輸出電壓瞬時(shí)值為: 其中， 為輸出電壓角頻率。 圖 單相半橋電路及波形 當(dāng) n=1時(shí)其基波分量的有效值為: 電壓型半橋逆變電路工作原理在一個(gè)周期內(nèi)，電力晶體管T1和T2的基極信號(hào)各有半周正偏，半周反偏，且互補(bǔ)。若負(fù)載為阻感負(fù)載，設(shè)t2時(shí)刻以前，T1有驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)通，T2截止，則 u0=Ud/2。t2時(shí)刻關(guān)斷的T1，同時(shí)給T2發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)。由于感性負(fù)載中的電流i。不能立即改變方向，于是D2導(dǎo)通續(xù)流，u0=－Ud /2 。t3時(shí)刻i。降至零，D2截止，T2導(dǎo)通，i。開始反向增大，此時(shí)仍然有u0=－Ud /2 。在t4時(shí)刻關(guān)斷T2，同時(shí)給T1發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)，由于感性負(fù)載中的電流i。不能立即改變方向，D1先導(dǎo)通續(xù)流，此時(shí)仍然有u0=Ud /2 ；t5時(shí)刻 i。降至零， T1導(dǎo)通，u0=Ud /2 ；優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)單，使用器件少；缺點(diǎn)：1）交流電壓幅值僅為Ud/2；2）直流側(cè)需分壓電容器；3）為了使負(fù)載電壓接近正弦波通常在輸出端要接LC濾波器，輸出濾波器LC濾除逆變器輸出電壓中的高次諧波。 一般用于幾kW以下的小功率逆變電源；電路的工作過程：全控型開關(guān)器件T1和T4構(gòu)成一對(duì)橋臂，T2和T3構(gòu)成一對(duì)橋臂, T1和T4同時(shí)通、斷；T2和T3同時(shí)通、斷。T1(T)4與T2(T3)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，即T1和T4有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，T2和T3無驅(qū)動(dòng)信號(hào)，反之亦然，兩對(duì)橋臂各交替導(dǎo)通180176。電路結(jié)構(gòu)及波形輸出方波電壓瞬時(shí)值： 輸出方波電壓有效值： 基波分量的有效值：圖 單相全橋電路及波形 輸出方波電壓瞬時(shí)值：第9頁（共35頁）輸出方波電壓有效值：基波分量的有效值：同單相半橋逆變電路相比，在相同負(fù)載的情況下，其輸出電壓和輸出電流的幅值為單相半橋逆變電路的兩倍。在電壓的利用率方面考慮，采用全橋逆變較好，故主電路采用電壓型單相全橋逆變電路。 調(diào)制信號(hào)選擇及方案論證在逆變電源中，主要的控制部分是對(duì)逆變電路中全控型元件開關(guān)的調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)輸出波形的數(shù)字化頻率調(diào)制。SPWM控制技術(shù)是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM控制技術(shù)，它有如下主要優(yōu)點(diǎn)。（1） PWM實(shí)現(xiàn)起來比較方便，可是用模擬或數(shù)字技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；（2） 可以大幅降低輸出諧波含量，尤其是低頻紋波，它的諧波主要集中在載波頻率的K倍的位置，諧波頻率較高，因此濾波器設(shè)計(jì)容易，實(shí)現(xiàn)成本較低；（3） 對(duì)于多電平變換器，調(diào)制比可以在所有的工作范圍內(nèi)變化；（4） 在載波中加入合適的零序列，可以較好的平衡重點(diǎn)電位。本設(shè)計(jì)的逆變電源是基于51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制SPWM波。所以采用SPWM技術(shù)既方便又有很好的效果。 SPWM調(diào)制基本原理 SPWM法就是用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。即當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，第10頁（共35頁）其輸出響應(yīng)基本相同。如果把各輸出波形用傅立葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。上述原理可以稱之為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。把