小功率逆變說明書.doc

1 緒論1.1 研究背景及意義逆變電源是一種采用電力電子技術、控制技術進行電能轉換的電力裝置，它可將輸入的12V或24V等直流電轉換成220V/50Hz交流電或其它類型的交流電，它輸出的交流電可用于各類設備，最大限度地滿足移動供電場所或無電地區(qū)用戶對交流電源的需要。目前世界各國電源標準并不統(tǒng)一，各種新興的能源形式也不斷出現(xiàn)，逆變電源有著廣泛的用途，它可用于各類交通工具，如汽車、各類艦船以及飛行器，在太陽能及風能發(fā)電領域，逆變電源有著不可替代的作用。有了逆變電源，就可利用直流電(蓄電池、開關電源、燃料電池等)轉換成交流電為電器提供穩(wěn)定可靠得用電保障，如筆記本電腦、手機、手持PC、數(shù)碼相機以及各類儀器等、小型逆變電源還可利用汽車、輪船、便攜供電設備，在野外提供交流電源。逆變電源的研制將帶來可觀的經濟效益和社會效益。逆變技術的原理早在1931年就有人研究過。從1948年美國西屋電氣公司研制出第一臺3kHZ感應加熱逆變器至今已有近60年歷史了，而晶閘管SCR的誕生為正弦波逆變器的發(fā)展創(chuàng)造了條件，到了20世紀70年代，可關斷晶閘管(GTO)、電力晶閘管(BJT)的問世使得逆變技術得到發(fā)展應用。到了20世紀80年代，功率場效應管(MOSFET)絕緣柵極晶體管(IGBT)、MOS控制晶閘管(MCT)以及靜電感應功率器件的誕生為逆變器向大容量方向發(fā)展奠定了基礎，因此電力電子器件的發(fā)展為逆變技術高頻化、大容量化創(chuàng)造了條件。進入20世紀80年代后，逆變技術開始從應用低速器件、低開關頻率逐漸向采用高速器件、提高開關頻率的方向發(fā)展，使逆變器體積進一步減小，效率進一步提高，正弦波逆變器的品質指標也得到很大提高。而微電子技術的發(fā)展又為逆變技術的實用化建立了很好的平臺，傳統(tǒng)的逆變器需要通過許多的分立元件或模擬集成電路加以完成。隨著逆變技術復雜程度的增加，所需處理的信息量越來越大，而微處理器的誕生正好滿足了逆變技術的發(fā)展要求，從8位的帶有PWM口的微處理器到單片機，發(fā)展到今天的32位DSP器件，使先進的控制技術如矢量控制技術、模糊控制等在逆變領域得到較好的應用?？傊孀兗夹g的發(fā)展是隨著電力電子技術、微電子技術和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展而發(fā)展的，進入21世紀，逆變技術正向著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發(fā)展。而逆變電源是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分，逆變電源的性質決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電能的質量。隨著逆變電源的類型的增多和控制技術的不斷發(fā)展，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)可以應用到與國民生產和日常生活相關的各個領域。1.2 國內研究水平以及發(fā)展趨勢近年來，現(xiàn)代逆變技術主要朝著高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化以及并機技術的趨勢發(fā)展。而目前我國國內的逆變電源按變換方式主要采用工頻變換。工頻變換逆變電源是先產生50HZ交流信號，然后利用工頻升壓器產生220V交流電。這種逆變器結構簡單，工作可靠，但這種逆變器體積大、笨重、噪音大、價格高、效率方面也有待進一步提高。高頻變換逆變電源是通過高頻DC-DC變換技術，先將低壓直流變?yōu)楦哳l低壓直流，經過高頻變壓器升壓后再整流成高壓直流，對其再進行正弦變換，即可得到220V/ 50Hz正弦波交流電。雖然這種逆變器控制環(huán)節(jié)較多，電路復雜，但是因為采用了高頻變換，因而體積小、重量輕、噪音小、效率高，是目前可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中首選產品。1.3 論文主要研究的的內容以及目標本課題主要是研究逆變系統(tǒng)，通過設計一個單相有源逆變電源即給定輸入的直流電轉化為能帶動額定負載的交流電輸出，并以此為基礎利用Matlab與DSP混合編程研究逆變電源的仿真，并將做出相應的參數(shù)辨別曲線，做出估算及計算精度，最后運用Protues給出原理圖。主要涉及到的問題包括以下幾個方面：1、確定系統(tǒng)的總體結構；2、建立逆變電源主要部件的數(shù)學模型；3、如何實現(xiàn)逆變系統(tǒng)的PWM控制；4、了解Matlab與Simulink軟件的使用方法、編程以及仿真方法；5、用Matlab對逆變系統(tǒng)進行仿真；6、用Protues給出系統(tǒng)原理圖2 獨立逆變電源的系統(tǒng)分析逆變技術是在電力電子技術中最主要、最核心的技術，它主要應用于各種逆變電源、變頻電源、開關電源、UPS電源、交流穩(wěn)壓電源、電力系統(tǒng)的無功補償、電力有源濾波器、變頻調整器、電動汽車、電氣火車、燃料電池靜置式發(fā)電站等。本章將對獨立逆變系統(tǒng)的整體結構進行分析和比較，對獨立逆變電源的控制和結構進行分析和簡化并對其進行參數(shù)整定。2.1 逆變技術的分類現(xiàn)代的逆變技術種類很多，可以按照不同的形式進行分類，主要有如下幾種：1、按逆變器輸出交流的頻率，可分為工頻逆變(5060Hz )、中頻逆變(400Hz到十幾KHz)、高頻逆變(十幾KHz到幾MHz)。2、按逆變器輸出的相數(shù)，可分為單相逆變、三相逆變和多相逆變。3、按輸出能量的去向，可分為有源逆變和無源逆變。4、按逆變主電路的形式，可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式逆變。5、按逆變主開關器件的類型，可分為晶閘管逆變、晶體管逆變、場效應管逆變、IGBT逆變等等。6、按輸出穩(wěn)定的參量，可分為電壓型逆變和電流型逆變。7、按輸出電壓或電流的波形，可分為正弦波輸出逆變和非正弦波輸出逆變。8、按控制方式，可分為調頻式(PFM)逆變和調脈寬式(PWM)逆變。9、按逆變開關電路的工作方式，可分為諧振式逆變、定頻硬開關式逆變和定頻軟開關式逆變。2.2 獨立逆變系統(tǒng)結構的比較目前常見的逆變系統(tǒng)結果主要有一下三種：2.2.1 工頻變壓器形式電路即單結構（DC-AC），如圖2-1所示，先將電流電壓轉換成有效值相同的交流電壓，再由工頻變壓器將所得的交流電壓升到預期的額定交流電壓（比如220V）。工頻變壓器形式電路的工作效率一般可以達到90%以上，可靠性高、抗輸出短路的能力強。但是采用工頻變壓器造成體積龐大，所以質量較大，價格也比較昂貴，而且響應速度慢、波形畸變嚴重、帶非線性負載的能力比較差。蓄電池負載濾波環(huán)節(jié)工頻逆變工頻升壓圖2-1 工頻變壓器形式2.2.2 高頻變壓器形式電路即三級結構（DC-AC-DC-AC），如圖2-2所示，主電路分為高頻升壓部分和工頻逆變部分，系統(tǒng)相對復雜。（1）高頻升壓部分（DC-AC-DC）：首先將直流電壓逆變成有效值相同的高頻交流電壓，然后經過高頻變壓器升壓，再整流濾波可以得到一個穩(wěn)定的高壓直流電壓。（2）工頻逆變部分（DC-AC）：濾波得到的高壓直流電壓經過工頻逆變電路得到220V或者380V的交流電壓。此系統(tǒng)的逆變效率一般可以達到90%以上，由于采用了高頻變壓器，使系統(tǒng)的體積、重量、噪聲等都明顯減小，但是該電路也相對比較復雜。蓄電池負載濾波環(huán)節(jié)高頻逆變逆變整流高頻升壓直流升壓DC-DC環(huán)節(jié)逆變DC-AC環(huán)節(jié)圖2-2 高頻變壓器形式2.2.3 無變壓形式電路即兩級結構（DC-DC-AC），如圖2-3所示，將直流電壓經過非隔離變化后得到高壓直流電壓，再通過工頻逆變得到交流電壓。由于不采用變壓器進行輸入和輸出的隔離，所以系統(tǒng)體積小、重量輕、效率高、成本低而且系統(tǒng)也不復雜。但是由于沒有進行隔離，所以存在許多不安全因素，為了進行保護和防止干擾，必須采取許多防護措施。蓄電池負載升壓濾波環(huán)節(jié)工頻逆變圖2-3 無變壓器形式由于本次設計主要是針對逆變電源進行仿真，綜合比較上述方案，本設計最終將采用無變壓器形式的主電路方案，設計中分為升壓環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)。2.3獨立逆變系統(tǒng)升壓環(huán)節(jié)的比較和分析本設計中，逆變器的輸入為24V直流電壓，而其輸出則要求為穩(wěn)定的220V交流電壓，所以系統(tǒng)中必須有升壓變壓器。升壓環(huán)節(jié)實際上是DC-DC開關電源，由于DC-DC變換器的結構非常多，本文只介紹其中幾種常見的結構電路：2.3.1 正激式如圖2-4(a)所示，該電路結構簡單，在變壓器繞組中增加一個去磁繞組便可實現(xiàn)去磁效果，是中小功率變壓器常用的設計方案，但是該電路變壓器鐵心單向磁化，利用率比較低，主功率管承受兩倍的輸入電壓，只能適合低壓輸入電路。2.3.2 反激式如圖2-4(b)所示，該電路的形式與正激式變換器相似，主功率管承受的電壓相同，但是變壓器的接法卻不相同。而從輸出端看，反激式電路可以看做一個電流源，所以不能開路。 圖2-4(a) 圖2-4(b) 正激式變換 反激式變換2.3.3 半橋式如圖2-5(a)所示，變壓器鐵芯不存在直流偏磁現(xiàn)象，變壓器在兩象限工作，功率管只承受電源電壓，所以該電路適合用于高壓中功率場合。2.3.4 全橋式如圖2-5(b)所示, 變壓器鐵芯利用率高，容易采用軟開關工作方式，功率管也只承受電源電壓，但是功率器件相對比較多，而且存在直通現(xiàn)象，適合用于大功率場所。 圖2-5(a) 圖2-5(b) 半橋式變換 全橋式變換2.3.5 推挽變換如圖2-6所示，電路結構簡單，完全可以看作是有兩個對稱的單端正激式變換器組成的，所以變壓器鐵芯是雙向磁化的，在相同的鐵芯尺寸下，推挽電路可以比正激式電路輸出更大的功率。但是如果該電路不能嚴格對稱的話，鐵芯就非常容易引起直流偏磁飽和，而且偏壓器原邊存在漏感，所以主功率管必須承受超過兩倍的電源電壓，因此適合用于低壓大電流場合。 圖2-6 推挽變換 2.3.6 直流升壓斬波電路如圖2-7所示，該電路結構非常簡單，控制方式簡單，而且用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能30%左右，所以直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源)，同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用。 圖2-7 直流升壓斬波電路綜合比較上述方案，本設計最終決定采用直流升壓斬波電路作為升壓環(huán)節(jié)的主電路，下面就簡要的分析一下該直流升壓斬波電路的工作方式。如圖2-7所示，升壓斬波電路中的開關器件可以根據(jù)具體的應用需要來選擇，其中二極管VD可以防止電容C通過電源放電。該電路的工作過程可以分為三種模式，其等效電路如圖2-8所示。當電流連續(xù)時，該電路工作在模式1和模式2；當電流斷續(xù)時，電路工作于模式1、模式2和模式3。 (a) 模式1 (b) 模式2 (c) 模式3 圖2-8 升壓斬波電路等效電路當電流連續(xù)工作時，升壓斬波電路的主要工作波形如圖2-9(a)所示，設在t= 時刻驅動V導通，在時間內，電路工作在模式1，開關器件V導通時間為，電路等效為兩個回路，在直流側，電感L中的電流按指數(shù)上升，由上升到，此時開關器件V的電壓為0V，所以電感電壓就為電源電壓，又因此時的二極管VD截止，即電流為0A，直流電源的能量將全部儲存在電感L中，負載上的電流由電容C放電來維持恒定。在時刻驅動V關斷，電路工作方式為模式2，此時電源和電感儲能釋放，同時向電容和負載供電。有，其中成為升壓比，升壓比的倒數(shù)記作,和的關系可以表示為：+=1，所以上面公式整理后又可以表示為： 。其中，占空比1，可見電路的輸出平均電壓大于輸入直流電源電壓，即該斬波電路具有升壓功能，符合設計要求。 (a) (b) 圖2-9 升壓斬波電路的主要工作波形 (a)電流連續(xù)時主要波形 (b)電流斷續(xù)時主要波形2.4 獨立逆變系統(tǒng)逆變環(huán)節(jié)的比較和分析在單相逆變電路中，常用到的逆變電路主要有推挽式逆變電路、板橋逆變電路、全橋逆變電路三種，下面對這三種逆變電路進行分析比較，并最終選出符合本設計的單相逆變單元。2.4.1 推挽式逆變電路如圖2-10所示，推挽電路的工作是由兩路相位相反的驅動脈沖分別加到逆變開關管Q1、Q2的基極，控制它們交替斷通，使輸入直流電壓變換成高頻的方波交流電壓從變壓器輸出。當Q2導通時，Q1截止，輸入電壓加在變壓器的原邊繞組上，由于變壓器有兩個匝數(shù)相同的繞組，所以在Q2上將施加兩倍的電源電壓(即2)。當驅動脈沖結束后，即在死區(qū)時間內，兩只開關管都截止且端電壓都為。同理，當Q1導通時，Q2截止，在Q1上施加兩倍的電源電壓。 圖2-10 推挽式逆變電路2.4.2 半橋逆變電路該電路的結構如圖2-11所示，它有兩個橋臂，每個橋臂由一個可控元件和一個反并聯(lián)二極管組成，在它的直流側接有兩個足夠大的互相串聯(lián)的電容，使得兩個電容的聯(lián)接點成為直流電源的中點。開關器件Q1、Q2的柵極信號在一個周期內都是半周期正偏半周期反偏而且互補。當Q1導通、Q2截止時，輸出電流和途中所示的方向相同，當Q2導通、Q1截止時，輸出電流和圖中所示方向相反。所以輸出電流的方向反映了實際導通的開關器件是Q1還是Q2。半橋逆變電路結構簡單，電路中的功率開關器件比較少，但是主電路的交流輸出電壓幅值僅僅為/2，所以在同等容量條件下它的功率開關額定電流是全橋逆變電路中功率開關器件的額定電流的兩倍。由于半橋電路中的分壓電容作用，使該電路具有較強的抗電壓輸出不平衡的能力，同時半橋逆變電路的控制比較簡單，而且使用的器件少、成本低，因此在小功率的逆變電路中使用比較廣泛。 圖2-11 半橋逆變電路2.4.3 全橋逆變電路電路結構如圖2-12所示，該電路是單相全橋逆變電路，可以看作是由兩個半橋逆變電路組成的。在單相電壓型逆變電路中是應用得最多的電路，而且主要應用于大容量場合。在相同的直流輸入電壓情況下，全橋逆變電路的最大輸出電壓是半橋逆變電路的兩倍，這意味著輸出功率相同時，全橋逆變電路的輸出電流和通過開關器件的電流均是半橋逆變電路的一半，在大功率場合中，這是一個非常顯著的優(yōu)點，可以減少電路所需并聯(lián)的器件數(shù)量。 圖2-12 全橋逆變電路由于本設計的對象是單相逆變電源，所以綜合分析比較上述三個方案后，最終選取單相全橋逆變作為逆變環(huán)節(jié)的主電路，下面將簡單的介紹單相全橋逆變電路的工作方式以及主要波形。如圖2-12所示，單相全橋逆變電路可以看作是由兩個半橋逆變電路組成的，橋臂1、4和橋臂2、3各成一對，成對的兩個橋臂同時導通，兩對交替各導通180，其輸出電壓的波形和半橋電路的波形形狀相同，也是矩形波，但其幅值高出一倍，=。在直流電壓和負載都相同的情況下，輸出的電流的波形也和半橋電路中的形狀相同，而幅值增加一倍。全橋逆變電路是單相逆變電路中應用最多的電路，下面對其電壓波形做定量分析。把幅值為的矩形波u0展開，形成傅里葉級數(shù)： (2-1)式中，基波的幅值和基波的有效值分別為： (2-2) (2-3)上述公式對于半橋電路也是適用的，只是式中的要換成/2。前面分析的波形都是正負電壓各180的矩形波情況，在這種情況下，要改變輸出電壓的有效值，只能通過改變直流電壓來實現(xiàn)。在阻感負載時，還可以采用移相方式來調節(jié)逆變電路的輸出電壓，這種方式成為移相調壓。其波形如圖2-13所示，這里所說的移相調壓其實就是調節(jié)輸出電壓矩形波(脈沖)的寬度，具體做法是，柵極信號、互補，、互補，而且仍為180正偏、180反偏。但是與、與的相位不同，錯開角度，即調節(jié)落后的角度從180較少為角(0180)，調節(jié)落后的角度也從180較少為角。也就是說，輸出電壓u0的波形不再是正負各180的矩形波，而是正負各位的矩形波。 圖2-13 單相全橋逆變電路的移相調壓波形圖2.5 逆變電路控制方案的分析和比較在逆變電路系統(tǒng)中，逆變電路的性能很大程度上決定了整個系統(tǒng)的性能和效率，隨著逆變發(fā)電系統(tǒng)的應用越來越廣，人們對逆變電路輸出的電壓質量的要求也越來越高，人們不僅要求逆變電路的輸出電壓穩(wěn)定和工作可靠，而且還要求其輸出電壓的正弦度高、動態(tài)響應速度快等。逆變電路要實現(xiàn)輸出純正的正弦波，其控制方案的實現(xiàn)通常分為模擬控制和數(shù)字控制，具體的控制方案有以下幾種：2.5.1 模擬控制控制脈沖的生成、控制算法的實現(xiàn)全部由模擬器件完成。其優(yōu)點是技術非常成熟，有很多的實例可以參考，但是它也存在很多的固有缺點：控制器的元件比較多，電路復雜，所占的體積較大而且靈活性不夠，一旦硬件電路設計好了之后，控制策略就無法再改變，調試很不方便。由于所采用的器件特性存在差異，致使電源的一致性較差，而且模擬器件工作點的漂移導致系統(tǒng)參數(shù)漂移。所以逆變電源數(shù)字化控制是發(fā)展的趨勢，是現(xiàn)代逆變電源研究的一個熱點。2.5.2 由單片機實現(xiàn)數(shù)字控制為了改善系統(tǒng)的控制的性能，通過A/D轉換器將微處理器與系統(tǒng)相連，在位處理器中實現(xiàn)數(shù)字控制算法，然后通過輸入、輸出口或者脈寬調制口(PWM)發(fā)出開關控制信號，微處理器還能將采集的功率轉換裝置工作數(shù)據(jù)顯示或傳送到計算機保存。一些控制之中所用到的參數(shù)值可以儲存在微處理器的儲存器中，并對電路進行實時監(jiān)控，微處理器的使用在很大程度上提高了電路系統(tǒng)的性能，但是，由于微處理器運算速度的限制，在許多情況下，這種微處理器輔助的電路系統(tǒng)然要用到運算放大器等模擬控制器件。2.6獨立逆變系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)的分析本設計要求經升壓、逆變之后輸出穩(wěn)定的額定電壓，但是由于經過逆變電路輸出的瞬時電壓并不穩(wěn)定，所以就必須在該獨立逆變系統(tǒng)中增加一個電壓的PI反饋環(huán)節(jié)使該系統(tǒng)變成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，以滿足設計的要求。采用模擬或數(shù)字控制方式對生產過程的某參數(shù)進行的自動控制成為過程控制，如圖2-14所示為一簡單的PI反饋控制回路，傳感器或變送器檢測被控制量的值與給定值進行比較得到偏差量，然后調節(jié)器按照一定的控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，再通過執(zhí)行器控制于過程，使輸出最終滿足設計的要求?？刂埔?guī)律執(zhí)行器過程傳感器變送器給定值+偏差操作變量被控變量- 圖2-14 簡單的PI反饋控制回路PI調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： (2-4)PI調節(jié)器根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，并將該偏差的比例(P)、積分(I)通過線性組合構成控制量，以實現(xiàn)對控制對象的控制，其控制規(guī)律為： (2-5)PI控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-15所示，PI調節(jié)器的各校正環(huán)節(jié)的作用是：1、比例環(huán)節(jié)實時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產生，調節(jié)器立即產生控制作用以減小偏差。2、積分環(huán)節(jié)最主要用于消除偏差，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而積分作用的強弱則取決于積分時間常數(shù)的大小，時間常數(shù)越大，則積分作用越弱，反之則越強。對象執(zhí)行機構積分比例u(t)r(t)e(t)+-c(t) 圖2-15 PI控制系統(tǒng)原理框圖 3 PWM控制技術原理及SPWM波的生成PWM控制技術實際上就是斬波控制技術，就是對脈沖寬度進行調制的技術，即是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效獲得所需要的波形(如正弦波、頻率和幅值)。PWM控制技術涉及調制法和控制法兩方面內容：就調制法而言，有單脈沖調制和多脈沖調制；有同步調制、異步調制和分段同步調制；還有單極性調制和雙極性調制三大類。而就控制法而言，則有等脈寬PWM法、正弦波PWM法、磁鏈跟蹤PWM法和電流跟蹤PWM法四大類。它在逆變電路中的應用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻。現(xiàn)在大量應用的逆變電路，幾乎都是PWM型逆變電路。所以在設計逆變電路時，就必須了解并掌握PWM控制技術及SPWM波的產生方法。3.1 PWM控制的基本原理面積等效原理是PWM控制技術的重要理論基礎，即在采樣控制中，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。其中，沖量指的是窄脈沖的面積；效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。如圖3-1(a)、(b)、(c)、(d)所示，三個窄脈沖形狀不同，但是它們的面積都等于1，當它們分別加在如圖3-1(e)所示的R-L電路上時，并設其電流i(t)為電路的輸出，則其輸出響應波形基本相同且如圖3-1(f)所示。 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 圖3-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖及響應波形 3.2 SPWM的控制模式及其實現(xiàn)脈沖幅值相等而脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而正弦波等效的PWM波稱為SPWM(sinusoidal PWM)波形。3.2.1 SPWM法的基本原理如圖3-2所示，把正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖序列所組成的波形，這些脈沖寬度都等于，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是按正弦規(guī)律變化的曲線。如果把這些脈沖序列用相同數(shù)量的等幅值而不等寬的矩形脈沖來代替，使矩形脈沖的中點和相應的正弦波部分中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積相等，則可得圖3-2所示的矩形脈沖序列，這就是SPWM波形。 圖3-2 用PWM波來代替正弦半波3.2.2 規(guī)則采樣法生成SPWM波SPWM的控制就是根據(jù)三角載波與正弦調制波的交點來確定逆變器功率開關器件的通斷時刻。規(guī)則采樣法由經過采樣的正弦波與三角波相交，并由交點得出脈沖寬度。該方法只在三角波的頂點或者底點位置對正弦波采樣而形成階梯波，其原理如圖3-3所示。 圖3-3 規(guī)則采樣法生成SPWM波的原理圖假設三角波的幅值為1，正弦函數(shù)為=M，M為調制度且0M時，使導、關斷，=。當時，使關斷、導通，=0。b)在的負半周時，保持斷態(tài)，保持通態(tài)。當時，使關斷、導通，=0。 圖3-5 單極性PWM控制方式波形3.3.2 雙極性PWM控制方式如圖3-6所示，在調制信號和載波信號的交點的時刻控制各個開關器件的通斷。a)在的半個周期內，三角波載波有正有負，所得的PWM波也有正有負，在的一個周期內，輸出的PWM波只有兩種電平。b)在的正負半周，對各個開關器件的控制規(guī)律相同。當時，和導通，和關斷，這時如果0，則和導通，如果0，則和導通，但不管那種情況都是=。當時，和導通，和關斷，這時如果0，則和導通，但是不管哪種情況都是= -。 圖3-6雙極性PWM控制方式波形4 單相逆變電源的Matlab仿真為了驗證設計好的獨立逆變系統(tǒng)是否符合設計的技術要求，這就要求對設計好的系統(tǒng)進行檢測、分析、比較，若是做出實物后再進行檢測，則相對比較麻煩，而在MATLAB軟件中，只要將設計好的電路進行模擬后卻完全可以實現(xiàn)仿真，這樣不僅相對容易，而且也快捷、方便、直觀明了。4.1 MATLAB的簡稱MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。它可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通信、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C、FORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C、FORTRAN、C+ 和JAVA的支持。用戶可以直接調用，也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。4.2 Simulink的簡介Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供了一個動態(tài)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，只需要通過簡單直觀的鼠標操作，便可以構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適用性廣、結構和流程清晰、仿真精細、貼近實際、效率高和靈活等特點，并且已廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真及設計中。此外，大量的第三方軟件和硬件可以應用于或者被要求應用于Simulink系統(tǒng)。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間來進行建模，為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個創(chuàng)建動態(tài)過程只需要單擊和拖動鼠標操作就可以完成，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果，所以，它為用戶提供了一種更加快捷、直觀明了的方式。此外，Simulink還具有豐富的可擴充的預定義模塊庫、交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖，并以設計功能的層次來分割模塊，來實現(xiàn)對復雜設計的管理。4.3升壓環(huán)節(jié)的建模及仿真根據(jù)獨立逆變系統(tǒng)的總體結構，可以將其分為PWM升壓電路和單相全橋逆變電路，下面分別對其進行仿真建模。直流升壓電路的工作原理在第二章已經介紹過，其原理圖如圖2-7所示， 圖2-7 直流升壓斬波電路在該電路中，開關器件用IGBT，控制IGBT的信號波形由PWM脈沖生成器Pulse Generator產生，其他的電源、電感、電容、電阻以及二極管分別對應于Simulink中的DC、L、C、R以及Diode。為了方便觀察仿真輸出，所以應在輸出端另外加上一個電壓檢測裝置Voltage Measurement，并且將其輸出值送入示波器Scope中。以上各種器件都可以在SimpowerSystems的下拉菜單Electrical Sources中找到，如圖4-1所示。當把上面所用到的器件都找齊之后，就可以按照直流升壓斬波電路連接電路，便可以得到如圖4-2所示的仿真模擬圖。 圖4-1 升壓電路中使用的各個器件 圖4-2 直流升壓斬波電路的仿真模擬圖建立好模擬仿真圖后，根據(jù)設計要求以及參考資料，一邊運行一邊調試圖中各器件的參數(shù)，直到符合要求為止。經調試后，電路的輸出波形如圖4-3所示，其中各個器件參數(shù)設置為：直流電源為DC=24V，開關器件IGBT和二極管Diode使用默認參數(shù)，電阻R=50，電感L=1e-3 H，電容C=50e-6 F，在脈沖生成器PWM的設置中，周期Period為0.0001，占空比為89.5%，并且在示波器中，將Data history中l(wèi)imit data points to last前面復選框中的“”去掉，以方便觀察波形。下面就簡單的分析電感、電容、電阻單獨變化時對仿真波形的影響：(1)電感L取值越大，則曲線反應速度越慢，超調越小；反之，L越小，曲線響應速度越快，但是超調則越大。(2)電容C取值越大，紋波越小，超調越大且調整時間越長；反之，C越小，紋波越大，超調越小或者無超調，曲線比較平滑，而且調整時間也越小。(3)電阻R取值越大，則紋波越小，超調越大，系統(tǒng)越不穩(wěn)定；反之，R越小，紋波越大，超調越小或無超調，系統(tǒng)越穩(wěn)定。 圖4-3 升壓電路的電壓輸出仿真波形4.4 制作并生成SPWM波形因為在全橋逆變電路中，由SPWM波信號來控制全橋中的IGBT管，所以在對逆變環(huán)節(jié)進行仿真之前，應該首先制作出SPWM波形，而由第三章我們又可以知道SPWM波是根據(jù)三角載波與正弦調制波的交點來確定的，根據(jù)這個原則，可以構建出電路模型如圖4-4所示。在圖中調節(jié)各個器件的參數(shù)便可以得到各種不同的仿真波形，如：將正弦信號生成器Sine Wave中的幅值Amplitude設置為2，把頻率Frequency也設置為2；將三角波生成器Repeating Sequence中的Time values設為0 0.25，把Output values設置為-4 4；將比較器Switch中的Criteria for passing first input設置為u2Threshold。調節(jié)好參數(shù)后，運行程序，便可以得到如圖4-5所示的波形，其中每一屏所對應的波形分別為：正弦波、SPWM波以及三角波，且由圖中可以看出SPWM波形為雙極性波形。 圖4-4 制作SPWM波的電路模擬圖 圖4-5 正弦波、SPWM波及三角波的仿真圖4.5 逆變環(huán)節(jié)的建模及仿真在制作出SPWM波以后，便可以開始對逆變電路進行建模，而全橋逆變電路的工作方式在第二章已經介紹，其電路原理圖如圖2-12所示。 圖2-12 全橋逆變電路在simulink中，該電路的全橋部分可以用一個通用橋來表示，也可以由4個IGBT和4個二極管Diode組成。為使仿真電路比較形象，最后采取4個IGBT和4個二極管Diode組成全橋電路，在找到所用器件之后，按照該電路構建模型，因為電路中全橋部分的4個IGBT中和為一對，和為一對，所以電路就需要兩個控制信號來控制這4個IGBT的斷通，為方便仿真，暫時用兩個脈沖發(fā)生器Pulse Generator生成的波形來作為控制信號。同時，為了方便觀察電路的工作情況，在測量電路輸出電壓的同時，另外還測量流經電源的總電流以及流經負載R-L的輸出電流，并同時送到示波器中輸出觀察其波形，這樣便得到如圖4-6所示的全橋逆變電路的仿真模型。建立好模型之后，便開始調節(jié)圖中各器件的參數(shù)，經過反復調整之后，最終確定的參數(shù)為：直流電壓DC=220V；脈沖發(fā)生器Pulse Generator1的幅值Amplitude為1，周期Period為0.02，占空比為50%；脈沖發(fā)生器Pulse Generator2的幅值、周期、占空比均與Pulse Generator1相同，但是相位延遲Phase delay為0.01；負載R=10、L=0.02；其余的各個IGBT以及二極管Diode均取默認值。調整好參數(shù)后，運行仿真并得到如圖4-7所示的仿真波形，其中示波器中每一屏的波形分別為電源電流、輸出電流以及輸出電壓。 圖4-6 全橋逆變電路仿真模型 圖4-7 電源電流、輸出電流、輸出電壓的仿真波形4.6 獨立逆變系統(tǒng)總電路的仿真將升壓環(huán)節(jié)以及逆變環(huán)節(jié)連接后便可以得到如圖4-8所示的系統(tǒng)總電路的仿真模型，由該圖可以看出，24V的直流電壓經過直流斬波升壓電路后得到220V的直流電壓，然后再將經升壓后所得到的電壓通過全橋逆變電路將其逆變成為220V的交流電壓。對其進行仿真后可以得到如圖4-9所示的各種輸出波形，其中圖中至上而下的波形分別為電源電流、輸出電流以及輸出電壓。并且可以有波形圖中看出，電壓在0.01s后進入正常周期，并且周期T=0.02s；而對比電源電流以及輸出電流之后可以得出，電源電流的周期僅為輸出電流的一半，即電源電流的頻率為輸出電流的一倍：。 圖4-8 系統(tǒng)總電路的仿真模型 圖4-9系統(tǒng)電源電流、輸出電流、輸出電壓的仿真波形本章最主要的工作就是針對電路進行仿真，并觀察波形，所以在仿真之前對電路進行構建仿真模型的工作是至關重要的，因為只有模型建立正確最終才能得到預期的輸出，故在Simulink中挑選器件時必須非常仔細，以免因挑選錯器件而造成仿真失敗。在構建好電路模型后，還要對電路中的各個參數(shù)進行調整，這期間既可以對其進行數(shù)學理論計算得到參數(shù)值也可以依據(jù)經驗邊仿真邊調整參數(shù)，由于本設計涉及到需要調整的參數(shù)并不多，所以在設計時，就采用了邊仿真邊調整參數(shù)的方法來確定各元件參數(shù)。5 逆變電源Protues仿真5.1 Protues軟件 Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和Matlab等多種編譯器。 Proteus軟件具有其它EDA工具軟件（例：Multisim）的功能。這些功能是：1、原理布圖2、PCB自動或人工布線3、SPICE電路仿真革命性的特點：1、互動的電路仿真用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2、仿真處理器及其外圍電路 可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境。豐富的器件庫：超過27000種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件；智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的連線功能：自動連線功能使連接導線簡單快捷，大大縮短繪圖時間；支持總線結構：使用總線器件和總線布線使電路設計簡明清晰；可輸出高質量圖紙：通過個性化設置，可以生成印刷質量的BMP圖紙，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多種文檔使用15,17。5.2 Protues仿真原理圖圖5-1 逆變電源逆變主電路原理圖由4個IGBT開關器件組成全橋逆變電路，采用一片IR2112驅動芯片實現(xiàn)自舉式浮充驅動方式，結合浮充電容和快速恢復二極管，可以在一個驅動電源的條件下實現(xiàn)同一個橋臂上兩個開關管的驅動，節(jié)省驅動電源數(shù)目。逆變器在開關管的消諧PWM控制下，低階諧波已經得到了有效控制，在輸出通過一級LC低通濾波，便可以輸出較為理想的正弦波電壓。在逆變電路直流輸入側取樣電壓和電流信號送到控制電流，可以實現(xiàn)輸入過電壓、欠電壓、輸出過電流、短路等保護功能。本設計選擇以AT89C51為主控制芯片，89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案16,22。 圖5-4 SPWM仿真波形6 總結及期望6.1 總結本文首先從世界能源形勢和逆變技術發(fā)展歷程以及發(fā)展趨勢入手，簡單介紹了獨立逆變系統(tǒng)的基本原理和系統(tǒng)組成、逆變電源技術和PWM控制技術。分析了三種獨立逆變系統(tǒng)結構的工作方式及其優(yōu)劣，并重點研究了逆變電源中升壓環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)的主電路及 PWM控制方法。然后通過在Simulink中構建電路模型，仿真驗證本文采用的設計方法的可實現(xiàn)性，最后通過Protues完成原理圖的設計。6.1.1 設計中的主要成果如下：(1)、分析比較獨立逆變系統(tǒng)的三種結構，并選出適合本設計的系統(tǒng)結構。(2)、分析比較升壓環(huán)節(jié)的各種結構電路，并簡單介紹了直流斬波升壓電路的工作方式及主要波形。(3)、分析比較逆變環(huán)節(jié)的各種結構電路，并簡單介紹了全橋逆變電路的工作方式及主要波形。(4)、對PWM控制技術進行了簡單的分析，并且在Simulink中制作生成雙極性SPWM波。(5)、實現(xiàn)各環(huán)節(jié)主電路的PWM控制。(6)、在Simulink中完成對獨立逆變系統(tǒng)模型的構建并且仿真出波形。 （7）、在Protues中完成逆變系統(tǒng)的原理圖。6.1.2設計中遇到的主要問題如下：由于時間以及本人水平能力問題，設計中還有一些問題沒有得到很好的解決，主要有：(1)、設計中沒有實現(xiàn)系統(tǒng)的PI反饋調節(jié)。(2)、逆變電源最終的輸出不是穩(wěn)定的正弦信號。6.2 展望隨著控制理論、現(xiàn)代電力電子技術以及計算機技術的