小風(fēng)力發(fā)電逆變系統(tǒng)

1、小型風(fēng)力發(fā)電機逆變系統(tǒng)摘要：本系統(tǒng)以pic為控制核心。主電路采用兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電壓220v，頻率50hz的交流輸出。前級dc/dc推挽升壓變換器，通過sg3525閉環(huán)控制；后級采用dc/ac電壓型全橋逆變電路，通過軟件pi運算，對輸出的交流電壓進行調(diào)整。pic運用查表法產(chǎn)生spwm調(diào)制信號，控制后級變換器雙極工作模式。輸出電壓、電流進行采用同步采樣，能避免由于交流濾波電路產(chǎn)生的滯后。該系統(tǒng)具有電壓電流顯示、過流保護及故障聲光報警等功能；系統(tǒng)過流具有“自恢復(fù)”特性，過流點可通過按鍵設(shè)置。 關(guān)鍵詞：pic ；推挽升壓；全橋逆變 inverter system of small wind tu

2、rbinesabstract:this system is controlled by pic which is the systems control core.the main circuit use two topological structure,realized the ac output of 220v voltage and 50hz frequency.preceding stage is dc-dc the push-pull boost converter,which use sg3525s closed loop control.backword stage is dc

3、-ac inverter circuit of voltage type bridge,it adjusts ac voltage output with pi operation of software.pic use table lookup scheme to produce modulation signal and control the backward stage converters bipolar work mode.the output of voltage and current adopt synchronous sampling,which can avoid lag

4、 duing to ac filter circuit.this system has voltage and current show、over-current protection and fault sound and light alarm functions.the system can recover by itself from over-current and over-current point can be seted by keys.key words: pic ; push-pull boost ; bridge inverter1. 序言當(dāng)今世界，電能已經(jīng)成為了人們生

5、活中最常用的動力能源。隨著科技的進步和人們生活水平的不斷提高，人們對電力能源的依賴越來越強。在偏離電網(wǎng)的地區(qū)，如部隊的邊防哨所、郵電通訊的中繼站、公路和鐵路的信號站、地質(zhì)勘探和野外考察的工作站、偏遠(yuǎn)的農(nóng)牧民區(qū)，都需要成本低和可靠性高的獨立供電系統(tǒng)。如果采用常規(guī)的柴油發(fā)電機，柴油運輸成本太高且難以保障。為了解決偏遠(yuǎn)地區(qū)長期可靠地供電問題，我們只有依賴當(dāng)?shù)氐馁Y源資源太陽能和風(fēng)能。風(fēng)能是比較普遍普遍的資源資源，也是取之不盡用之不竭的可再生能源，而且在偏遠(yuǎn)地區(qū)，風(fēng)能資源一般比較豐富，這為我們在偏遠(yuǎn)地區(qū)采用風(fēng)能發(fā)電提供了必要性和可行性條件。開發(fā)能源和環(huán)境保護已成為全球可持續(xù)發(fā)展的共識。充分利用風(fēng)力資源，

6、發(fā)揮風(fēng)能資源在國民經(jīng)濟中的作用，是促進節(jié)能減排工作的一個重要的舉措。隨著國家對能源工業(yè)的更加重視，各種各樣的風(fēng)力發(fā)電裝置相繼誕生。中國風(fēng)力資源僅次于美國和俄羅斯，居世界第三位，但是我國目前風(fēng)力發(fā)電面臨發(fā)電效率低、成本高等問題。我們要加大力度解決風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)問題，促進風(fēng)力發(fā)電這種可再生資源的快速發(fā)展。2. 方案選擇2.1主電路拓?fù)溥x擇 方案一：單級逆變器。通過單級變換將輸入25-30v直流電轉(zhuǎn)換成交流電，再用工頻變壓器將電壓升到220v.因它具有電路簡單、元器件數(shù)目少及可靠性的優(yōu)點，在滿足系統(tǒng)性能下將會是首選。但由于工頻變壓器體積笨重，繞制麻煩，逐漸被無工頻變壓器所代替。 方案二：多級逆變器。

7、常用的為兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖（1）所示，其第一級一般為升壓電路，主要實現(xiàn)對直流輸入的電壓升壓，滿足輸出電壓要求；第二級為全橋高頻電壓型逆變器，完成把直流逆變成負(fù)載所需的交流電。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，前后級之間相對獨立控制，無需同步，前后兩級均工作在高頻狀態(tài)，大大減小了高頻變壓器的體積和輸出諧波電流。圖（1）兩級逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合以上分析，因為本題目所要求的功率不是太大，單級逆變器結(jié)構(gòu)不夠靈活，無法擴展，無法滿足直流輸入的多變性，因此我們選擇方案二，采用兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2.2 dc-dc升壓為了減少直流與交流電路的相互影響，我們在dc-dc這級電路上采用隔離結(jié)構(gòu)。方案一：全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，mos管的電壓應(yīng)力小

8、，但其電路比較復(fù)雜，要實現(xiàn)輸入輸出隔離更是增加的它的難度方案二：反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電路簡單，不需要續(xù)流二極管和一個大的儲能濾波電感，電源所占體積小，但是該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出電壓瞬態(tài)控制特性相對比較差，初、次級線圈的漏感都比較大，低電壓輸入是工作效率低方案三：推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。輸出瞬態(tài)響應(yīng)速度很高，電壓輸出特性很好，電壓利用率高，變壓器的漏感以及銅阻損耗小，工作效率高。雖然mos管的電壓應(yīng)力是輸入電壓的兩倍，但輸入電壓低（20v30v）,，所以對mos管的要求不是很高。 綜上，方案三的推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)明顯具有優(yōu)勢。2.3 dc-ac逆變電路方案一：單相半橋逆變電路由一對橋臂以及一個帶有中點的直流電源構(gòu)成（

9、如圖（2）所示），在實際中，通常用一個直流電源與兩個足夠大的電容器串聯(lián)代替帶有中點的直流電源，其輸出電壓幅值為ud/2，在輸出工頻電壓時，電容的容量要取得大。圖(2) 單相半橋式逆變拓?fù)浞桨付?單相橋式逆變電路是兩個單相半橋逆變電路的組合，其電路如圖(3)所示。橋式電路的輸出波形與單相半橋的輸出波形相同，諧波成分也相同，但是幅值增大了一倍。圖（3）單相橋式逆變拓?fù)浣?jīng)論證比較：單相半橋電路輸出幅值低，直流利用率低，且需要很大的電容來保證電容電壓的均衡與恒定，很難達到題目的要求，故采用方案二作為dc-ac主電路拓?fù)洹?.4 spwm的方案方案一：采用spwm專用芯片進行spwm波的發(fā)生。方案二：

10、模擬產(chǎn)生spwm波。用模擬比較器比較生成spwm波，如果用信號波正弦作為比較器的同相端輸入信號，三角載波作為比較器的反相端輸入信號，便實現(xiàn)了自然法生成spwm波。方案三：使用采樣算法產(chǎn)生spwm波?？梢圆捎密浖惴ㄈ珨?shù)字化實現(xiàn)。是由經(jīng)過采樣的正弦波與三角波相交，由交點得出脈沖寬度。當(dāng)然，這種經(jīng)過采樣的正弦波實際上是階梯波，只在三角波的頂點位置或底點位置對正弦波進行采樣。由單片機進行采樣處理，易于實現(xiàn)對spwm的主觀控制，實現(xiàn)對輸出交流信號頻率和幅度的快速調(diào)節(jié)。經(jīng)論證比較：方案一存在開關(guān)頻率較低，且控制不靈活的缺點，且成本較高，方案二需要搭建較高頻率的三角波發(fā)生器，且要求比較器速度快，精度高，方

11、案三控制靈活，無需外加電路，且可以實現(xiàn)高頻率開關(guān)信號的發(fā)生，雖然需要處理的數(shù)據(jù)量較大，但已pic為控制中心的單片機完全可以實現(xiàn)spwm波形的數(shù)字化產(chǎn)生。綜合考慮控制精度及性價比等因素，系統(tǒng)采用方案三產(chǎn)生spwm波。2.5 輸出電壓控制方法選擇 方案一：輸出電壓平均值反饋控制。這種控制方法簡單，對輸出電壓的幅值可以連續(xù)調(diào)節(jié)，輸出電壓精度較高。但缺點也十分明顯，主要表現(xiàn)為： (a) 系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)較慢。由于輸出濾波器由電感電容組成，對于電壓環(huán)來說是一個二階系統(tǒng)，影響了系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，當(dāng)輸入電壓或負(fù)載突變時，系統(tǒng)常常要經(jīng)歷幾個周期才能穩(wěn)定。(b) 負(fù)載適應(yīng)性差。當(dāng)電源面對一些非線性負(fù)載時會產(chǎn)生強大的沖擊

12、電流。方案二：輸出電壓同步采樣。將輸出電壓的瞬時峰值進行采樣反饋，與給定的電壓進行比較，所得的誤差用于pi調(diào)節(jié)，去控制spwm調(diào)節(jié)輸出，每個一個周期采一次樣，使正弦波在每個采樣點都得到控制。此方法又可以改善輸出波形質(zhì)量，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間。綜上所述，本系統(tǒng)采用方案二。2.6 pi調(diào)節(jié)器的選擇方案一：模擬pi 控制器是通過硬件（電子元件，氣動，液壓元件）來實現(xiàn)其功能。因為不同的系統(tǒng)pi的參數(shù)不同，所以在調(diào)節(jié)電路確定pi系數(shù)時比較麻煩，需要不斷的更改硬件來得到最適合系統(tǒng)所需的參數(shù)，此方案比較費時，也比較復(fù)雜，難以實現(xiàn)。方案二：數(shù)字pi控制器，其數(shù)學(xué)模型是從模擬pi控制器導(dǎo)出的，將它移植到計算機

13、的控制系統(tǒng)中，將原來的硬件實現(xiàn)的功能用軟件來實現(xiàn)，其與模擬pi控制器相比優(yōu)點是：具有強的靈活性，可以根據(jù)試驗和經(jīng)驗在線調(diào)整參數(shù)，可以更好的控制性能。由以上分析，故選擇方案二。3. 系統(tǒng)總體方案系統(tǒng)包括推挽升壓、dc-ac控制變換電路、控制、反饋、測量、顯示6個部分。全橋逆變電路是核心部分，pic通過讀表法產(chǎn)生雙極性spwm，按鍵改變中斷時間及用不同的表可以產(chǎn)生不同頻率的spwm波，輸出電壓通過電壓互感器，過零比較后產(chǎn)生觸發(fā)同步信號給單片機采樣，通過調(diào)節(jié)spwm波的調(diào)制比實現(xiàn)穩(wěn)壓功能。當(dāng)系統(tǒng)檢測到輸出過流動作時，單片機封鎖spwm，當(dāng)故障解除后，進行軟啟動，直至系統(tǒng)恢復(fù)正常。系統(tǒng)整體框圖如下圖（

14、4）所示。 圖（4）系統(tǒng)整體框圖4.理論分析與計算4.1 雙極性spwm波原理分析及交流輸出的形成雙極性spwm控制模式是用正負(fù)交變的雙極性三角載波ut與正弦調(diào)制波（基波）ur，如圖（5）所示，進行比較采樣得到雙極性的pwm脈沖。即每一周期的基波與若干個載波進行調(diào)制，并依次按正弦函數(shù)值定位的有效相位區(qū)間集合成等幅不等寬且總面積等效于正弦量平均值的正弦化脈沖序列。 圖（5）根據(jù)產(chǎn)生的spwm波，對應(yīng)于正弦量的正負(fù)半周，實施雙路調(diào)制，控制驅(qū)動開關(guān)器件運行，最終得到的正弦化交流量的樣本波形，如圖（6）所示，lc濾波后流經(jīng)負(fù)載的電流即為正弦波電流。 圖（6）4.2 dc-dc推挽升壓電路設(shè)計4.2.1

15、 變壓器的設(shè)計初級最小匝數(shù)：=,=20v,t=s,ae=1.38cm,因開關(guān)頻率小于50khz,所以取db =3200gs,可以算得=6.88，又由=得到n=19.7，所以我們根據(jù)所算得的匝數(shù)關(guān)系取初級線圈10匝，次級35匝。 由于電路有大約300w的功率，初級的電流達到十幾安，每匝線圈都要用多匝漆泡線并繞。4.2.2 輸出濾波器設(shè)計輸出電感：輸出電感不允許進入不連續(xù)工作模式， di=(v1-v0)=2i,t=,即v1=1.25v0，又i=0.1i，所以l0=，由v=400v,t=s，額定電流i=0.75a,算得l0=10mh,輸出電容c=di,v=0.05v,di=0.2i,算得最小c=24

16、0uf。4.3 dc-ac電路中的lc濾波電路通常，選擇spwm逆變器的輸出lc濾波器的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于逆變輸出頻率，它對逆變輸出頻率以及其附近頻帶的諧波具有明顯的抑制作用。系統(tǒng)中，逆變輸出是頻率為15-30khz的spwm矩形脈沖(輸出的基波頻率為20hz-200hz),諧波主要也集中在這附近，取此處截止頻率為2khz。又因f=, ,則得到lc=16500，取c=6uf,算得l=2.56mh。5. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計5.1 推挽升壓電路推挽升壓控制芯片采用sg3525，占空比最大可以到50%。前級升壓電源輸入輸出隔離，減少了對后級的干擾，提高了可靠性。輸入從2030v升到最大電壓400v,最大

17、效率可達85%以上。5.2 全橋逆變電路如圖（7）所示，主電路拓?fù)洳捎秒妷菏饺珮蚰孀冸娐?，其中對管q1q4接入相位相同的spwm1與spwm4驅(qū)動信號，q2q3接入另一組相位相同的spwm2和spwm3驅(qū)動，為防止上下兩個mosfet出現(xiàn)對通，這兩組信號互補而且?guī)в?us的死區(qū)時間。為減小因器件關(guān)斷產(chǎn)生的尖峰電壓，采用了rcd吸收電路，既抑制了尖峰，又減少了emi的干擾。 圖（7）電壓型全橋逆變電路 單片機的驅(qū)動頻率高達30khz,普通的線性光耦pc817的截止頻率只有80khz,上升時間和下降時間都太長，顯然不滿足要求。這里我們選則了6n137，此光耦的截止頻率為1mhz，上升時間30ns，

18、下降時間10ns，滿足需求。驅(qū)動芯片我們選用了常用的ir2113，ir2113的最高引導(dǎo)電壓為600v，最高vdd電壓25v,工作頻率接近1mhz,傳輸延遲時間10ns，輸出電壓為10-20v。另外ir2113輸入端的電壓必需高于供電電壓的一半以上時才能時芯片工作，所以這里由12v電壓通過下拉電阻分別接到光耦的兩個輸出端，使ir2113正常工作。驅(qū)動電路如圖（8）所示。開關(guān)管選擇：功率mosfet具有開關(guān)速度快，損耗低，驅(qū)動電流低，無二次擊穿現(xiàn)象，抗干擾能力強等優(yōu)點。 圖（8）光耦隔離驅(qū)動5.3 采樣電路和保護電路設(shè)計為了達到精確的電壓采樣，采用外部觸發(fā)pic采樣，通過電壓互感器，采得的小信號

19、電壓經(jīng)過rc濾波后，通過op07放大，輸出一路做跟隨給單片機的ad，做為電壓顯示的信號；另一路通過lm393做過零比較，產(chǎn)生一個觸發(fā)信號，作為峰值保持的信號，單片機通過ad采樣，當(dāng)讀到一個上升沿的的時候通過ad讀取lm358的輸出電壓。圖（9）輸出電壓采樣 這樣可以精確讀取輸出電壓峰值作為輸出顯示，而且輸出電壓瞬時值反饋，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，負(fù)載適應(yīng)性好。 通過電流互感器對輸出電壓進行采樣，全波整流后，把交流電流整成直流，再經(jīng)過lm358放大電流信號給單片機，作為電流顯示；另一方面，放大的電流信號經(jīng)過lm393比較后，當(dāng)單片機讀到一個低電平時封鎖spwm輸出，限制電流的增大，從而達到過流保護。過流

20、保護具有自恢復(fù)功能，當(dāng)檢測的電流小于過流點時，單片機給出spwm驅(qū)動信號，輸出電壓逐漸增大，起到了軟啟動的功能。5.4 輔助電源電路設(shè)計本系統(tǒng)采用uc3845控制芯片為核心，采用單端反激開關(guān)電源結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生+12v、-12v、+5v三路電壓，其中+5v給單片機供電，+12v和-12v給其它芯片供電。此電源不僅有著較高的效率，而且這三路電壓都是相互隔離的，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其電路圖如圖（10）所示。 圖（10）uc3845反激輔助電源6. 系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件部分主要分為閉環(huán)控制，pi調(diào)節(jié)， 電壓、電流顯示，電源保護。 單片機須產(chǎn)生spwm進行逆變，并對產(chǎn)生的正弦波進行pi負(fù)反饋調(diào)節(jié)，進行閉環(huán)控

21、制以產(chǎn)生峰值穩(wěn)定的正弦波。由于硬件電路的特性，spwm的載波頻率只能在15khz30khz范圍內(nèi)變化。軟件流程圖如下： 圖（11） 程序總流程圖 7. 測試方案與結(jié)果7.1 測量儀器序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注160m示波器tds10021tektronix2直流穩(wěn)壓電源1yb1732a 3a34位半數(shù)字多用表 1ms80504普通萬用表1ut515滑動變阻器10200/200w6失真度測量儀17.2 測量方法 （1）電壓電流測量：用數(shù)字萬用表測量。 （2）功率效率測量：輸出功率po可以用測得輸出電壓、電流的有效值uo和io直接相乘，輸入段ui、ii均為直流信號，直接相乘即為輸入功率，效率按進行計算。 （3）失真度測試：直接用失真度儀測量。7.3 性能測試7.3.