正弦交流逆變電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、電工技術(shù)課程論文2011-2012第1學(xué)期論文題目： 正弦交流逆變電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 學(xué)生姓名： 任龍 尚弘揚(yáng) 仲宏宇 專業(yè)班級： 09自動化一班 指導(dǎo)教師： 崔 峰 物理與電氣信息工程學(xué)院正弦交流逆變電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（任龍，尚弘揚(yáng)，仲宏宇）（大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院，09級自動化一班）摘 要本文介紹了一種正弦波輸出的逆變電源的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用了DCDC和DCAC兩級變換，高頻變壓器隔離，單片機(jī)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明性能可靠。關(guān)鍵詞:逆變電源 單片機(jī) 正弦脈寬調(diào)制 0  引言低壓小功率逆變電源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域。特別是新能源的開發(fā)利用，例如太陽能電池的普遍使用，需要一

2、個(gè)逆變系統(tǒng)將太陽能電池輸出的直流電壓變換為220V、50Hz交流電壓，以便于使用。本文給出了一種用單片機(jī)控制的正弦波輸出逆變電源的設(shè)計(jì)，它以12V直流電源作為輸入，輸出220V、50Hz、0150W的正弦波交流電，以滿足大部分常規(guī)小電器的供電需求。該電源采用推挽升壓和全橋逆變兩級變換，前后級之間完全隔離。在控制電路上，前級推挽升壓電路采用SG3525芯片控制，采樣變壓器繞組電壓做閉環(huán)反饋；逆變部分采用單片機(jī)數(shù)字化SPWM控制方式，采樣直流母線電壓做電壓前饋控制，同時(shí)采樣電流做反饋控制；在保護(hù)上，具有輸入過、欠壓保護(hù)，輸出過載、短路保護(hù)，過熱保護(hù)等多重保護(hù)功能電路，增強(qiáng)了該電源的可靠性和安全性。

3、該電源可以在輸人電壓從105V到15V變化范圍內(nèi)，輸出220V±10V的正弦波交流電壓，頻率50Hz±O5Hz，主電路逆變電源主電路采用推挽升壓和全橋逆變兩級變換，如圖1所示。圖1輸入電壓一端接在變壓器原邊的中間抽頭，另一端接在開關(guān)管S1及S2的中點(diǎn)。控制S1及S2輪流導(dǎo)通，在變壓器原邊形成高頻的交流電壓，經(jīng)過變壓器升壓、整流和濾波在電容C1上得到約370V直流電壓。對S3S6組成的逆變橋采用正弦脈寬調(diào)制，逆變輸出電壓經(jīng)過電感L、電容C2濾波后，最終在負(fù)載上得到220V、50Hz的正弦波交流電。采用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)前后級之間的隔離，有利于提高系統(tǒng)的安全性。輸入電壓10.515

4、 V，輸入最大電流15A，考慮一倍的余量，推挽電路開關(guān)管S1及S2耐壓不小于30V，正向電流不小于30A，選用IRFZ48N。升壓高頻變壓器的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足在輸入電壓最低時(shí)，副邊電壓經(jīng)整流后不小于逆變部分所需要的最低電壓350V，同時(shí)輸入電壓最高時(shí)，副邊電壓不能過高，以免損壞元器件。同時(shí)也必須考慮繞線上的電壓降和發(fā)熱問題。選EE型鐵氧體磁芯，原副邊繞組為7匝：300匝。關(guān)于高頻變壓器的設(shè)計(jì)可以參考文獻(xiàn)。變壓器副邊輸出整流橋由4個(gè)HER307組成。濾波電容選用68F、450 V電解電容。根據(jù)輸出功率的要求，輸出電流有效值為0 6O.7 A，考慮一定的電壓和電流余量，逆變橋中的S3S6選用IRF840

5、。逆變部分采用單極性SPWM控制方式，開關(guān)頻率fs=16 kHz。假沒濾波器時(shí)間常數(shù)為開關(guān)周期的16倍，即諧振頻率取1 kHz，則有濾波電感電容LC25×10-3，可選取L=5 mH，C=47F。濾波電感L選用內(nèi)徑20 mm，外徑40 mm的環(huán)形鐵粉芯磁芯，繞線采用直徑O4 mm的漆包線2股并繞，匝數(shù)180匝。2.l 正弦脈寬調(diào)制SPWM正弦脈寬調(diào)制SPWM技術(shù)具有線性調(diào)壓、抑制諧波等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的脈寬調(diào)制技術(shù)逆變器的脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)早在晶閘管時(shí)代就己經(jīng)出現(xiàn)了，正弦脈寬調(diào)制(SPWM)在全控型器件出現(xiàn)以后得到了迅速的發(fā)展，這種技術(shù)是用一種參考波(通常是正弦波，有時(shí)也

6、用階梯波或方波等)為“調(diào)制波”，而以N倍于調(diào)制波頻率的正三角波或鋸齒波為“載波”。由于正三角波或鋸齒波的上下寬度是線性變化的波形，因此它與調(diào)制波相交時(shí)，就可以得到一組幅值相等，而寬度正比于調(diào)制波函數(shù)值的矩形脈沖序列來等效調(diào)制波。用開關(guān)量取代模擬量，并通過對逆變器開關(guān)管的通斷控制，把直流電變成交流電。因?yàn)?，?dāng)調(diào)制波為正弦波時(shí)，輸出矩形脈沖序列的脈沖寬度按正弦函數(shù)規(guī)律變化。因此，這種調(diào)制技術(shù)通常又稱為正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)。正弦脈寬調(diào)制可以分為單極性SPWM和雙極性SPWM。雙極性SPWM的載波為正負(fù)半周都有的對稱三角波，輸出電壓為正負(fù)交替的方波序列而沒有零電平，因此可以應(yīng)用于半橋和全橋電路

7、。實(shí)際中應(yīng)選擇頻率比K為奇數(shù)，使得輸出電壓o具有奇函數(shù)對稱和半波對稱的性質(zhì)，c無偶次諧波。但是輸出電壓c中含有比較嚴(yán)重的n=K次中心諧波以及n=jk±6次邊頻諧波。其控制信號為相位互補(bǔ)的兩列脈沖信號。單極性SPWM的載波為單極性的不對稱三角波，輸出電壓也是單極性的方波。因?yàn)檩敵鲭妷褐邪汶娖剑虼?，單極性SPWM只能應(yīng)用于全橋逆變電路。由于其載波本身就具有奇函數(shù)對稱和半波對稱特性，無論頻率比K取奇數(shù)還是偶數(shù)輸出電壓Uo都沒有偶次諧波。輸出電壓的單極性特性使得uo不含有n=k次中心諧波和邊頻諧波，但卻有少量的低頻諧波分量。單極性SPWM的控制信號為一組高頻（載波頻率fe）脈沖和一組低

8、頻（調(diào)制頻率fk）脈沖，每組的兩列脈沖相位互補(bǔ)。由三角載波和正弦調(diào)制波的幾何關(guān)系可以得到，在k>l時(shí)，高頻脈沖的占空比D為1) DC/DC直流升壓電路蓄電池提供的直流電壓只有12V，為了實(shí)現(xiàn)逆變器220V /SOHz輸出，就必須將輸入的12V直流低電壓升高為350V左右的直流高電壓，以滿足輸出的需要。本方案采用帶隔離變壓器的推挽式電路ya-ion實(shí)現(xiàn)直流升壓。一方面推挽變換器所用的功率開關(guān)管數(shù)量比全橋方式少一半，同時(shí)直流電壓的利用率又比半橋式電路高一倍，與單端電路相比，推挽變換器的變壓器利用率高、體積小。盡管推挽變換器具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是其變壓器容易產(chǎn)生磁偏。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，該變換器的電

9、路控制采用電流型控制芯片UC3846實(shí)現(xiàn)。電流型控制能逐周期的抑制推挽變換器的變壓器發(fā)生磁偏，而且可以方便的設(shè)定流過主開關(guān)管的電流峰值，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)也得到了很大的提高，DC/DC直流升壓電路拓?fù)淙鐖D3-2所示: 圖22 ) DC/AC逆變電路 DC/AC逆變輸出回路采用全橋式電路，如圖3-3所示。DC/DC直流升壓電路的輸出Vdc為逆變橋提供穩(wěn)定的直流電壓。逆變橋由MOS開關(guān)管M3 M6組成，按照雙極性SPWM調(diào)制方式，由單片機(jī)P87LPC768的PWM口發(fā)出互補(bǔ)的SPWM脈沖，經(jīng)過硬件延時(shí)互鎖隔離電路后加在隔離驅(qū)動光藕HCPL3120的輸入端，光藕電源由主變壓器T1上引出的幾組輔助繞組提供

10、。光禍的輸出脈沖為M3和M6的門極與M4和MS的門極提供驅(qū)動。為了防止M3與MS或者M(jìn)4與M6組成的橋臂直通造成短路，互補(bǔ)的驅(qū)動脈沖之間有2u左右的死區(qū)時(shí)間，并且分別以軟件編程和硬件互鎖兩種方式保證逆變橋的安全運(yùn)行。與主開關(guān)管反并聯(lián)的快恢復(fù)二極管D3D6為負(fù)載向直流環(huán)回饋能量提供通路。 22 PIC單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)22 PIC單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)3PICl6C7一款中檔單片機(jī)，它功能強(qiáng)大而又價(jià)格低廉是Microchip公司的PIC16C73是一款基于EPROM的8位高性能微控制器。與他價(jià)格相當(dāng)?shù)奈⒖刂破飨啾?，他在?zhí)行速度和代碼壓縮方面都有很大的改進(jìn)。由于是隨時(shí)可以買到需要的OPT產(chǎn)品，因而縮短了利

11、用PICl6C73進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的周期。PIC16C73微控制器所具有的優(yōu)越性能主要?dú)w功于他的精簡指令集和所采用的哈佛結(jié)構(gòu)，它具有的程序儲存空間和數(shù)據(jù)存儲器空間，同時(shí)可運(yùn)用兩級流水線指令進(jìn)行取數(shù)和執(zhí)行，除了跳轉(zhuǎn)指令需要兩個(gè)周期外，其余所有指令都可以在單周期內(nèi)執(zhí)行。PIC16C73分離的程度和數(shù)據(jù)空間可使指令字優(yōu)化為任意寬度，從而是指令具有單字長的特性，且允許指令碼的數(shù)據(jù)位數(shù)多余8位，這樣，就可以達(dá)到2:1的代碼壓縮4:1的速度。PICl6C73內(nèi)部有兩個(gè)CCP（Capture、Compare、PWM）模塊，當(dāng)它工作在PwM模式下，CCP x引腳就可以輸出占空比10位分辨率可調(diào)的方波，圖2為其

12、工作原理圖。TMR2在計(jì)數(shù)過程中將同步進(jìn)行兩次比較：TMR2和CCPRxH比較一致將使CCPX引腳輸出低電平；TMR2和PR2比較一致將使CCPx引腳輸出高電平，同時(shí)將TMR2清O，并讀入下一個(gè)CCPRxH值，如圖3所示。因此，設(shè)定CCPRxH值就可以設(shè)定占空比，設(shè)定PR2值就可以設(shè)定脈沖周期。脈沖占空比D可以表示為在本設(shè)計(jì)中，全橋逆變器采用單極性SPWM調(diào)制方式。CCP1模塊用來產(chǎn)生高頻脈沖，CCP2模塊用來產(chǎn)牛低頻脈沖。選擇16M晶振，根據(jù)脈沖周期Tc=（PR2）+l×4×4*Tosc和頻率比k=TgTc，可以取PR2=249，k=320，則有Tg=20 ms，高頻脈沖

13、序列每一一個(gè)周期中包含：320個(gè)脈沖。設(shè)調(diào)制比m=092，將，t=TgN320代入式（2），聯(lián)立式（3）可以得到產(chǎn)生高頻脈沖所需要的CCP1H的取值，第079個(gè)脈沖為CCP1H=230sin（N/160） （4）式中：N為O79?？紤]到正弦波的對稱性，可以得到第80159個(gè)脈沖為CCP1H=230sin×（80N）160 （5）根據(jù)脈沖的互補(bǔ)性，可以得到第160239個(gè)脈沖為CCP1H=250230sin（N160） （6）第240319個(gè)脈沖為CCP1H=250230Sin×（80一N）160（7）因此，在程序中存儲表格230sin（N160），N0，79就可以得到整個(gè)周

14、期320個(gè)高頻脈沖的CCPH值。第O79點(diǎn)，CCP1H為正向查表取值；第80159點(diǎn)，CCP1H為反向查表取值；第160239點(diǎn)CCP1H為計(jì)數(shù)周期減去正向查表值；第240319點(diǎn)CCP1H為計(jì)數(shù)周期減去反向查表值。對于低頻脈沖，前半個(gè)周期可以看成由占空比始終為1的高頻脈沖組成，后半個(gè)周期看成由占空比始終為0的高頻脈沖組成，因此，第O159個(gè)脈沖，CCP2H=250，第160319個(gè)脈沖，CCP2H=O。圖4為單片機(jī)_TMR2中斷程序的流程圖，在中斷程序中查表修改CCPxL的值就可以改變下一個(gè)脈沖的CCPxH值，從而修改下一個(gè)脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)SPWM控制。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)中，輸入

15、電壓變化范圍為10515 V，輸出濾波電感53mH，濾波電容8F，從空載到150W負(fù)載狀態(tài)下都可以輸出（220±10V）、50Hz的正弦波交流電壓，如表1和表2所示。圖5和圖6分別為空載和150W純阻性負(fù)載條件下輸出電壓電流波形?？梢钥闯鲚敵鲭妷汉碗娏鞑ㄐ瘟己茫?jīng)測量電壓波形的THD為36。 逆變技術(shù)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)領(lǐng)域里最活躍的一個(gè)研究方向，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防和家用電器等生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。本文對現(xiàn)有逆變技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與對比，選用單向電壓源高頻鏈逆變器作為設(shè)計(jì)方案。采用單片機(jī)以軟件方式實(shí)現(xiàn)對逆變器的控制以及各種保護(hù)功能，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)裝置的數(shù)字化，并通過仿真對各種控制方案進(jìn)行分析對比，最后制造了一臺樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字化DC/AC逆變電源輸出波形理想，直流環(huán)電壓波動小。帶容性負(fù)載時(shí)，逆變器輸出波形無大的畸變。由于采用單片機(jī)以軟件方法生成SPWM控制脈沖，并且采取了多種防干擾措施，逆變電路工