單相正弦波逆變電源

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上單相正弦波逆變電源宋晨, 丁慶東, 韓金秋（哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱，）摘 要：本單相正弦波逆變電源的設(shè)計(jì)，以12V直流穩(wěn)壓電源作為輸入，輸出為36V、50Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波交流電。該電源采用推挽升壓和全橋逆變兩級(jí)變換，在控制電路上，前級(jí)推挽升壓電路采用MSP430-5529單片機(jī)進(jìn)行控制；逆變部分采用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110進(jìn)行全橋逆變，利用MSP430-5529單片機(jī)完成SPWM的調(diào)制，并通過(guò)低通濾波器進(jìn)行濾波，后級(jí)輸出采用電流互感器進(jìn)行采樣反饋，形成雙重反饋環(huán)節(jié)，增加了電源的穩(wěn)定性；在保護(hù)上，具有輸出過(guò)載、短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、空載保護(hù)等多重保護(hù)功能電路

2、，增強(qiáng)了該電源的可靠性和安全性；輸出交流電壓通過(guò)電壓互感器進(jìn)行采樣，再通過(guò)MSP430-5529單片機(jī)的控制進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終將電壓值顯示到液晶12864上，形成了良好的人機(jī)界面。該電源很好的完成了各項(xiàng)指標(biāo)，輸入功率為49.17W，輸出功率為43.7W，效率達(dá)到了88%，輸出標(biāo)準(zhǔn)的50Hz正弦波。關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗嗾也孀?; DC-DC ; DC-AC ; SPWM Single-phase sine wave inverterSongchen ,Dingqingdong,Hanjinqiu(Information and Communication Engineering, Harbin En

3、gineering University, Harbin, )Abstract: The design of single-phase sine wave inverter power supply, with 12 V dc voltage stabilizer as the input and output of 36 V, frequency 50 Hz ac standard sine wave. The power supply by the push-pull inverter and the whole bridge (two level transformation, in t

4、he control circuit, the former stage is used to boost the push-pull MSP430 MCU control-5529; Inverter part adopts IR2110 drive chip for the whole bridge inverter, using MSP430 single chip microcomputer 5529-complete SPWM modulation, and through the low-pass filter to filter, the output level after c

5、urrent transformer for sampling feedback, form double feedback part, increase the power of stability; In protection, with its output overload, short circuit protection, over current protection, such as the protection of no-load multi-protection functions circuit, enhance the power supply reliability

6、 and safety; Output voltage through the voltage transformer for sampling, again through the MSP430 MCU control for the 5529- a/d convert, will eventually voltage value to liquid crystal display on the 12864, forming a good human-machine interface. The power supply good finish each index, the input p

7、ower of 49.17 W, power output for W, efficiency reached 43.7%, output standard frequency 50 Hz sine wave.Keywords: Single-phase sine wave inverter ; DC-DC ; DC-AC ; SPWM引言 電力電子技術(shù)是研究電能變換原理與變換裝置的綜合性學(xué)科，是電力行業(yè)中廣泛運(yùn)用的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)研究的內(nèi)容非常廣泛，包括電力半導(dǎo)體器件、磁性元件、電力電子電路、集成控制電路以及由上述元件、電路組成的電力變換裝置，其中電力變換技術(shù)是開(kāi)關(guān)電源的基礎(chǔ)和核心。由

8、于生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，向DC /AC 變換器的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，主要有直流不停電電源系統(tǒng)( DC-UPS) 、航空電源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車等車載電源系統(tǒng)、直流功率放大器以及蓄電池儲(chǔ)能等應(yīng)用場(chǎng)合。本單相正弦波逆變電源的設(shè)計(jì)，以12V直流穩(wěn)壓電源作為輸入，輸出為36V、50Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波交流電。該電源很好的完成了各項(xiàng)指標(biāo)，輸入功率為49.17W，輸出功率為43.7W，效率達(dá)到了88%，輸出標(biāo)準(zhǔn)的50Hz正弦波。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)并制作輸出電壓為36VAC的單相正弦波逆變電源，輸入為12VDC電源，負(fù)載為阻性?；疽螅?）在額定輸入電壓Ui=1014.5V下，輸出電壓UORMS=36

9、7;0.5V，頻率，額定滿載輸出功率50W；（2）輸出正弦波電壓，THD3%；（3）滿載情況下，逆變效率83%；（4）具有輸入過(guò)壓、欠壓保護(hù)功能，欠壓保護(hù)點(diǎn)9±0.5V，過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)16±0.5V。當(dāng)滿足過(guò)壓、欠壓條件時(shí)，關(guān)閉輸出；（5）輸出過(guò)流保護(hù)功能，動(dòng)作電流Io=1.6±0.1A。1.2總體設(shè)計(jì)方案1.2.1設(shè)計(jì)思路題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)輸入為12VDC電源，輸出電壓為36VAC的單相正弦波逆變電源，輸出電壓波形為正弦波。設(shè)計(jì)中主電路采用電氣隔離、DC-DC-AC的技術(shù)，控制部分通過(guò)MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)SPWM（正弦脈寬調(diào)制）技術(shù)，利用對(duì)逆變?cè)娏OSFET的

10、驅(qū)動(dòng)脈沖控制，使輸出獲得交流正弦波的穩(wěn)壓電源。1.2.2方案論證與比較（1）DC-DC變換器的方案論證與選擇方案一：推挽式Boost DC/DC 變換電路。推挽式Boost DC /DC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖如圖1.2.1所示: 圖1.2.1 推挽式Boost DC-DC 變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖方案二：Boost升壓式DC-DC變換器。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.2.2所示。開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷受外部PWM信號(hào)控制，電感L將交替地存儲(chǔ)和釋放能量，電感儲(chǔ)能后使電壓泵升，而電容C可將輸出電壓保持平穩(wěn)，通過(guò)改變PWM控制信號(hào)的占空比可以相應(yīng)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化。圖1.2.2 Boost升壓式DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖方

11、案比較：方案一和方案二都適用于升壓電路，推挽式DC-DC 變換器需要繞制變壓器，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且變壓器功耗較大，Boost升壓式DC-DC變換器不使用高頻變壓器，出于電源效率考慮，決定采用方案二。(2)DC-AC變換器的方案論證與選擇方案一：半橋式DC-AC變換器。半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖如圖1.2.3所示。圖1.2.3 半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖方案二：全橋DC-AC變換器。全橋DC-AC變換器。全橋電路中互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，而同一側(cè)半橋上下兩開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通，將直流電壓成幅值為的交流電壓，加在變壓器一次側(cè)。改變開(kāi)關(guān)的占空比，也就改變了輸出電壓。全橋式電路如圖1.2.4所示。圖1.2.4 全橋式電路

12、方案比較：方案一和方案二都可以作為DC-AC變換器的逆變橋，由兩者的工作原理可知，半橋需要兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，全橋需要四個(gè)開(kāi)關(guān)管。半橋和全橋的開(kāi)關(guān)管的耐壓都為,而半橋輸出的電壓峰值是，全橋輸出電壓的峰值是，所以在獲得同樣的輸出電壓的時(shí)候，全橋的供電電壓可以比半橋的供電電壓低一半。出于這點(diǎn)的考慮，決定采用方案二。（3）輔助電源的方案論證與選擇方案一：采用線性穩(wěn)壓器7805。方案二：采用Buck降壓式DC-DC變換器。方案比較：考慮到方案一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可行性高，易于實(shí)現(xiàn)，且效率較高，完全滿足比賽要求，故決定采用方案一。1.2.3系統(tǒng)組成系統(tǒng)方框圖如圖1.2.5所示，先采用DC-DC變換器把12V DC的電壓

13、升至60V，保證輸出真有效值為36V的正弦波不出現(xiàn)截止失真和飽和失真。輸出電壓反饋采用調(diào)節(jié)SPWM信號(hào)脈寬的方式。該系統(tǒng)采用輔助電源供電供給輸出電壓、電流測(cè)量和輸入過(guò)壓，欠壓保護(hù)電路以及輸出過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)電路使用。輸出電壓也使用電壓互感器轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)ADC采樣后分析，在液晶屏幕上顯示。圖1.2.5 系統(tǒng)組成圖2.單元硬件電路設(shè)計(jì)2.1 DC-DC變換器控制電路的設(shè)計(jì)DC-DC變換器控制電路如圖2.1.1所示，通過(guò)單片機(jī)輸出PWM方波，輸入直流電壓+12V，由于MOS管受到PWM波的控制，當(dāng)MOS管實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和開(kāi)斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程。圖2.1.1 DC-DC變換器控制電路2.2 DC-A

14、C電路的設(shè)計(jì)全橋逆變電路圖如2.1.2所示。電路采用兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2110分別驅(qū)動(dòng)全橋的兩邊場(chǎng)效應(yīng)管IRF540按驅(qū)動(dòng)信號(hào)SPWM波交替導(dǎo)通，輸出功率放大的SPWM波。圖2.2.1 DC-AC電路圖2.3 SPWM波的實(shí)現(xiàn)本軟件利用MSP430f5529產(chǎn)生一個(gè)SPWM波。系統(tǒng)采用32768Hz的鐘表晶振，通過(guò)采用內(nèi)部硬件鎖頻環(huán)FLL，來(lái)校準(zhǔn)DCO頻率為系統(tǒng)提供MCLK/SMCLK時(shí)鐘。軟件流程如圖2.2.2：圖2.3.1 SPWM波軟件流程2.4保護(hù)電路的設(shè)計(jì)2.4.1輸入過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)輸入過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路見(jiàn)附件圖2.4.1所示。電路中通過(guò)R4、R6、R7實(shí)現(xiàn)分壓，通過(guò)比較

15、器LM339對(duì)電壓進(jìn)行比較， 當(dāng)正常時(shí)輸出為高電平，當(dāng)過(guò)壓或欠壓時(shí)輸出低電平。2.4.2輸出過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路見(jiàn)附件圖2.4.2所示。通過(guò)比較器LM339對(duì)電流互感器采樣轉(zhuǎn)化的電壓進(jìn)行比較。當(dāng)電流過(guò)流時(shí)比較器輸出是高電平產(chǎn)生保護(hù)，等故障消除，比較器輸出低電平。2.4.3空載檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)空載檢測(cè)電路圖見(jiàn)附件圖 2.4.3 所示。使用電流互感器檢測(cè)電流輸出，當(dāng)沒(méi)有電流輸出時(shí)，輸出高電平，若仍為空載，則繼續(xù)上述過(guò)程。若有電流輸出，輸出為低電平，連續(xù)輸出SPWM波形，逆變器正常工作。2.4.4浪涌短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)浪涌短路保護(hù)電路原理圖見(jiàn)附件圖2.4.4所示。當(dāng)電流高于光藕內(nèi)二級(jí)管導(dǎo)通電

16、流時(shí)光藕輸出端導(dǎo)通，單片機(jī)引腳變成低電平，使SPWM波不輸出，關(guān)閉場(chǎng)效應(yīng)管，形成保護(hù)，此過(guò)程非?？?，當(dāng)故障排除后，光電耦合器輸出關(guān)斷，逆變器正常工作。2.4.5電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)電流檢測(cè)電路見(jiàn)附件圖2.4.5，通過(guò)電流互感器采樣輸出電流，通過(guò)一個(gè)390的電阻轉(zhuǎn)化成電壓值，在用AD采樣進(jìn)單片機(jī),由12864液晶顯示電流。2.5輔助電源的設(shè)計(jì)輔助電源的電路圖見(jiàn)附件圖2.5.1，由前級(jí)12V蓄電池直接供電，通過(guò)兩個(gè)電容濾波后，經(jīng)過(guò)7805電壓轉(zhuǎn)化為5V，通過(guò)電容濾波后輸出。2.6低通濾波器的設(shè)計(jì)低通濾波器原理圖如圖2.6.1所示。低通濾波器采用一階無(wú)源LC低通濾波器，低通濾波器L、C的取值可由下式得

17、到。 為了避免磁環(huán)電感飽和，Q值取0.1，截止頻率為10kHz，經(jīng)計(jì)算，C的值為13.56µF，實(shí)取10µF。L為1.62mH，實(shí)取1mH。3.軟件設(shè)計(jì)程序流程圖如圖3.1.1所示。PUC系統(tǒng)初始化鍵盤(pán)掃描進(jìn)入數(shù)據(jù)顯示界面AD采樣電壓，電流，計(jì)算出功率鍵盤(pán)輸入頻率控制定時(shí)器和相應(yīng)中斷產(chǎn)生SPWM波，經(jīng)過(guò)濾波后輸出正弦波 圖3.1.1 程序流程圖4.系統(tǒng)測(cè)試4.1測(cè)試使用的儀器表4.1.1 測(cè)試儀器與設(shè)備序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注1TDS1012數(shù)字存儲(chǔ)示波器（60MHz、1.0GS/s）1泰克科技（中國(guó)）有限公司2UT70A數(shù)字萬(wàn)用表1優(yōu)利德有限公司3YB33150函數(shù)/

18、任意波信號(hào)發(fā)生器（15MHz）1臺(tái)灣固緯電子有限公司4.2 指標(biāo)測(cè)試和測(cè)試結(jié)果在測(cè)試前，先對(duì)整機(jī)進(jìn)行調(diào)試，系統(tǒng)調(diào)試完畢后進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。4.2.1 輸出正弦波的測(cè)試 將示波器表筆接到輸出端，可以觀察到標(biāo)準(zhǔn)的50Hz的正弦波波形，THD3%。波形圖如4.2.1所示。圖4.2.1 50Hz正弦波波形圖4.2.2輸出功率及效率的測(cè)試（1）測(cè)試方法：測(cè)試方框圖如圖4.2.2所示。圖4.2.2 效率測(cè)試方框圖 先如圖4.2.1布置好測(cè)試電路。 各路輸出電壓、電流的測(cè)量應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。 開(kāi)啟所有設(shè)備，記錄輸入功率數(shù)值及各輸出電壓、電流值。 計(jì)算出輸出功率值。 效率，為輸入功率。（2）測(cè)試結(jié)果與分析：表4.2.1 效率測(cè)試結(jié)果電壓（V）電流(A)功率(W)輸入12.24.0349.17輸出36.31.20443.7由上表可計(jì)算得。結(jié)論 經(jīng)過(guò)測(cè)試后，題目的基本要求都已完成，各項(xiàng)指標(biāo)都完成的比較好。在額定輸入電壓Ui=1014 V下，輸出電壓UORMS穩(wěn)定在36V左右，頻率，額定滿載輸出功率43W；在輸出功率為49.17W的情況下，效率達(dá)到了88%。