畢業(yè)設計---逆變電路的研究與設計

1、<p>　　逆變電路的研究與設計</p><p>　　摘 要：我們處在一個“移動”的時代，移動辦公，移動通訊，移動休閑和娛樂。在移動的狀態(tài)中，人們不但需要由電池或電瓶供給的低壓直流電，同時更需要我們在日常環(huán)境中不可或缺的220伏交流電，逆變器就可以滿足我們的這種需求。</p><p>　　簡單地說，逆變器就是一種將低壓（12或24伏）直流電轉變?yōu)?20伏交流電的電子設備。因為我們

2、通常是將220伏交流電整流變成直流電來使用，而逆變器的作用與此相反，因此而得名。</p><p>　　本設計旨在對逆變電路的基本原理進行研究分析，在此基礎上設計出可供實用的逆變電源或逆變器。 </p><p>　　關鍵詞：逆變 PWM 橋式整流</p><p>　　中圖分類號：TM464</p><p>　　Research and desi

3、gn of inverter circuit (Department of Information, Hubei Normal University, Huangshi, Hubei 435002)</p><p>　　Abstract: We are in a "mobile" era, mobile office, mobile communications, mobile leisure

4、 and entertainment. In the moving state, people not only need to supply from the battery or the battery voltage direct current, the same time we need an integral part in the everyday environment of 220 volts AC inverter

5、that will satisfy our needs.</p><p>　　In short, the inverter is a low-voltage (12 or 24 volts) direct current into 220 volts AC to electronic equipment. Because we are usually 220 volts AC is rectified into

6、DC to use, and the role of the inverter to the contrary, hence the name.</p><p>　　The design of the inverter circuit to study the basic principles of analysis, design basis for a practical inverter or invert

7、er.</p><p>　　Keywords: bridge rectifier PWM inverter</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前言：1</b></p><p>　　?1、逆變電路的原理研究2</p><p>　　

8、?1.1、逆變電路及其主要性能參數2</p><p>　　?1.2、逆變電路類型及其應用3</p><p>　　?2、逆變電路原理4</p><p>　　?2.1、逆變橋4</p><p>　　?2.2、控制邏輯5</p><p>　　?2.3、脈寬調制6</p><p>

9、;　　?3、方案設計與選擇7</p><p>　　?4、基于DSP的逆變器設計8</p><p>　　?4.1、設計要求8</p><p>　　?4.2、逆變器控制方式選擇8</p><p>　　?4.3、方案設計10</p><p>　　?5、 元件參數計算14</p><

10、p>　　?5.1、輸出濾波電感Lf、濾波電容Cf的選取14</p><p>　　5.2、變壓器的設計15</p><p>　　?5.3、功率開關的選擇15</p><p>　　?6、仿真結果16</p><p><b>　　?7、總結18</b></p><p><b

11、>　　?致 謝19</b></p><p><b>　　?參考文獻20</b></p><p>　　逆變電路的研究與設計</p><p><b>　　前言：</b></p><p>　　我們處在一個“移動”的時代，移動辦公，移動通訊，移動休閑和娛樂。在移動的狀態(tài)中，人們不但

12、需要由電池或電瓶供給的低壓直流電，同時更需要我們在日常環(huán)境中不可或缺的220伏交流電，逆變器就可以滿足我們的這種需求。他工作原理類似開關電源，當然你也可以想象是一個變壓設備。利用晶閘管電路把直流電轉變成交流電,這種對應于整流的逆向過程,定義為逆變。例如:應用晶閘管的電力機車,當下坡時使直流電動機作為發(fā)電機制動運行,機車的位能轉變成電能,反送到交流電網中去。又如運轉著的直流電動機,要使它迅速制動,也可讓電動機作發(fā)電機運行,把電動機的動能轉

13、變?yōu)殡娔?反送到電網中去。把直流電逆變成交流電的電路稱為逆變電路。在特定場合下,同一套晶閘管變流電路既可作整流,又能作逆變?！　?lt;/p><p>　　變流器工作在逆變狀態(tài)時,如果把變流器的交流側接到交流電源上,把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反送到電網去,叫有源逆變。如果變流器的交流側不與電網聯接,而直接接到負載,即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調頻率的交流電供給負載,則叫無源逆變。交流變頻調速就是利用這一原理工作的。有

14、源逆變除用于直流可逆調速系統外,還用于交流饒線轉子異步電動機的串級調速和高壓直流輸電等方面。</p><p>　　逆變器是一種將直流電（DC）轉化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成．按照科學的說他的工作原理是，通過一個震蕩芯片，或者特定的電路，控制著震蕩信號輸出，比如輸出50HZ信號，然后這個信號通過放大，推動MOS管場效應管或晶體閘管不斷開關，這樣直流電輸入之后，經過這個MOS管的開關動

15、作，就形成一定的交流特性，經過修正電路修正，就可以得到類似電網上的那種正弦波交流，然后送入一個變壓器，這個變壓器就是工頻變壓器，如果他是220V to 24V的變壓器，那么輸入220V的話輸出就是24V，輸入24V輸出則為220V，其實就是一般的24V變壓器。</p><p>　　逆變器在工作時其本身也要消耗一部分電力，因此，它的輸入功率要大于它的輸出功率。逆變器的效率即是逆變器輸入功率與輸出功率之比。如一臺逆變

16、器輸入了100瓦的直流電，輸出了90瓦的交流電，那么，它的效率就是90％。一些使用電動機的電器或工具，如電冰箱、洗衣機、電鉆等，在啟動的瞬間需要很大的電流來推動，一旦啟動成功，則僅需較小的電流來維持其正常運轉。因此，對逆變器來說，也就有了持續(xù)輸出功率和峰值輸出功率的概念。持續(xù)輸出功率即是額定輸出功率；一般峰值輸出功率為額定輸出功率的2倍。必須強調，有些電器，如空調、電冰箱等其啟動電流相當于正常工作電流的3-7倍。因此，只有能夠滿足電器啟

17、動峰值功率的逆變器才能正常工作。</p><p>　　1、逆變電路的原理研究</p><p>　　1.1、逆變電路及其主要性能參數</p><p>　　1.1.1、逆變電路及其組成</p><p>　　在移動的狀態(tài)中，人們不但需要由電池或電瓶供給的低壓直流電，同時更需要我們在日常環(huán)境中不可或缺的220伏交流電，逆變器就可以滿足我們的這種需求。

18、簡單地說，逆變器就是一種將低壓（12或24伏）直流電轉變?yōu)?20伏交流電的電子設備。因為我們通常是將220伏交流電整流變成直流電來使用，而逆變器的作用與此相反，因此而得名。</p><p>　　逆變器是一種電源轉換裝置，逆變器按激勵方式可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經過調制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率、額定電壓等相匹配的正弦

19、交流電供系統終端用戶使用。有了逆變器，就可使用直流蓄電池為電器提供交流電。</p><p>　　1.1.2、逆變電路的主要性能參數</p><p>　　描述逆變器性能的參量和技術條件很多，這里僅就評價逆變器時常用的技術參數做一扼要說明。</p><p><b>　　（1）使用環(huán)境條件</b></p><p>　　逆變器正

20、常使用條件：海拔高度不超過1000m，空氣溫度0～+40℃。</p><p>　?。?）直流輸入電源條件　　輸入直流電壓波動范圍：蓄電池組額定電壓值的±15%。</p><p><b>　?。?）額定輸出電壓</b></p><p>　　在規(guī)定的輸入電源條件下，輸出額定電流時，逆變器應輸出的額定電壓值。</p><

21、;p>　　電壓波動范圍：單相220V±5%，三相380±5%。</p><p><b>　?。?）額定輸出電流</b></p><p>　　在規(guī)定的輸出頻率和負載功率因數下，逆變器應輸出的額定電流值。</p><p><b>　　（5）額定輸出頻率</b></p><p>

22、　　在規(guī)定的條件下，固定頻率逆變器的額定輸出頻率為50Hz：</p><p>　　頻率波動范圍：50Hz±2%。</p><p><b>　　（6）最大諧波含量</b></p><p>　　正弦波逆變器，在阻性負載下，輸出電壓的最大諧波含量應≤10%。</p><p><b>　?。?）過載能力<

23、;/b></p><p>　　在規(guī)定的條件下，在較短時間內，逆變器輸出超過額定電流值的能力。逆變器的過載能力應在規(guī)定的負載功率因數下，滿足一定的要求。</p><p><b>　?。?）效率</b></p><p>　　在額定輸出電壓、輸出，乜流和規(guī)定的負載功率因數下，逆變器輸出有功功率與輸入有功功率(或直流功率)之比。</p>

24、;<p><b>　　（9）負載功率因數</b></p><p>　　逆變器負載功率因數的允許變化范圍，推薦值0.7―1.0。</p><p>　?。?0）負載的非對稱性</p><p>　　在10%的非對稱負載下，固定頻率的三相逆變器輸出電壓的非對稱性應≤10%。</p><p>　　（11）輸出電壓的不

25、對稱度</p><p>　　在正常工作條件下，各相負載對稱，輸出電壓的不對稱度應≤5%。</p><p><b>　?。?2）起動特性</b></p><p>　　在正常工作條件下，逆變器在滿載負載和空載運行條件下，應能連續(xù)5次正常起動。</p><p><b>　?。?3）保護功能</b><

26、/p><p>　　逆變器應設置：短路保護、過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護及缺相保護。</p><p>　?。?4）干擾與抗干擾</p><p>　　逆變器應在規(guī)定的正常工作條件下，能承受一般環(huán)境下的電磁干擾。逆變器的抗干擾性能和電磁兼容性應符合有關標準的規(guī)定。</p><p><b>　?。?5）噪聲</b></p

27、><p>　　不經常操作、監(jiān)視和維護的逆變器，應≤95db；</p><p>　　經常操作、監(jiān)視和維護的逆變器，應≤80db。</p><p><b>　?。?6）顯示</b></p><p>　　逆變器應設有交流輸出電壓、輸出電流和輸出頻率等參數的數據顯示，并有輸入帶電、通電和故障狀態(tài)的信號顯示。　 </p>

28、<p>　　在光伏/風力互補系統選用逆變器時，首要的是確定逆變器如下幾個最主要的技術參數：</p><p>　　輸入直流電壓范圍，如DC24V、48V、110V、220V等；</p><p>　　額定輸出電壓，如三相380V，還是單相220V；</p><p>　　輸出電壓波形，如正弦波、梯形波或方波。</p><p>　　1.2

29、、逆變電路類型及其應用</p><p>　?。ㄒ唬┌磻梅秶诸悾?lt;/p><p><b>　?。?）普通型逆變器</b></p><p>　　直流12V或24V輸入，交流220V、50Hz輸出，功率從75W到5000W,有些型號具有交、直流轉換即UPS功能。</p><p>　?。?）逆變/充電一體機</p>

30、;<p>　　在此類逆變器中，用戶可以使用各種形式的電源為交流負載供電：有交流電時，通過逆變器使用交流電為負載供電，或為蓄電池充電；無交流電時，用蓄電池為交流負載供電。它可與各種電源結合使用：如蓄電池、發(fā)電機、太陽能電池板和風力發(fā)電機等。</p><p>　　（3）郵電通信專用逆變器</p><p>　　為郵電、通信提供高品質的48V逆變器，其產品質量好、可靠性高、模塊式（模

31、塊為1KW）逆變器，并具有N+1冗余功能、可擴充（功率從2KW到20KW）。</p><p>　?。?）航空、軍隊專用逆變器</p><p>　　此類逆變器為28Vdc輸入，可提供下列交流輸出：26Vac、115Vac、230Vac，其輸出頻率可為：50Hz、60Hz及400Hz,輸出功率從30VA到3500VA不等。還有供航空專用的DC-DC轉換器及變頻器。</p><

32、;p>　?。ǘ┌摧敵霾ㄐ畏诸悾?lt;/p><p><b>　?。?）方波逆變器</b></p><p>　　方波逆變器輸出的交流電壓波形為方波。此類逆變器所使用的逆變線路也不完全相同，但共同的特點是線路比較簡單，使用的功率開關管數量很少。設計功率一般在百瓦至千瓦之間。方波逆變器的優(yōu)點是：線路簡單、價格便宜、維修方便。缺點是由于方波電壓中含有大量高次諧波，在帶有鐵

33、心電感或變壓器的負載用電器中將產生附加損耗，對收音機和某些通訊設備有干擾。此外，這類逆變器還有調壓范圍不夠寬，保護功能不夠完善，噪聲比較大等缺點。</p><p><b>　?。?）階梯波逆變器</b></p><p>　　此類逆變器輸出的交流電壓波形為階梯波，逆變器實現階梯波輸出也有多種不同線路，輸出波形的階梯數目差別很大。階梯波逆變器的優(yōu)點是，輸出波形比方波有明顯

34、改善，高次諧波含量減少，當階梯達到17個以上時輸出波形可實現準正弦波。當采用無變壓器輸出時，整機效率很高。缺點是，階梯波疊加線路使用的功率開關管較多，其中有些線路形式還要求有多組直流電源輸入。這給太陽電池方陣的分組與接線和蓄電池的均衡充電均帶來麻煩。此外，階梯波電壓對收音機和某些通訊設備仍有一些高頻干擾。</p><p><b>　　（3）正弦波逆變器</b></p><

35、p>　　正弦波逆變器輸出的交流電壓波形為正弦波。正弦波逆變器的優(yōu)點是，輸出波形好，失真度很低，對收音機及通訊設備干擾小，噪聲低。此外，保護功能齊全，整機效率高。缺點是：線路相對復雜，對維修技術要求高，價格較貴。</p><p>　　上述三種類型逆變器的分類，有利于光伏系統和風力發(fā)電系統設計人員和用戶對逆變器進行識別和選型。實際上，波形相同的逆變器在線路原理，使用器件及控制方法等等方面仍有很大區(qū)別。</

36、p><p><b>　　2、逆變電路原理</b></p><p>　　逆變器是一種將直流電（DC）轉化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯、脈寬調制和濾波電路組成。</p><p><b>　　2.1、逆變橋</b></p><p>　　推挽全波式結構圖如下：</p><p&

37、gt;　　單向半橋逆變電路結構圖如下：</p><p>　　全橋逆變電路結構如下：</p><p>　　從輸入側逆變級看，推挽式電路適用于低壓輸入變換場合；半橋和全橋電路適用于高壓輸入場合。從輸出側周波變換級看，全波式電路功率開關電壓應力高，功率開關數少，變壓器繞組利用率低，適用于低壓輸出變換場合；全橋式電路功率開關電壓應力低，功率開關數多，變壓器繞組的利用率高，適用于高壓輸出場合。 &l

38、t;/p><p><b>　　2.2、控制邏輯</b></p><p><b>　　一種反饋調壓電路：</b></p><p>　　如圖，當逆變器正常工作時，逆變器的輸出信號接反饋變壓器，其二次電壓經整流，濾波，分壓得到反饋電壓uo，顯然，uo的大小正比于逆變器的輸出電壓。調節(jié)W1可調節(jié)負反饋電壓的大小，從而調節(jié)逆變器輸出電壓

39、的幅值。uo控制信號被送到SG35241芯片的誤差放大器的反相端腳1。誤差放大器的同相端腳2接參考電平。這樣，SG3524的輸出脈沖的占空比就受到反饋信號的控制。調節(jié)過程是這樣的，當逆變器輸出因突加負載而降低時，它會使加在SG3524 1的腳1的輸入反饋電壓下降，這會導致SG3524 1輸出脈沖占空比增加，從而使得Boost電路輸出電壓升高，逆變橋的直流電壓升高，逆變器輸出交流電壓升高。反之亦然?？梢?，正是通過SG3524 1的脈寬調

40、制組件的控制作用，實現了整個逆變器的輸出自動穩(wěn)壓調節(jié)功能。</p><p><b>　　2.3、脈寬調制</b></p><p>　　單相全橋式電壓型SPWM逆變器電路拓撲結構圖如圖所示。圖中S1~S4的通斷由正弦脈寬調制產生的信號來控制。</p><p>　　SPWM正弦脈寬調制可分為雙極性調制方式、單極性調制方式和單極性倍頻調制方式。<

41、;/p><p>　　2.3.1、單極性調制方式</p><p>　　單極性調制方式的特點是在一個開關周期內兩只功率管以較高的開關頻率互補開關，保證可以得到理想的正弦輸出電壓：另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開關損耗。但又不是固定其中一個橋臂始終為低頻(輸出基頻)，另一個橋臂始終為高頻[載波頻率)，而是每半個輸出電壓周期切換工作，即同一個橋臂在前半個周期工作在低頻

42、，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對于選用同樣的功率管時，使其使用壽命均衡，對增加可靠性有利。</p><p>　　2.3.2、雙極性調制方式</p><p>　　雙極性調制方式的特點是4個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，雖然能得正弦輸出電壓波形，但其代價是產生了較大的開關損耗。</p><p>　　2.3.3、單極性倍頻調制方式

43、</p><p>　　單極性倍頻調制方式的特點足輸出SPWM波的脈動頻率是單極性的兩倍，4個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，因此，開關管損耗與雙極性相同。</p><p><b>　　2.4、濾波電路</b></p><p>　　濾波的方法一般采用無源元件電容或電感,利用其對電壓,電流的儲能特性達到濾波的目的. 由于電抗元件在電路中有儲能作

44、用，并聯的電容器C在電源供給的電壓升高時，能把部分能量儲存起來，而當電源電壓降低時，就把能量釋放出來，使負載電壓比較平滑，即電容C具有平波的作用；與負載串聯的電感L,當電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時，它把能量儲存起來，而當電流減小時，又把能量釋放出來，使負載電流比較平滑，即電感L也有平波作用。</p><p>　　濾波電路形式很多，為了掌握它的分析規(guī)律，把它分為電容輸入式（電容器C接在最前面）和電感輸

45、入式（電感器L接在最前面）。前一種濾波電路多用于小功率電源中，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中（而且當電流很大時，僅用一電感器與負載串聯）。</p><p><b>　　3、方案設計與選擇</b></p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　這是一款非常容易制作的逆變器，可以將12V電源電壓變?yōu)?

46、20V市電，電路由BG2和BG3組成的多諧振蕩器推動，再通過BG1和BG2驅動，來控制BG6和BG7工作。</p><p>　　其中振蕩電路由BG5與DW組的穩(wěn)壓電源供電，這樣可以使輸出頻率比較穩(wěn)定。</p><p>　　在制作時，變壓器可選有常用雙12V輸出的市電變壓器?？筛鶕枰x擇12V蓄電池的容量。</p><p><b>　　方案二：</

47、b></p><p>　　以數字信號處理器(DSP)為核心的逆變器控制框圖如上圖所示。在數字信號處理器(DSP)中產生SPWM控制信號，逆變器輸出高頻脈寬調制型交流電。該交流電經工頻變壓器和輸出濾波器處理后，得到穩(wěn)定、純潔的正弦波電源。</p><p><b>　　方案分析與選擇：</b></p><p>　　方案一是一種性能優(yōu)良的家用逆

48、變電源電路圖，材料易取，輸出功率150W。電路設計頻率為300Hz左右，目的是縮小逆變變壓器的體積、重量。輸出波形方波。這款逆變電源可以用在停電時家庭照明，電子鎮(zhèn)流器的日光燈，開關電源的家用電器等其他方面。</p><p>　　方案二采用數字控制技術，利用DSP取代純模擬控制中的一些實現環(huán)節(jié)，如基準正弦發(fā)生器、輸出過載保護、輸出過壓/欠壓保護等，對于減小控制電路復雜程度、提高系統控制特性是有好處的。</p&

49、gt;<p>　　綜合考慮系統性價比以及數字控制方式存在的問題，部分數字化（CPU）產生基準正弦，同時，寬頻帶的電壓調節(jié)器仍由模擬電路實現不失為中小功率逆變器控制電路的優(yōu)選方案，所以本設計采用方案二。</p><p>　　4、基于DSP的逆變器設計</p><p><b>　　4.1、設計要求</b></p><p>　　主要內容

50、：利用倍頻單極性SPWM調制法究逆變器的調制方式，分析系統的穩(wěn)定性和外特性，給出系統的硬件結構框圖，設計系統各個部分的硬件電路，完成數字控制SPWM逆變器的原理試驗和仿真。</p><p>　　基本要求：輸入電壓：40～60VDC；輸出額定容量：1kVA；輸出電壓：220V±3%；輸出電壓頻率：50Hz載波頻率：25kHz；THD：≤3%。</p><p>　　4.2、逆變器控制

51、方式選擇</p><p>　　傳統逆變器的控制電路都是采用模擬電路和小規(guī)模數字集成電路實現的。隨著信息技術的發(fā)展，數字控制技術在逆變電源控制領域已得到越來越廣泛的應用。綜合考慮系統性價比以及數字控制方式存在的問題，目前，部分數字化（CPU）產生基準正弦，寬頻帶的</p><p>　　電壓調節(jié)器仍由模擬電路實現不失為中小功率逆變器控制電路的優(yōu)選方案。本設計分別對兩種模擬/數字混合控制方案進行

52、了比較研究，分析了它們的設計與實現，給出了相關實驗結果。</p><p>　　本設計研究的混合控制方式，也是基于數字控制器的。利用DSP取代純模擬控制中的一些實現環(huán)節(jié)，如基準正弦發(fā)生器、輸出過載保護、輸出過壓/欠壓保護等，對于減小控制電路復雜程度、提高系統控制特性是有好處的。同時，混合控制方式也考慮了數字控制可能產生的一些問題，盡可能保留模擬控制的優(yōu)點，仍采用模擬電路實現電壓調節(jié)器，與全數字控制系統相比，提高了系

53、統帶寬頻率和動態(tài)響應速度?？梢?，這種模擬/數字混合控制逆變器具有較高的性價比，在一些應用場合具有較大的優(yōu)勢。</p><p>　　根據PWM控制信號的產生方式，常用的混合控制實現方案有兩類：模擬/數字混合控制方案Ⅰ、模擬/數字混合控制方案Ⅱ。方案Ⅰ的實現框圖如圖1。</p><p>　　圖1中，主控芯片DSP主要功能是提供基準正弦數據、計算控制變量采樣信號的數值以執(zhí)行各種保護等，控制電路的

54、其它部分如電壓調節(jié)器（包括控制框圖中前向通道的有源PI校正電路和反饋通道的無源超前校正網絡）、PWM發(fā)生器等都是用模擬元件實現的。由于DSP產生的基準正弦信號帶有高頻諧波分量，需采用低通濾波器才能得到光滑的基準正弦波，作為逆變控制系統的指令信號。</p><p>　　圖2給出了模擬/數字混合控制方案Ⅱ的實現框圖，系統工作過程為：DSP提供基準正弦數據，經低通濾波器濾波后得到連續(xù)的基準正弦波形，有源PI校正電路將誤

55、差信號變?yōu)?lt;/p><p>　　調制信號，由DSP自帶的A/D轉換器采樣并通過DSP內部的事件管理器產生各路PWM控制信號，再經驅動電路控制逆變橋功率開關管的通斷。</p><p>　　就控制電路的復雜程度而言，盡管兩種方案采用了相同的DSP作為控制芯片，由于方案Ⅰ仍采用與純模擬控制電路中相同的PWM控制信號生成電路，沒有充分運用DSP的片上資源，使得控制電路規(guī)模變大，而方案Ⅱ則可省去比較

56、復雜的三角波發(fā)生器和比較器，具有一定的成本優(yōu)勢。</p><p>　　如前節(jié)所述，采用方案Ⅰ時，功率開關管驅動信號的死區(qū)時間需要通過模擬器件產生，與方案Ⅱ的軟件編程產生死區(qū)時間相比，控制精度降低，靈活性差，必須設置相當長的死區(qū)時間以保證功率電路的安全，而方案Ⅱ產生的死區(qū)時間精度很高，只需根據功率開關管的工作特性設置較短的死區(qū)即可，于是可以減輕死區(qū)效應，提高逆變器的控制性能。本文擬采用方案Ⅰ進行分析與設計。<

57、/p><p><b>　　4.3、方案設計</b></p><p>　　4.3.1、系統總體框圖</p><p>　　以數字信號處理器(DSP)為核心的逆變器控制框圖如圖3所示。在數字信號處理器(DSP)中產生SPWM控制信號，逆變器輸出高頻脈寬調制型交流電。該交流電經工頻變壓器和輸出濾波器處理后，得到穩(wěn)定、純潔的正弦波電源。</p>

58、<p>　　4.3.2、主電路的設計</p><p><b>　　1、主電路的結構</b></p><p>　　逆變器的主電路結構形式多種多樣，有全橋型、半橋型及推挽型等。中小容量逆變電源多采用半橋式逆變器結構，結構簡單，控制方便。中大容量逆變電源一般采用全橋式和推挽式逆變器結構。為了濾除高次諧波，逆變橋后級均接有LC濾波器。全橋型的主電路結構由于各種因素

59、的影響必然存在直流偏磁的問題。直流偏磁的存在致使鐵心飽和，從而加大了逆變器輸出變壓器的損耗，降低了效率，甚至會引起逆變失敗，對系統的運行有著極大的危害，必須采取措施加以解決。小容量逆變電源因為輸出容量小，電壓和電流不大，因此開關器件多選用電力MOSFET。而大容量正弦波輸出的逆變電源因其電壓電流一般都比較大，因此多采用IGBT作為它的開關器件。</p><p>　　本文主要研究的是50Hz,1kW的低頻逆變電源。

60、基于以上的分析，選用全橋型，帶有輸出隔離變壓器的主電路形式，并采用MOSFET作為開關器件。主電路圖如圖4所示。</p><p>　　2、輸出濾波電容的選取</p><p>　　輸出濾波電容用來濾除輸出電壓的高次諧波，若越大，輸出電壓的THD就越小，但DC/AC逆變器無功電流分量增大，從而增大了變流器的體積和成本。一般選取為宜，因此濾波電容值應滿足</p><p>

61、<b>　?。?）</b></p><p>　　3、輸出濾波電感設計</p><p>　　濾波電感有兩個作用一方面濾除輸出波形中的高次諧波；另一方面作為積分環(huán)節(jié)實現SPWM控制。它的設計應滿足四個方面的要求。</p><p>　　1）盡可能濾除調制波的高次諧波分量，提高輸出電壓波形質量，濾波電感的高頻阻抗與濾波電容的高頻阻抗相比不能過低，即濾波

62、電感的感值不能太小。為滿足輸出電壓波形質量，要求一個采樣周期中，電感電流的最大變化量小于允許的電感電流紋波。在時，最大，此時有：</p><p><b>　　（2）</b></p><p>　　2）電感電流必須能跟蹤上給定電流的變化，即。一旦不能跟蹤的變化，輸出電壓的失真度就會變大，嚴重時甚至導致系統異常工作。因此不能過大，即</p><p>

63、<b>　?。?）</b></p><p>　　式中，為輸出電壓峰值。</p><p>　　4.4.3、DSP的選取</p><p>　　目前，隨著計算機和信息產業(yè)的飛速發(fā)展，信號處理學科不但在理論上，而且在方法上都獲得了迅速發(fā)展。特別是信號處理器DSP(Digital Signal Processor)的誕生與快速發(fā)展，使各種數字信號處理算法

64、得以實時實現，為數字信號處理的研究和應用打開了新局面。由于DSP具有豐富的硬件資源、改進的并行結構、高速數據處理能力，強大的指令系統和日益提高的性價比己經成為世界半導體產業(yè)中緊隨微處理器與微控制器之后的又一個熱點，在通信、航空、航天、雷達、工業(yè)控制。網絡及家用電器等各個領域得到了廣泛的應用。</p><p>　　本系統采用的數字信號處理器為TI(TEXAS INSTRUMENTS)公司專為電機和電源等數字化控制而

65、設計的DSP（TMS320F2407A）。這款DSP控制芯片有以下特點：</p><p>　　1）采用高性能靜態(tài)CMOS技術，使供電電壓降為3.3V.減小了控制器的功耗：40MIPS的執(zhí)行速度，提高了控制器的實時控制能力。</p><p>　　2）片內有32K字的FLASH程序存儲器和1.5K字的數據/程序RAM,544字雙口RAM(DASRAM)和2K字的單口RAM(SARAM)。<

66、;/p><p>　　3）10位A/D轉換器，最小轉換時間為375nS?？梢砸詢蓚€8通道的雙排序方式采樣，或一個16通道排序方式采樣。</p><p>　　4）看門狗定時模塊(WDT)。</p><p>　　4.3.4、驅動電路的設計</p><p>　　隔離驅動電路采用A3120光耦隔離型驅動電路，A3120結構框圖及驅動電路結構如圖5所示。A3

67、120是美國惠普公司生產的用于驅動IGBT、MOSFET器件的光電耦合器，該芯片內部集成有光耦、接口和功放單元，可驅動1200V/100A的IGBT模塊。該驅動芯片的主要特點為：（1）工作電源電壓范圍寬（15V～30V）；（2）最小的輸出電流峰值2A；（3）</p><p>　　最大交換速度500ns；（4）具有欠壓鎖定保護（UVLO）功能；（5）輸出與輸入信號同相。</p><p>　　

68、當輸入信號為高電平時，A3120輸出為高電平，由功放級的NPN晶體管放大后輸出，驅動功率器件；當輸入信號為低電平時，A3120輸出為低電平，功放級的PNP晶體管導通，功率器件極間承受反向電壓關斷。</p><p>　　圖中，R的大小將影響逆變器的開關損耗，并且影響功率開關的關斷尖峰大小以及逆變器的輸出波形質量。逆變橋選用不同的功率開關，應調整的大小，使逆變器獲得最佳的性能。</p><p>

69、;　　4.3.5、采樣電路</p><p>　　在數字控制系統中，DSP片內A/D采樣能夠承受到輸入電平范圍為0~3.3V，所以無法對所需的控制量直接進行A/D采樣，因而通常需要把這些量調理后，才能接至DSP第A/D轉換口。本系統采用的是電壓電流雙環(huán)控制，所以包括電壓采樣電路和電流采樣電路。</p><p>　　在電壓電流雙閉環(huán)控制系統中，需采樣逆變器的輸出電壓作為反饋量。為了滿足DSP的

70、A/D模塊輸入信號的要求，模擬量需要經過圖6所示的調理電路。</p><p>　　電流采樣電路和電壓采樣電路原理基本類似，只需把電壓傳感器換成電流傳感器即可：電感電流經一電流傳感器得到與電感電流成正比的電壓信號，然后經過調理電路變換</p><p>　　4.4.6、保護電路</p><p>　　輸入過壓和欠壓保護電路如圖7所示，直流電壓保護信號取自主電路輸入電壓，經

71、電阻分壓和光耦隔離后送入控制電路。利用光電耦合器把各種模擬負載與數字信號源隔離開來，也就是把“模擬地”與“數字地”斷開。經過光耦的保護信號通過比較器分別與</p><p>　　設定的最大/最小電壓值進行比較，如果電壓值超過限定值，比較器就輸出低電平。比較器的輸出信號相與，所得的信號送入DSP的PDPINT中斷口。當器件引腳PDPINT(電源驅動保護中斷)被拉低時，會產生一個外部中斷，這個中斷是為系統的安全操作提供

72、的。如果PDPINT未被屏蔽，當PDPINT引腳拉低以后，所有的PWM輸出均為高阻態(tài)。這樣可以在過流等故障的情況下，把逆變器的PWM控制信號封死,關閉功率器件，從而實現對逆變器的保護。</p><p><b>　　5、 元件參數計算</b></p><p>　　5.1、輸出濾波電感Lf、濾波電容Cf的選取 </p><p>　　取。濾波電容電流

73、的有效值為：</p><p>　　110%負載時，負載電流的有效值為</p><p>　　容性負載時電感電流最大，因此電感電流有效值為</p><p>　　其中，?？紤]到濾波電感電流的脈動量，濾波電感的電流峰值為</p><p>　　Lf選用Mn-Zn R2KBD型鐵氧體材料鐵心PM62*49，其磁路截面積窗口面積，飽和磁感應強度，選用,濾波

74、電感匝數為：</p><p>　　取N=55匝，氣隙。按濾波電感電流有效值選取導線，取,導線截面積，導線選用0.1×2cm的銅皮。窗口利用系數，可以繞下。</p><p>　　5.2、變壓器的設計</p><p>　　為了確保輸出電壓uo的波形質量，防止uo的頂部出現平頂失真，應滿足</p><p><b>　　取，有&l

75、t;/b></p><p>　　選用的硅鋼鐵心，截面積為，窗口面積。因為硅鋼片是由鋼片疊加而成，所以實際鐵心截面積為。</p><p>　　取變壓器原邊繞組為匝，副邊繞組匝。因此</p><p>　　式中為變壓器激磁電流。取導線電流密度，有</p><p>　　原邊采用的高強度漆包線單層繞制，副邊采用的高強度漆包線單層繞制。窗口利用系數

76、，可以繞下。</p><p>　　5.3、功率開關的選擇</p><p>　　MOSFET的選擇可以從器件的電壓等級和電流等級兩個方面加以考慮。假定逆變器最高直流輸入電壓為，則采用全橋逆變電路時每個開關器件所承受的最高電壓即為?？紤]電壓尖峰影響，實際開關器件所承受的最高電壓要比這個高得多，其大小與吸收電路吸收電壓尖峰的能力有關。在這里由于逆變器最高直流輸入電壓為52.8V,所以我們選用耐壓

77、等級為100V的MOSFET.</p><p>　　器件的電流等級要根據它所通過的最大峰值電流來確定。假定系統輸出功率為，變壓器的變比為，假設系統的過載系數為1.5，逆變橋中每個MOSFET電流應力為變壓器原邊最大電流，則逆變橋中每個MOSFET中流過的電流峰值為：</p><p>　　此外，考慮電流紋波以及反并聯二極管反向恢復尖峰電流等因素的影響，選MOSFET的電流定額為150A。&l

78、t;/p><p><b>　　6、仿真結果</b></p><p><b>　　1、驅動波形</b></p><p>　　圖8是4個功率開關器件MOSFET的驅動波形。</p><p>　　由圖8可以看出DSP可以很好的輸出功率管的驅動波形。從波形看出，能滿足快速開關功率管的要求，并滿足同一橋臂上兩個開

79、關管的死區(qū)控制。</p><p>　　2、功率開關器件兩端的電壓波形</p><p><b>　　3、逆變器輸出波形</b></p><p><b>　　1、空載時的波形</b></p><p><b>　　2、滿載時的波形</b></p><p>　　

80、（1）滿載時逆變器的輸出波形</p><p>　　下圖是逆變器滿載時的電壓波形，由圖11可知，逆變器輸出電壓非常接于正弦波形，其諧波含量少，功率因數大，性能能達到要求。</p><p>　　（2）滿載時電感中的電流波形</p><p><b>　　7、總結</b></p><p>　　本設計主要圍繞數字控制SPWM逆變器

81、的硬件設計以及數字控制系統硬件電路設計等方面展開了研究。論文的主要內容概述如下：</p><p>　　1．介紹了三種經典的SPWM調制方式，包括雙極性SPWM調制法，單極性SPWM調制法，倍頻單極性SPWM調制法，通過比較和試驗發(fā)現單極性倍頻SPWM調制法相對于其他兩種調制方法，其諧波含量更低，只需要更小的濾波器件就可以達到很好的濾波效果。在選擇此種調制方式的基礎上給出了系統的傳遞函數，分析了系統的穩(wěn)定性和外特性

82、。</p><p>　　2．給出了系統的硬件結構框圖，并設計了系統各個部分的硬件電路，包括主電路，驅動電路，采樣電路和保護電路，以及數字控制系統的硬件電路，并完成了數字控制電路部分的PCB板的設計。</p><p>　　3．在傳統的PI調解器的基礎上，給出了幾種用DSP完成PI算法的方法，發(fā)現增量式PI算法可以使系統獲得更高的精度和可靠性。給出了系統控制軟件的流程圖，包括主程序流程圖和中斷

83、程序流程圖，在中斷程序流程圖中包括了數字PI算法。</p><p>　　4．基于DSP完成了數字控制SPWM逆變器的原理試驗，試驗結果表明，數字控制在改善逆變器的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能方面也能獲得良好的效果。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]伍家駒,王文婷,李學勇等.單相SPWM逆變橋輸出電壓的諧波分析[J].電

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