【正文】 :中頻爐、高頻爐及電磁灶等設(shè)備都是采用逆變技術(shù)產(chǎn)生交流電，從而產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬在磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦流而發(fā)熱，從而達(dá)到加熱的目的。 (5)諧波治理 :市電電網(wǎng)中的諧波，主要是由各種電力電子裝置、變壓器、熒光燈等產(chǎn)生的。采用由逆變器制成的電力有源濾波器 APF和靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器 SVC，可以有效地治理市電電網(wǎng)的諧波污染。這是當(dāng)前正在興起的一門(mén)新技術(shù)。 另外，逆變技術(shù)在弧焊電源、通信開(kāi)關(guān)電源、醫(yī)用電源、變頻電源以及航空逆變器等領(lǐng)域都有應(yīng)用?？傊孀兤骷夹g(shù)已經(jīng)涉及各行各業(yè)，以及各種領(lǐng)域的用電設(shè)備。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 3 頁(yè) 共 54 頁(yè) 逆變電源的發(fā)展趨勢(shì) 逆變器也稱逆變電源，通過(guò)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷作用，將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的一種變換裝置，是整流變換的逆過(guò)程，是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件。 逆變技術(shù)的原理早在 1931年就有人研究過(guò)。從 1948年美國(guó)西屋電氣公司 研制出第一臺(tái) 逆變器 ：感應(yīng)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(jì) 70年代，可關(guān)斷晶閘管 (GTO)、電力晶閘管 (BJT)的問(wèn)世使得逆變技術(shù)得到發(fā)展應(yīng)用。到了 20世紀(jì) 80年代，功率場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)、絕緣柵極晶體管 (IGBT)、 MOS控制晶閘管 (MCT)以及靜電感應(yīng)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(chǔ)，因此電力電子器件的發(fā)展為逆變技術(shù)高頻化、大容量化創(chuàng)造了條件。進(jìn)入 20世紀(jì) 80年代后，逆變技術(shù)開(kāi)始從應(yīng)用低速器件、低開(kāi)關(guān)頻率逐漸向采用高速 器件、提高開(kāi)關(guān)頻率的方向發(fā)展，使逆變器體積進(jìn)一步減小，效率進(jìn)一步提高，正弦波逆變器的品質(zhì)指標(biāo)也得到很大提高。另一方面，微電子技術(shù)的發(fā)展為逆變技術(shù)的實(shí)用化建立了很好的平臺(tái)，傳統(tǒng)的逆變器需要通過(guò)許多的分立元件或模擬集成電路加以完成。隨著逆變技術(shù)復(fù)雜程度的增加，所需處理的信息量越來(lái)越大，而微處理器的誕生正好滿足了逆變技術(shù)的發(fā)展要求，從 8位的帶有 PWM口的微處理器到單片機(jī)，發(fā)展到今天的 32位 DSP器件，使先進(jìn)的控制技術(shù)如矢量控制技術(shù)、模糊控制等在逆變領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用。 總之，逆變電源雖然發(fā)展歷史不長(zhǎng)，但是發(fā)展速度 迅速，它是一種更新?lián)Q代的革命性電源。逆變電源在現(xiàn)代援術(shù)及新器件的支持下，無(wú)論是可靠性還是性能價(jià)格比，以及高效節(jié)能方面，都將不斷進(jìn)步和提高。電力電子功率開(kāi)關(guān)器件向高壓大容量化、集成化、全控化、高頻化及多功能化的方向發(fā)展，材料學(xué)科的超導(dǎo)材料和軟磁材料的驚人發(fā)展速度以及智能化控制技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，都促使逆變電源向著高效率 、 大功率 、高可靠性的方向發(fā)展。因此，逆變電源的開(kāi)發(fā)、研制、生產(chǎn)成為發(fā)展前景十分誘人的。 本課題的任務(wù) 本 課題設(shè)計(jì) 主要論述了基于單片機(jī)控制逆變穩(wěn)壓電源的基本原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)過(guò)程 ,并且 在搭接實(shí)驗(yàn)電路之前 ,利用仿真工具軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真 ,驗(yàn)證電路的可行性 ,最后在此基礎(chǔ)上完成樣機(jī)的調(diào)試工作。本文設(shè)計(jì)的電源 是 輸入電壓為 36V～ 48V，負(fù)載電流有效值為 ～ 1A 時(shí)，輸出線電壓有效值應(yīng)保持在 220V,在設(shè)計(jì)中 ,我們采用 SPWM逆變控制技術(shù) ,單片機(jī)控制輸 出 SPWM 波 ,驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件的電壓型逆變電路 ,最后 把直流電壓逆變成穩(wěn)定的交流電壓。 下面是本文所做的主要工作： 1．在比較全橋、半橋及推挽 3種拓?fù)涓髯蕴攸c(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用并聯(lián) MOS管驅(qū)動(dòng)的推挽變換器作為前級(jí) DC/DC升壓電路，并實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能 ； 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 4 頁(yè) 共 54 頁(yè) 2．選用 Microchip公司的高性能 16位單片機(jī)為主控核心，并設(shè)計(jì)逆變系統(tǒng)的控制電路及相關(guān)軟件； 3． 采用前饋加反饋的復(fù)合控制策略，使系統(tǒng)的電壓、頻率精度分別為 220V+5％、 50Hz、a： 0． 5％； 4．研制一臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行逆變系統(tǒng)樣機(jī)，優(yōu)化各模塊間的布局；實(shí)現(xiàn)輸入過(guò)欠壓、輸入過(guò)流、輸出過(guò)載、輸出短路、等保護(hù)功能。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 5 頁(yè) 共 54 頁(yè) 2 逆變電源原理 開(kāi)關(guān)逆變電源原理 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效 果基本相同，沖量即指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本提同，是指環(huán)節(jié)輸出效應(yīng)波形基本相同。如果個(gè)輸出波形的傅立變換進(jìn)行頻譜分析，可發(fā)現(xiàn)它們的低頻段特往非常接近，僅在高頻僅略有差異。 例如圖 21a、 b、 c所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同， (圖 21a為矩形脈沖，圖 21b為三角形脈沖，圖 21c正弦半波脈沖 )但是它們的面值 (即沖量 )都等于 l，那么，當(dāng)他們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。脈沖越窄，其輸出的差異越小。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D 21d的單位脈沖函數(shù) f(t)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過(guò)度函數(shù)。 圖 21形狀不同而沖量相同的各種脈沖 上述結(jié)論是 SPWM的重要基礎(chǔ)， 用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波 N等分，看成 N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。 SPWM波形 —— 脈沖寬度f(wàn)（ t） f（ t） f（ t） f（ t） d） c） b） a） 0 0 0 0 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 6 頁(yè) 共 54 頁(yè) 按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 SPWM波形。 圖 22 用 SPWM 波代替正弦半波 要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可 得到 SPWM 電流波：電流型逆變電路進(jìn)行 SPWM 控制，得到的就是 SPWM 電流波。 SPWM 波形可等效的各種波形： 直流斬波電路：等效直流波形 SPWM 波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和 SPWM 控制相同，也基于等效面積原理。 SPWM 概述 所謂 SPWM技術(shù)就是用功率器件的 開(kāi) 通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖系列，以實(shí)現(xiàn)變壓變頻及控 制和消除諧波為目標(biāo)的技術(shù)，也就是利用相當(dāng)于基波分量的信號(hào)波對(duì)三角載波進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的一種方法 。 這里所謂相當(dāng)于基波分量的信號(hào)波并不一定指正弦波，在 SPWM優(yōu)化模式控制中可以是預(yù)畸變的信 波，當(dāng)然不同信號(hào)調(diào)制后生成的 SPWM脈寬對(duì)變頻效果，比如輸出基波電壓幅值、基波轉(zhuǎn)矩、脈動(dòng) 轉(zhuǎn)u o wt o u wt a) b) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 7 頁(yè) 共 54 頁(yè) 矩、諧波電流損耗、功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗等的影響差異很大。 SPWM技術(shù)最初應(yīng)用于直流變換電路，隨后將這種方式與頻率控制相結(jié)合，產(chǎn)生了應(yīng)用于逆變電路的 SPWM控制技術(shù)。用改變調(diào)制信號(hào)頻率實(shí)現(xiàn)輸出電壓基波頻率的調(diào)節(jié)：用改 變調(diào)制信號(hào)幅值實(shí)現(xiàn)輸出電壓基波幅值的調(diào)節(jié)。具體來(lái)說(shuō)，就是用一種參考正弦波為“調(diào)制波”，而以 N倍于調(diào)制波頻率的三角波為“載波”。由于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)值的矩形脈沖序列用來(lái)等效調(diào)制波，用開(kāi)關(guān)量取代模擬量，并通過(guò)對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)管的通斷控制，把直流電變換成交流電。 隨著逆變器在交流傳動(dòng)、 UPS電源和有源濾波器中的廣泛應(yīng)用，以及高速全控開(kāi)關(guān)器件的大量出現(xiàn)， SPWM技術(shù)己成為逆變技術(shù)的核心，因而受到了人們的高度重視。尤其是最近幾年， 微處理器應(yīng)用于 SPWM技術(shù)和實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制以后，更是花樣翻新，到目前為止仍有新的 SPWM控制方式在不斷出現(xiàn)。目前已經(jīng)提出并得到應(yīng)用的 SPWM控制技術(shù)就不下十種。尤其是微處理器應(yīng)用于 SPWM技術(shù)之后， SPWM技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，從追求電壓的正弦波到電流的正弦波，再到磁通的正弦波；從效率最優(yōu)到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，再到噪音最小等， SPWM控制技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過(guò)程。 SPWM 調(diào)制 SPWM 脈寬調(diào)制，是靠改變脈沖寬度來(lái)控制輸出電壓，通過(guò)改變周期來(lái)控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可通過(guò)改 變此脈沖的調(diào)制周期來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個(gè)作用配合一致，且于中間直流環(huán)節(jié)無(wú)關(guān)，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動(dòng)態(tài)性能。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大大改善。利用 SPWM 逆變器能夠抑制或消除低次諧波。加上使用自關(guān)斷器件，開(kāi)關(guān)頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。 SPWM 變頻電路具有以下特點(diǎn)： 1. 可以得到相當(dāng)接近正弦波的輸出電壓 ； 2. 整流電路采用二極管，可獲得接近 1的功率因數(shù) ； 3. 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ； 4. 通過(guò)對(duì) 輸出脈沖寬度的控制可改變輸出電壓，加快了變頻過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng) ,現(xiàn)在通用變頻器基本都再用 SPWM 控制方式，所以介紹一下 SPWM 控制的原理 。 控 制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。沖量既指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同。是指該環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，則它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。 根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來(lái)代替正弦波，通過(guò)對(duì)矩形波的控制來(lái)模擬輸出不同頻率的正弦波。例如 ，把正弦半波波形分成 N 等份，就可把正弦半 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 8 頁(yè) 共 54 頁(yè) 波看成由 N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 ∏ /n ，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是 SPWM 波形?？梢钥闯觯髅}沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理， SPWM 波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦的負(fù)半周，也可以用同樣的 方法得到 SPWM 波形。 在 SPWM 波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，整流電路采用不可控的二極管電路即可， SPWM 逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。 根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后， SPWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的 SPWM 波形 。 單極性正弦波脈寬調(diào)制方式 所謂單極性控制是指在輸出 波形的半個(gè)周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件只有一個(gè)處于不斷切換的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，另一個(gè)則始終處于關(guān)斷狀態(tài)。因此，輸出波形在任何半周期內(nèi)始終為一個(gè)極性，單極性控制方式的 SPWM波形如 圖 23所示，載波信號(hào) Ur采用單極性等腰三角形波，控制信號(hào) U c 為正弦波形。當(dāng) U c＞ Ur 時(shí)，元件開(kāi)通；當(dāng) U cUr時(shí)，元件關(guān)斷，形成的調(diào)制波是等幅、等距但不等寬的脈沖列，經(jīng)半波倒相后輸出。改變控制信號(hào) U c 的幅值時(shí)，調(diào)制波的脈寬將隨之改變，從而改變了輸出電壓的大小。改變控制信號(hào) U c 的頻率，則輸出電壓的基波頻率亦隨之 而改變，這 樣就實(shí)現(xiàn)既可調(diào)壓又可調(diào)頻的目的。 用幅值為 Ur 的參考正弦波 Ur 與幅值為 U c 、頻率為 fc 的三角波 U c 比較，產(chǎn)生功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。單極性正弦脈寬調(diào)制原理波形如圖 23 所示， 用單相正弦波全波整流電壓信號(hào)與單向三角形載波交截、再通過(guò)倒相得到功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，或直接用參考正弦波與單向三角形載波交截產(chǎn)生功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 9 頁(yè) 共 54 頁(yè) 圖 23單極性 SPWM波形分析 雙極性正弦波脈寬調(diào)制方式 雙極性控制則是指在輸出波形的半周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的兩 只元件均處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但它們之間的關(guān)系是互補(bǔ)的，即通斷狀態(tài)彼此是相反交替的。這樣輸出波形在任何半周期內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)正、負(fù)極性電壓交替的情況，故稱之為雙極性控制，其波形示意圖如圖 24 所示。與單極性控制方式相比，載波和控制波都變成了有正、負(fù)半周的交流方式，其輸出矩形波也是任意半周中均出現(xiàn)正負(fù)交替的情 況。