【正文】 靜止逆變器與旋轉交流機相比，其電氣特性優(yōu)良、高效節(jié)能、可靠性高、重量輕和體積小。近來，燃料電池的發(fā)展方興未艾，超大功率 DCAC 變換器必將取代旋轉交流機?，F(xiàn)代逆變技術是一門實用技術，隨著電力電子技術的高速發(fā)展，大量高功率開關器件　相繼出現(xiàn)，可以滿足各行各業(yè)對逆變技術的需求，逆變技術的應用領域越來越廣泛。2. 系統(tǒng)設計（1） 主電路設計：交流電 220V 經隔離變壓生成電壓可調的交流電，再整流成直流電，由 H 橋逆變接到負載測量；（2） 控制電路設計：輸出四路用于控制 H 橋逆變電路 SPWM 信號，上下管要有一定的死區(qū)效果(10usdeadtime30us)，正弦信號波頻率為 10~75Hz 可調,后端電壓電流頻率采樣顯示；（3） 單片機輸出的 SPWM 信號經 RC 濾掉載波提取低頻正弦信號波，便于示波器觀測單片機 SPWM 邏輯，具有過流保護功能，能夠軟件保護，硬件保護。（4） 液晶顯示輸出正弦波的頻率和調制度，按鍵可調正弦波的頻率和調制度。本系統(tǒng)采用 PIC 單片機中的 16F877A 為核心處理器，系統(tǒng)上電后，單片機2利用內部的 CCP 模塊在 RC2 口輸出正弦信號頻率從 25Hz、調制度從 開始向上增加的 SPWM 波，同時液晶上顯示正弦信號頻率和調制度；經過一段時間后，得到正弦信號頻率為 75Hz、調制度為 的 SPWM 波，系統(tǒng)初始化結束。SPWM信號通過死區(qū)電路、硬軟件保護電路后控制光耦隔離器輸出的驅動信號，進而控制逆變電路 H 橋的工作?？梢愿鶕?jù)通過人為的按鍵調節(jié)頻率和幅值變換，也可閉環(huán)的控制使電路工作于高效率狀態(tài)。本系統(tǒng)整機電路采用單片機 PIC16F877A 做主控單元,其他部分包括整流濾波模塊、逆變電路和過流檢測模塊、死區(qū)電路模塊、硬軟件保護電路模塊、驅動電路模塊、自舉電源模塊、輔助電源模塊、液晶顯示模塊等。整機框架如圖l 所示：圖 1 系統(tǒng)結構框圖3 16F877ARA0/AN02RA1/AN13RA2/AN2/Vref4RA3/AN3/Vref+5RA4/T0CKI/C1OUT6RA5/AN4/C2OUT7RE0/RD/AN58RE1/WR/AN69RE2/CS/AN710RC0/T1OSO/T1CKI15RC1/T1OSI/CCP216RC2/CCP117RC3/SCK/SCL18RC4/SDI/SDA23RC5/SDO24RC6/TX/CK25RC7/RX/TD26OSC1/CLKI13OSC2/CLKO14RB0/INT 33RB1 34RB2 35RB3/PGM 36RB4 37RB5 38MCLR/VPP 1VDD 32VDD 11VSS 12VSS 31RB6/PGC 39RB7/PGD 40RD0/PSP0 19RD1/PSP1 20RD2/PSP2 21RD3/PSP3 22RD4/PSP4 27RD5/PSP5 28RD6/PSP6 29RD7/PSP7 30U1PIC16F877AXT112MC1215pFC615pFC11104C231045V圖 2 主控制電路 功能特性描述PIC16F877A 是一種低功耗、高性能的 RISCCPU8 位微控制器，其主要特點有：1) 采用 RISC 精簡指令集、哈佛總線結構及流水線執(zhí)行方式，抗干擾能力強；2) 除程序分支指令為兩個周期外，其余均為單周期指令，且僅有 35 條單字指令； 3) 8K14 個 FLASH 程序存儲器，3688 個數(shù)據(jù)存儲器（RAM）字節(jié)； 4) 中斷能力強，達到 14 個中斷源； 5) 配置 2 類形式的串行通信模塊，即 MSSP 模塊和 USART 某塊，USART 包含 SPI 和 I?C 模式；6) 具有 8 個模擬通道接口，包含 10 位的 AD 轉換器和一個 DA 轉換某塊；7) 外圍功能模塊豐富，含 2 個 16 位寄存器的 CCP 模塊，具有 PWM 功能；8) 含 3 個定時器，其中與 PWM 功能相關的定時器 2（即 TMR2）帶有 8 位周期寄存器，且?guī)в?8 位預分頻器和后分頻器；4 PWM 技術基礎PWM 技術也稱脈寬調制技術：即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)；1) PWM 控制的思想源于通信技術，全控型器件的發(fā)展使得實現(xiàn) PWM 控制變得十分容易。2) PWM 技術的應用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術的發(fā)展史上占有十分重要的地位。3) PWM 控制技術正是有賴于在逆變電路中的成功應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位?，F(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了 PWM 技術。 SPWM控制算法自然法生成 SPWM 波又稱模擬電路法生成 SPWM 波，通常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 [9]，比較器輸出經死區(qū)形成電路即可生成帶死區(qū)的 SPWM 波。這種方法是所有生成 SPWM 波的方法中最精確的一種，其它方法都是與它近似等效，存在一定的等效誤差。不過模擬電路存在一定的溫漂。規(guī)則采樣法是從自然采樣法演變而來的，它由經過采樣的正弦波(實際上是階梯波)與三角波相交，由交點得出脈沖寬度。這種方法只在三角波的頂點或底點位置對正弦波采樣而形成階梯波，其原理如圖 35 圖 3 規(guī)則采樣法生成 SPWM 波原理圖設三角波幅值為 1，由相似三角形對應邊成比例，可得: 2tMsin2cT???所以矩形波開通時間: ??cttsin12??M調制度(正弦波與三角波幅值比)采樣三角波周期cT其實上式又可表達為： cTNnMt ????????????2si12其中 為調制率、 （ 為奇數(shù)）為 SPWM 點數(shù)，這里取 ，?m2 95?N，控制周期為 ，逆變輸出電壓的周期 ，角頻率)1(,20??n? cTcT6。由上式知改變調制比 ，可以改變輸出電壓的幅度。假設要產生頻cNT??2?M率為 的正弦波，則 SPWM 逆變控制信號的周期為：f NfTc1? SPWM調制方法以圖 4 為例進行分析圖 4 單相橋式 PWM 逆變電路1) 單極性 PWM 控制方式（單相橋逆變）在 ur和 uc的交點時刻控制 IGBT（或 MOEFET）的通斷，波形如圖 5，其中uof表示 uo的基波分量。? ur正半周，V 1保持通，V 2保持斷。 當 uruc時使 V4通，V 3斷， uo=Ud 。 當 uruc時使 V4斷，V 3通， uo=0 。 ? ur負半周，V 1保持斷，V 2保持通。當 uruc時使 V4斷，V 3通， uo=0。 當 uruc時使 V4通，V 3斷， uo=－ Ud。7圖 5 單極性 PWM 控制方式波形2) 雙極性 PWM 控制方式（單相橋逆變）在 ur和 uc的交點時刻控制 IGBT（或 MOEFET）的通斷，波形如圖 6，其中uof表示 uo的基波分量。在 ur的半個周期內，三角波載波有正有負，所得 PWM 波也有正有負，其幅值只有177。 Ud兩種電平。同樣在調制信號 ur和載波信號 uc的交點時刻控制器件的通斷。 ur正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律相同? 當 ur uc時，給 V1和 V4導通信號，給 V2和 V3關斷信號。如 io0，V 1和 V4通，如 io0，VD 1和 VD4通， uo=Ud ； ? 當 uruc時，給 V2和 V3導通信號，給 V1和 V4關斷信號。如 io0，V 2和V3通，如 io0，VD 2和 VD3通， uo=Ud [5]。8圖 6 雙極性 PWM 控制方式波形圖 3 逆變電路以單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理，如圖 3；圖中 S1~S4 是橋式電路的 4 個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。? SS 4閉合，S S 3斷開時，負載電壓 uo為正；如圖 4：圖 4 S1/S4 閉合，S2/S3 斷開電路和波形圖? SS 4斷開，S S 3閉合時，負載電壓 uo為負；如圖 5：9圖 5 SS4 閉合，SS3 斷開電路和波形圖1) 逆變電路最基本工作原理：改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率；2) 電阻負載時，負載電流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同； 3) 阻感負載時，i o 相位滯后于 uo，波形也不同。RA0/AN02RA1/AN13RA2/AN2/Vref4RA3/AN3/Vref+5RA4/T0CKI/C1OUT6RA5/AN4/C2OUT7RE0/RD/AN58RE1/WR/AN69RE2/CS/AN710RC0/T1OSO/T1CKI15RC1/T1OSI/CCP216RC2/CCP117RC3/SCK/SCL18RC4/SDI/SDA23RC5/SDO24RC6/TX/CK25RC7/RX/TD26OSC1/CLKI13OSC2/CLKO14RB0/INT 33RB1 34RB2 35RB3/PGM 36RB4 37RB5 38MCLR/VPP 1VDD 32VDD 11VSS 12VSS 31RB6/PGC 39RB7/PGD 40RD0/PSP0 19RD1/PSP1 20RD2/PSP2 21RD3/PSP3 22RD4/PSP4 27RD5/PSP5 28RD6/PSP6 29RD7/PSP7 30U1PIC16F877AXT112MC1215pFC615pFC11104C231045V圖 17 單片機電路本單片機電路含有上電復位、按鍵復位和在線仿真接口電路。主芯片PIC16F877A 的復位引腳為低電平有效復位，在剛上電時，由于電容兩端電壓不能暫變，復位引腳為低電平，電容經過一段時間的充電，復位引腳電位逐漸上升，直到達到高電平，使單片機復位。當開關閉合時，MCLP 輸出底電平，單片10機處理復位信號；開關斷開時，MCLP 輸出高電平，不進行復位。D11N5408*4D2D4 D312J1AC~220VC1100uF/450VC7104/400VIRF840IRG4PH20KD*4IRF840IRF840IRF840RL1G1G2G3G4LED1FUSE13A C2104/400VR19C8104VS1 VS2R1651K*6R13R17R14 R15R18圖 7 整流濾波及主電路主電路的工作原理圖如圖 7 所示，包括整流濾波電路、單相全橋逆變電路和 LC 濾波電路。整流濾波電路將輸入的單相交流電變成直流電,再經電容的濾波形成文波較小的直流電。全橋逆變電路將直流電變成正弦交流電，經過濾波電路后得到標準的正弦波。此外為了保證安全，在交流電的輸入端接一 3A 的保險絲。 由于輸入為交流 220V,整流二極管能承受的最大反向電壓必須大于 612V,兩個電容串聯(lián)使用，耐壓必須大于 308V，輸出功率為 500W，輸出電流為 左右，所以整流二極管選擇 1000V/3A 的 1N5408，電容選擇 120u/450V 的電解電容。IG [6,7]取額定電壓為 462V 以上、額定電流 以上的開關器件即可，IRF840 最大漏極電流為 8A,最大漏源電壓為 500V 可滿足要求。電路中各場效應管的柵極控制信號和輸出電壓的波形，負載為感性負載，工作時 IG1 和 IG4 的控制信號完全相同，IG2 和 IG3 的控制信號完全相同。IG1 和 IG2 的通斷狀態(tài)互補，IG3 和 IG4 的通斷狀態(tài)也互補。電路的工作原理 [2]是：當 IGIG4 導通時，IGIG3 截止；當 IGIG3 導通時，IGIG4 截止，每個 PWM 周期中IGIG4 與 IGIG3 交替導通截止，從而產生雙極性的 SPWM 波。如此通過控制開關管的工作狀態(tài)，使得輸出脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化，和正弦波等效，輸出即為單相雙極性正弦波。若要改變輸出正弦波的大小，則只要按照同一調制率改變上述各脈沖的寬度即可。負載處采用 LC 濾波器來濾除開關頻率及鄰近頻率的諧波，11圖 8 柵極控制信號和輸出電壓波形驅動電路的工作原理圖如圖 9 所示：采用四路高速光耦隔離器 HCPL3120[10]來分別驅動 H 橋的四個 MOS 管及實現(xiàn)控制信號與主電路的 IO 隔離，當信號輸入端 QG1 或 QG2 為低電平時，芯片內部的光耦三極管導通，6 腳和 7 腳相接可以產生 2A 的電流，在此處接入下拉電阻目的是為了拉低該處電壓，防止在 MOS 管不工作時候對應的驅動管腳懸空，從而收到其它脈沖的干擾，導致管子誤觸發(fā)。此外， 起限流作用，