【正文】 ....................................... 28 4． 1 PWM 控制簡介 ................................................................................................ 28 4． 1． 1 電壓型 PWM 控制 ............................................................................... 28 4． 1． 2 電流型 PWM 控制 ............................................................................... 29 4． 2 DCDC 升壓控制電路設(shè)計 .............................................................................. 29 4． 3 DCAC 逆變控制電路設(shè)計 .............................................................................. 31 4． 3． 1 SPWM 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)原理 ......................................................... 31 4． 3． 2 SPWM 調(diào)制法的分類 ........................................................................... 31 4． 3． 3 SPWM 波產(chǎn)生方法 .............................................................................. 34 4． 4 本章小結(jié) ...................................................................................................... 37 5 結(jié)果及分析 ............................................................................................................... 37 5． 1 電路相關(guān)波形 ............................................................................................... 37 6 總結(jié) ........................................................................................................................ 39 4 致謝 ........................................................................................................................ 40 參考文獻 ................................................................................................................. 41 5 1 緒論 逆變器是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的電能變換裝置，它是通過功率半導體器 件按照特定規(guī)律的導通與關(guān)斷來完成逆變?nèi)蝿?wù)的?，F(xiàn)代逆變技術(shù)是研究逆變電路理論和應用及設(shè)計方法的一門科學，它建立在工業(yè)電子技術(shù)、半導體器件技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)、半導體變流技術(shù)、磁 性材料等科學基礎(chǔ)上的一門實 用技術(shù)，因此逆變器的應用貫穿于社會和生活的 多個領(lǐng)域 。 1． 1 正弦波逆變器設(shè)計的選題背景與意義 1． 1． 1 新能源利用 新能源從廣義上來說指太陽能，它包括風能、水的勢能、化學能等。當前 世界，煤礦、石油等自然資源不斷減少，并且由它們產(chǎn)生的污染及全球熱效應 不斷加劇，新的能源如太陽能、風能將成為主要能源。這些新能源通常用半導 體材料制成的光伏電池收集，運用一定的科學技術(shù)手段轉(zhuǎn)化成人們需要的各種 各樣的電能，逆變技術(shù)就是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一 。 1． 1． 2 消除市電諧波污染 近年來諧波污染成為電網(wǎng) 系統(tǒng)的一大“公害 ，它嚴重影響了電力設(shè)備和用電設(shè)備的安全，影響電網(wǎng)電力設(shè)計的高效可靠運行。對諧波污染的有效管理不僅能 夠提高用電設(shè)備運行質(zhì)量和能源節(jié)約，而且關(guān)系到國民用電安全的問題。 隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，負荷的急劇增加，越來越多的電力電子設(shè)備、電弧放電 性負載、家用電器、氣體放電燈和其他非線性負載的使用，使大量高次諧波電 流涌入各級電網(wǎng)，使電網(wǎng)電壓波形畸變嚴重、三相電壓不對稱和電壓閃變波動，損壞發(fā)電設(shè)備、變電設(shè)備和用電設(shè)備，危害電網(wǎng)安全。通過對市電整流后利用 現(xiàn)代逆變技術(shù)再轉(zhuǎn)換為市電標準，可以凈化市電的諧波污染 ，保護用電設(shè)備和用戶安全 。 此外，逆變器還廣泛應用于其他多個領(lǐng)域，如交流電動機變速調(diào)速、電動 機制動再生能源回饋、不間斷電源系統(tǒng)、感應加熱、弧焊電源、變頻電源等。 由此可見逆變電源對我們的生活和社會都有著極大的影響，對它的研究也具有 較大的意義。 6 1． 2 逆變器的發(fā)展及趨勢 1． 2． 1 逆變器的發(fā)展歷史 逆變器技術(shù)的發(fā)展始終與功率器件及其控制技術(shù)的發(fā)展緊密結(jié)合，從開始 發(fā)展至今共經(jīng)歷了五個階段嘲啪。 第一階段： 20世紀 50年代到 60 年代，晶閘管 (SCR)的誕生為正弦波逆變器 的發(fā)展創(chuàng)造了條件； 第 二階段： 20 世紀 70 年代，可關(guān)斷晶閘管 (GTO)及雙極型晶體管的出現(xiàn)使逆變器技術(shù)得到了發(fā)展和應用； 第三階段： 20世紀 80年代，功率場效應管、絕緣柵型場效應管和 MOS 控制晶閘管的問世為逆變器的大功率發(fā)展方向奠定了基礎(chǔ)； 第四階段： 20世紀 90年代，微電子技術(shù)的發(fā)展使新的控制技術(shù)如矢量控制技術(shù)、多電平控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)和重復控制等技術(shù)在逆變領(lǐng)域得到了較好的應用，極大的促進了逆變器技術(shù)的發(fā)展； 第五階段： 21 世紀初，隨著電力電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論和微電子技術(shù)的不斷進步和改進，逆變器技術(shù)朝著高效率、高頻 化、高可靠性、高功率密度和智能化的方向發(fā)展。 1． 2． 2 逆變器的發(fā)展趨勢 隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展和各行業(yè)對逆變器控制性能要求的提高，逆變器也得到了快速發(fā)展，目前逆變器的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在： 1．高頻化。高頻化指的是提高功率開關(guān)器件的工作頻率，這樣不但可以減小整個系統(tǒng)的體積，而且對音頻噪聲有很好的抑制作用，同時提高了逆變器輸出電壓的動態(tài)響應能力。高頻工作的功率開關(guān)器件對應于高頻隔離變壓器，高頻隔離變壓器的應用對整個系統(tǒng)的體積又有了進一步的減小。 2．高性能化。有效值是逆變器輸出電壓的主要參數(shù)， 高性能的逆變器輸出電壓有效值穩(wěn)定，同時有很高的波形質(zhì)量，適應非線性負載的能力強。由于很多時候逆變器所帶的負載會突變，高性能逆變器要求輸出電壓有較高瞬態(tài)響應 性能。對于交流輸出電壓的另一個重要參數(shù)是頻率，好的逆變器不但要求輸出電壓有效值穩(wěn)定，而且要求頻率也穩(wěn)定。具有上述特點的逆變器才能稱得上是高性能逆變器。 3．并聯(lián)技術(shù)。目前的逆變器技術(shù)可以制作出大功率產(chǎn)品，但是在大功率應用場合一旦這個逆變器系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將會導致系統(tǒng)癱瘓。而在由小功率逆變器通過并聯(lián)技術(shù)組成的系統(tǒng)中，每個單元的正常工作與否都不影響其它單元的工作 ，這樣對于整個系統(tǒng)的可靠性就有了極大的提升。 4．小型化。小型化是對應于高頻化的結(jié)果，因為使逆變器小型化主要方法就是提高開關(guān)管工作頻率，使用高頻變壓器。另一種方法是改進控制法，優(yōu) SPWM波的頻譜從而減小濾波器體積。 5．高輸入功率因數(shù)化。很多逆變系統(tǒng)使用一定的拓撲電路把直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流脈沖，再進行整流得到所需的直流電壓。輸出電流出現(xiàn)的尖峰會降低輸 7 入功率因數(shù)，提高輸入側(cè)功率因數(shù)可以有效解決逆變器對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。 6．智能化與數(shù)字化。逆變器的數(shù)字化不是簡單在逆變器中應用數(shù)字器件，如 FPGA 和單片機， 而是整個系統(tǒng)依靠數(shù)字器件的計算能力和離散控制法完成。隨著硬件的發(fā)展，處理器速度越來越高，促使逆變器向著智能化與數(shù)字化的方向發(fā)展嘲嘲。 1． 3 國內(nèi)外逆變器發(fā)展現(xiàn)狀 目前國內(nèi)生產(chǎn)光伏逆變器廠商絕大多數(shù)是在 20xx 年以后進入這一領(lǐng)域的 ，有的還處在預研和樣機生產(chǎn)階段，而根據(jù)國家質(zhì)量認證中心統(tǒng)計，通過其認證只有 53 家。光伏逆變器作為對長期運行穩(wěn)定性要求較高的產(chǎn)品，具有較深厚的技術(shù)積 累、且能夠率先獲得一定規(guī)模穩(wěn)定運行業(yè)績的企業(yè)，才有機會做大做強， 而邊緣企業(yè)則將很快被市場淘汰。國內(nèi)的先發(fā)企業(yè)有望借助國內(nèi)光伏安裝市 場的啟動獲得寶貴的運行經(jīng)驗，為將來進軍國際市場打下堅實基礎(chǔ)。 國外光伏逆變器產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟并推向市場，德國著名電氣企業(yè)西門子推出了市場化的產(chǎn)品，除歐洲的科技強國外，日本、美國等國家也已實現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器的產(chǎn)品化?，F(xiàn)在逆變器的最大功率跟蹤以及逆變環(huán)集成的單級量變換已經(jīng)成為研究的熱點，小功率型逆變器開發(fā)越來越受到大家的重視，這些小功率逆變器的控制電路主要采用數(shù)字控制，系統(tǒng)的可靠性、安全性和擴展性得到 保證，同時保護電路也比較完善 。 1． 4 本文的主要內(nèi)容 本文從逆變器結(jié)構(gòu)及原理出發(fā)，通過分析各級電路特點及性 能，選擇合適的電路拓撲結(jié)構(gòu)，計算各元件參數(shù)，制作電感器和變壓器線圈元件，并組裝和調(diào)試了一臺逆變器樣機。重點分析了前級輸出濾波電路的設(shè)計和后級 SPWM 控制電路的硬件設(shè)計。本文主要內(nèi)容安排如下： 1．概括介紹逆變器定義、應用范圍、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展前景 。 2．對比分析組成逆變器的各種電源變換電路結(jié)構(gòu)及原理，選擇最適合于本 文逆變器的變換結(jié)構(gòu)： DCDC 級采用推挽變換電路； DC— AC 級采用全橋變換。主要包括推挽變換器變壓器設(shè)計、輸出濾波電路設(shè)計、全橋輸出 SPWM 濾波電路設(shè)計以及硬件式 SPWM 倍頻調(diào)制驅(qū)動電路設(shè)計。 3．根據(jù)設(shè)計要求，完成了整機各部分電路的 PCB 制作，選擇和制作了合適的元器件搭建了試驗平臺，組裝調(diào)試了逆變器樣機，并進行了空載及帶載實驗，測量了關(guān)鍵點波形，達到了預期效果。 4．分析試驗結(jié)果，總結(jié)本文主要工作，提出后續(xù)發(fā)展方向。 8 2 現(xiàn)代逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2． 1 現(xiàn)代逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的變換裝置，它是通過控制半導體功率開 關(guān)器件 (如 SCR， 6TO， 6TR， IGBT 和功率 MOSFET 等 )的導通和關(guān)斷，把直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能?？刂乒β书_關(guān)管導通和關(guān)斷的電路就是逆變器的控制電路 ，控制電路輸出一定的電壓脈沖，使功率變換電路中的功率開關(guān)管按照一定規(guī)律導通和關(guān)斷，這時功率主電路的輸出為特定的諧波組合，最后通過濾波電路得到我們需要的電壓波形。逆變器系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 2． 1所示。 圖 2． 1 逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖 1． 輸入電路 逆變器的輸入通常是直流電 (有時是市電經(jīng)過整流濾波得到的直流電 )，這 些直流電包括直流電網(wǎng)、蓄電池、光伏電池以及其他方式得到的直流電。通常這些電能不能直接作為逆變器輸入側(cè)電壓，而是通過一定的濾波電路和 EMC 電路之后才作為逆變器輸入的。 2．逆變主電路 逆變器主電路是由功率開關(guān)器件組成的功率變換電路，主電路的結(jié)構(gòu)形式分很多種，不同的輸入輸出條件下主電路形式也不相同，每種功率變換電路都有它的優(yōu)缺點，在實際設(shè)計中應考慮最合適的電路拓撲作為主電路結(jié)構(gòu)。 3．控制電路控制電路按照逆變器輸出的要求通過一定的控制技術(shù)產(chǎn)生一組或者多組脈沖電壓，通過驅(qū)動電路作用于功率開關(guān)管，使功率開關(guān)管按照指定的次序?qū)?或者關(guān)斷，最終在主電路輸出端得到所需的電壓波形?？刂齐娐返淖饔脤τ谀孀兿到y(tǒng)至關(guān)重要，控制電路的性能直接決定了逆變器輸出電壓波形的質(zhì)量。 4．輸出電路 輸出電路一般 包括輸出濾波電路和 EMC 電路，如果輸出為直流電時還應在后面加入整流電路。對于隔離輸出的逆變器，輸出電路前級還有隔離變壓器。根據(jù)輸出是否需要穩(wěn)壓電路分為開環(huán)和閉環(huán)控制，開環(huán)系統(tǒng)輸出量只由控制電路決定，而閉環(huán)系統(tǒng)中輸出量還受反饋回路影響，使輸出更加穩(wěn)定。 5．輔助電源和保護電路 控制電路與輸入輸出電路的某些部分或芯片有特定的輸入電壓要求，輔助電源就是為電路中特定的電壓需求設(shè)定的。通常情況下輔助電源由一個或者幾個DCDC 變換器構(gòu)成，對于交流輸入的場合，輔助電源由整流后的電壓與 DCDC 變 9 換器組合完成。 保 護電路通常包括輸入過壓、欠壓保護，輸出過壓、欠壓保護，過載保護 ,過流和短路保護。對于在特定場合