【正文】 種組合稱為旋轉(zhuǎn)交流機(jī)。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，大功率開關(guān)器件和集成控制電路的研發(fā)成功，利用半導(dǎo)體技術(shù)就可以完成 DCAC變換，這種變換裝置稱為靜止變流器，通常據(jù)說的逆變器均指靜止逆變器，靜止逆變器與旋轉(zhuǎn)交流機(jī)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(zhuǎn)交流機(jī)。 現(xiàn)代逆變技術(shù)是一門實(shí)用技術(shù)，隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，大量高功率開關(guān)器件 相繼出現(xiàn)，可以滿足各行各業(yè)對逆變技術(shù)的需 求，逆變技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。 2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求及思路 （ 1） 主電路設(shè)計(jì)：交流電 220V 經(jīng)隔離變壓生成電壓可調(diào)的交流電，再整流成直流電，由 H 橋逆變接到負(fù)載測量； （ 2） 控制電路設(shè)計(jì)：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(diào) ,后端電壓電流頻率采樣顯示； （ 3） 單片機(jī)輸出的 SPWM 信號經(jīng) RC 濾掉載波提取低頻正弦信號波，便于示波器觀測單片機(jī) SPWM 邏輯，具有過流保護(hù)功能，能夠軟件保護(hù)，硬件保護(hù)。 （ 4） 液晶顯示輸出正弦 波的頻率和調(diào)制度，按鍵可調(diào)正弦波的頻率和調(diào)制度。 本系統(tǒng)采用 PIC 單片機(jī)中的 16F877A 為 核心 處理器 ，系統(tǒng)上電后，單片機(jī)利用內(nèi)部的 CCP 模塊在 RC2 口輸出正弦信號頻率從 25Hz、調(diào)制度從 開始向上增加的 SPWM 波，同時(shí)液晶上顯示正弦信號頻率和調(diào)制度；經(jīng)過一段時(shí)間后，得 2 到正弦信號頻率為 75Hz、調(diào)制度為 的 SPWM 波，系統(tǒng)初始化結(jié)束。 SPWM 信號通過死區(qū)電路、硬軟件保護(hù)電路后控制光耦隔離器輸出的驅(qū)動(dòng)信號，進(jìn)而控制逆變電路 H橋的工作?？梢愿鶕?jù)通過人為的按鍵調(diào)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(jī)電路采用單片機(jī) 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(hù)電路模塊、驅(qū)動(dòng)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(jī)框架如圖 l所示： 圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 主控單元 16F877A R A 0 /A N 02R A 1 /A N 13R A 2 /A N 2 /V re f4R A 3 /A N 3 /V re f+5R A 4 /T 0 C K I/C 1 O U T6R A 5 /A N 4 /C 2 O U T7R E 0 /R D /A N 58R E 1 /W R /A N 69R E 2 /C S /A N 710R C 0 /T 1 O S O /T 1 C K I15R C 1 /T 1 O S I/C C P 216R C 2 /C C P 117R C 3 /S C K /S C L18R C 4 /S D I/S D A23R C 5 /S D O24R C 6 /T X /C K25R C 7 /R X /T D26O S C 1 / C L K I13O S C 2 / C L K O14R B 0 /IN T33R B 134R B 235R B 3 /P G M36R B 437R B 538M C L R /V P P1V D D32V D D11V S S12V S S31R B 6 /P G C39R B 7 /P G D40R D 0 /P S P 019R D 1 /P S P 120R D 2 /P S P 221R D 3 /P S P 322R D 4 /P S P 427R D 5 /P S P 528R D 6 /P S P 629R D 7 /P S P 730U1PIC16F877AX T 11 2 MC 1 21 5 p FC61 5 p FC 1 11 0 4C 2 31 0 45V 圖 2 主控制電路 3 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(diǎn)有： 1) 采用 RISC 精簡指令集、哈佛總線結(jié)構(gòu)及流水線執(zhí)行方式，抗干擾能力強(qiáng)； 2) 除程序分支 指令為兩個(gè)周期外，其余均為單周期指令，且僅有 35條單字指令； 3) 8K 14 個(gè) FLASH 程序存儲(chǔ)器， 368 8 個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）字節(jié)； 4) 中斷能力強(qiáng)，達(dá)到 14個(gè)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(gè)模擬通道接口，包含 10 位的 AD轉(zhuǎn)換器和一個(gè) DA 轉(zhuǎn)換某塊； 7) 外圍功能模塊豐富，含 2個(gè) 16位寄存器的 CCP 模塊，具有 PWM 功能； 8) 含 3個(gè)定時(shí)器，其中與 PWM功能相關(guān)的定時(shí)器 2（即 TMR2）帶有 8 位周期寄存器，且?guī)в?8位預(yù)分頻器和后分頻器； PWM 技術(shù)基礎(chǔ) PWM 技術(shù)也稱 脈寬調(diào)制技術(shù) ：即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)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(shù)，全控型器件的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn) PWM 控制變得十分容易。 2) PWM 技術(shù)的應(yīng)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(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。 3) PWM 控制技術(shù)正是有賴于在 逆變電路 中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)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(shù)。 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(shí)現(xiàn)了自然法生成 SPWM 波 [9]，比較器輸出經(jīng)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。 4 規(guī)則采樣法是從自然采樣法演變而來的，它由經(jīng)過采樣的正弦波 (實(shí)際上是階梯波 )與三角波相交，由交點(diǎn)得出脈沖寬度。這種方法只在三角波的頂點(diǎn)或底點(diǎn)位置對正弦波采樣而形成 階梯波，其原理如圖 3 圖 3 規(guī)則采樣法生成 SPWM 波原理圖 設(shè)三角波幅值為 1，由相似三角形對應(yīng)邊成比例，可得 : 222t tM sin1 2 cT?? ? 所以矩形波開通時(shí)間 : ? ? cTtMt ?sin1212 ?? M調(diào)制度 (正弦波與三角波幅值比 ) cT 采樣三角波周期 其實(shí)上式又可表達(dá)為： cTNnMt ???????? ???????? ?2s in1212 5 其中 1?m 為調(diào)制率、 N （ 2N 為奇數(shù)）為 SPWM 點(diǎn)數(shù)，這里取 95?N ，)1(,2,1,0 ?? Nn ? ，控制周期為 cT ，逆變輸出電壓的周期 cNTT? ，角頻率cNT?? 2? 。由上式知改變調(diào)制比 M ，可以改變輸出電壓的幅度。 假設(shè)要產(chǎn)生頻率為 f 的正弦波，則 SPWM 逆變控制信號的周期為： NfTc 1? SPWM 調(diào)制方法 以圖 4 為例進(jìn)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(diǎn)時(shí)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 ， V1保持 通 ， V2保持 斷 。 當(dāng) uruc時(shí)使 V4通， V3斷， uo=Ud 。 當(dāng) uruc時(shí)使 V4斷， V3通， uo=0 。 ? ur負(fù)半周， V1保持 斷 ， V2保持 通。 當(dāng) uruc時(shí)使 V4斷， V3通， uo=0。 當(dāng) uruc時(shí)使 V4通， V3斷， uo=－ Ud。 6 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(diǎn)時(shí)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(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得 PWM 波也有正有負(fù)，其幅值只有 177。 Ud兩種電平。同樣在調(diào)制信號 ur和載波信號 uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制器件的通斷。 ur正負(fù)半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同 ? 當(dāng) ur uc時(shí) ，給 V1和 V4導(dǎo)通信號，給 V2和 V3關(guān)斷信號。 如 io0， V1和 V4通，如 io0， VD1和 VD4通， uo=Ud ； ? 當(dāng) uruc時(shí) ，給 V2和 V3導(dǎo)通信號，給 V1和 V4關(guān)斷信號。 如 io0， V2和 V3通，如 io0， VD2和 VD3通， uo=Ud [5]。 7 圖 6 雙極性 PWM控制方式波形 逆變電路的基本工作原理 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(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。 ? S S4閉合 ， S S3斷開 時(shí)，負(fù)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 ? S S4斷開 ， S S3閉合 時(shí)，負(fù)載電壓 uo為 負(fù) ；如圖 5： 8 圖 5 S S4 閉合， S S3 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(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率； 2) 電阻負(fù)載 時(shí)，負(fù)載電流 io 和 uo 的波形相同，相 位也相同； 3) 阻感負(fù)載 時(shí)， io 相位滯后于 uo，波形也不同。 單片機(jī)電路設(shè)計(jì) R A 0 /A N 02R A 1 /A N 13R A 2 /A N 2 /V re f4R A 3 /A N 3 /V re f+5R A 4 /T 0 C K I/C 1 O U T6R A 5 /A N 4 /C 2 O U T7R E 0 /R D /A N 58R E 1 /W R /A N 69R E 2 /C S /A N 710R C 0 /T 1 O S O /T 1 C K I15R C 1 /T 1 O S I/C C P 216R C 2 /C C P 117R C 3 /S C K /S C L18R C 4 /S D I/S D A23R C 5 /S D O24R C 6 /T X /C K25R C 7 /R X /T D26O S C 1 / C L K I13O S C 2 / C L K O14R B 0 /IN T33R B 134R B 235R B 3 /P G M36R B 437R B 538M C L R /V P P1V D D32V D D11V S S12V S S31R B 6 /P G C39R B 7 /P G D40R D 0 /P S P 019R D 1 /P S P 120R D 2 /P S P 221R D 3 /P S P 322R D 4 /P S P 427R D 5 /P S P 528R D 6 /P S P 629R D 7 /P S P 730U1PIC16F877AX T 11 2 MC 1 21 5 p FC61 5 p FC 1 11 0 4C 2 31 0 45V 圖 17 單片機(jī)電路 本單片機(jī)電路含有上電復(fù)位、按鍵復(fù)位和在線仿真接口電路。主芯片PIC16F877A 的復(fù)位引腳為低電平有效復(fù)位，在剛上電時(shí)，由于電容兩端電壓不能暫變，復(fù)位引腳為低電平，電容經(jīng)過一段時(shí)間的充電，復(fù)位引腳電位逐漸上升，直到達(dá)到高電平，使單片機(jī)復(fù)位。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)， MCLP 輸出底電平，單片機(jī)處理復(fù)位信號；開關(guān)斷開時(shí)， MCLP 輸出高電平，不進(jìn)行復(fù)位。 9 主電路設(shè)計(jì) D11N 540 8*4D2D4 D312J1A C ~ 22 0VC1100uF/450VC7104/400VIR F 840IR G 4P H 20 K D * 4IR F 840IR F 840IR F 840R L 1G1G2G3G4L E D 1F U S