【文章內容簡介】 頻率和負載功率因數下，逆變器應輸出的額定電流值。（5）額定輸出頻率在規(guī)定的條件下，固定頻率逆變器的額定輸出頻率為50Hz：頻率波動范圍：50Hz177。2%。（6）最大諧波含量正弦波逆變器，在阻性負載下，輸出電壓的最大諧波含量應≤10%。（7）過載能力在規(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。（8）效率在額定輸出電壓、輸出、電流和規(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。（9）負載功率因數逆變器負載功率因數的允許變化范圍，―。（10）負載的非對稱性在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%。（11）輸出電壓的不對稱度在正常工作條件下，各相負載對稱，輸出電壓的不對稱度應≤5%。（12）起動特性在正常工作條件下，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。（13）保護功能逆變器應設置：短路保護、過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護及缺相保護。（14）干擾與抗干擾逆變器應在規(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。（15）噪聲不經常操作、監(jiān)視和維護的逆變器，應≤95db；經常操作、監(jiān)視和維護的逆變器，應≤80db。（16）顯示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。在光伏/風力互補系統(tǒng)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：輸入直流電壓范圍，如DC24V、48V、110V、220V等；額定輸出電壓，如三相380V，還是單相220V；輸出電壓波形，如正弦波、梯形波或方波。 三相橋式逆變電路及其控制方式 電路原理：逆變最基本的電路就是橋式電路。三相橋式逆變電路原理電路如圖31所示。 圖中的開關S16代表實際電路中的電力電子功率開關器件。只要開關按照一定的規(guī)律斷開和閉合就能將直流電變?yōu)榻涣麟姟D23三相橋式逆變電路原理圖在實際電路中，開關的切換(換相)通過換相電路或控制脈沖來實現。換相是逆變電路中一個十分重要的概念，因為實際電路中的電力電子開關器件并不是理想開關，它們的開通和關斷必須在一定的控制條件下進行。無論是全控型還是半控型電力電子器件,只要給控制極適當的信號，就可以使其導通；但是關斷時的情況就不同,全控型器件可以用控制極信號使其關斷，而半控型的器件，必須采用一定的外部條件或措施才能使其關斷。對于有自關斷能力的器件來說，換相可通過自身來完成，稱為器件換相；否則要借助其他手段來實現換相，如電網換相、負載換相、電容換相。在本UPS不間斷電源設計中，逆變器的直流輸入側來自整流器的整流輸出或者蓄電池的直流輸出，屬于電壓源，因此本設計中的逆變電路屬于電壓型逆變電路。它一般采用導電模式，即在一個周期內每個臂導通。電壓型逆變電路的典型控制方式有相控和PWM控制兩種。相控是指控制觸發(fā)脈沖的相位，即脈沖觸發(fā)時刻來改變輸出電壓脈沖的寬度，從而得到調節(jié)逆變輸出電壓的作用。這種控制方式輸出電壓為矩形波，其中含有較多的諧波，對負載有不利的影響；且功率因數不高，調節(jié)時動態(tài)響應慢。采用PWM控制方式能夠較好地克服上述缺點。PWM即脈沖寬度調制控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使之輸出一系列幅值相等、寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。按照一定的規(guī)則，對各脈沖的寬度進行調制，既可改變逆變輸出電壓的大小，又可改變輸出頻率。理論和實踐證明PWM逆變電路具有很強的諧波抑制能力。同時，它還具有下列特點：(1)逆變輸出波形接近正弦波；(2)動態(tài)響應快；(3)功率因數高。隨著自關斷器件的出現并成熟后，PWM控制技術得到了很快的發(fā)展，PWM型逆變電路獲得了廣泛的應用。如今，PWM控制技術己成為電力電子技術中一個非常重要的組成部分，它對提高電力電子裝置的性能，推動電力電子技術的發(fā)展起著巨大作用。 PWM型三相橋式逆變電路正因為PWM控制技術的迅猛發(fā)展和廣泛應用，逆變電路越來越多地采用PWM控制方式。下面詳述PWM逆變器的基本原理。在采樣控制理論中，有一個重要結論: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，其效果基本相同即環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。這個結論是PWM控制的重要理論基礎。下面以正弦脈寬調制SPWM為例說明PWM控制的基本原理。(a） (b)圖24 PWM控制的基本原理示意圖如圖24所示，在圖24a中，將正弦半波分成N等份，把正弦半波看成由N個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/N，但幅值不等，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。如果此脈沖序列用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，并且使矩形脈沖和相應正弦部分面積即沖量相等，就得到了如圖24b所示的脈沖序列。這就是PWM波形。從中可看出PWM各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據沖量相等效果相同的原理，此PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦負半周，可用同樣的方法得到相應的PWM波形。這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，成為SPWM波形。在PWM波形中，要改變等效輸出正弦波的幅值只要按同一比例改變各脈沖的寬度即可。 主要器件介紹 晶閘管SCR晶閘管是最早出現得可控器件。其功率最大，使用最廣泛，在電力電子應用領域中占有很重要的地位。普通型SCR電壓高達6000V，電流達數千安培，開通僅需要在控制級上加一個小觸發(fā)脈沖，然后想要關斷這種器件必須用電感、電容和輔助開關器件組成強迫環(huán)流電路。由于工作頻率低，關斷電路復雜，效率低，功耗大，因此在PWM調制中產生的正弦波還不夠完善，而且噪音較大。目前UPS中，主要把SCR器件用作整流器和靜態(tài)開關。如圖25圖25 SCR外形圖功率MOSFET是一種全控型三端器件。其開關速度快，安全工作區(qū)寬，熱穩(wěn)定性好，線性控制能力強，采用電壓控制，易于實現計算機控制，因此常常作為開關器件實現能量變換。一般來說，MOSFET驅動電路比BJT簡單。MOSFET的缺陷是輸入阻抗高，抗靜電干擾能力低，承載能力和工作電壓低。功率MOSFET晶體管多用于電壓為500V以下的低功率高頻率能量變換裝置。由于器件受功率的限制，因此只應用與小型UPS的斬波器或逆變器中。如圖26圖26 MOSFET外形圖 絕緣柵晶體管IGBTIGBT是一種新發(fā)展起來的復合型電力電子器件，既有單極性電壓驅動的MOSFET得優(yōu)點，又有雙極性器件BJT耐高壓、電流大的優(yōu)點。其開關速度顯然較功率MOSFET低，但遠高于BJT，又因為它是電壓控制器件，故控制電路簡單、穩(wěn)定性好。IGBT的最高電壓為1200V，最大電流為1000A，工作頻率高達1000KHZ，它具有電壓控制和極短的開關時間。在UPS中，普遍用于逆變器和斬波器，也有的用于整流器。LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，其內部包含4組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，兩組運算放大器相互獨立，引腳及內部方框圖如圖27所示，LM324具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應用于各種電路中。圖27 運算放大器 變壓器變壓器采用普通工頻變壓器，初級為12V,次級為220V,外形見圖28。圖28 變壓器 壓敏電阻壓敏電阻器簡稱VSR，是一種對電壓敏感的非線性過電壓保護半導體元件。它在電路中用文字符號“RV”或“R”表示，圖29是外形圖，圖210為電路圖形符號。圖29 壓敏電阻外形圖 圖210 電路圖形符號 各功能模塊電路介紹 整流電路整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉換成單向脈動性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管組成。經過整流電路之后的電壓已經不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓。習慣上稱單向脈動性直流電壓。圖211 全波整流電路圖212 輸入曲線與輸出曲線圖211為全波整流電路，圖212是輸入曲線與輸出曲線，將交流電轉換成單向脈動性直流電。通過二極管的單相導通的特性，使輸出曲線全在正半軸，輸出脈動直流電流。整流變壓器在設計中的作用有三：(1)它可擴大整流電路中晶閘管控制角的調節(jié)范圍，提高調節(jié)性能。(2)起隔離作用。它使整流電路與電網電源隔離開來，使它們之間不發(fā)生電的直接聯系，這樣可減輕電網對整流/充電電路的干擾和影響，同時也減少了整流/充電電路對電網上其他用電設備的干擾。(3)降壓作用。整流變壓器將電網電壓變換成與負載相匹配的電壓，這有助于提高晶閘管整流器的性能。一般情況下，整流器的副邊次級電壓低于原邊初級電壓，因此這里的整流變壓器屬降壓變壓器。它的接線方式要與同步變壓器接線相配合，以滿足主回路電路與同步電壓之間的相位關系。 其余電路濾波電路：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。 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）和電感輸入式（電感器接在最前面）。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，用電感器與負載串聯）開關機控制：開關機控制電路由繼電器作為執(zhí)行部件，當繼電器吸合時，限幅放大器輸出的信號對地短路，后級電路停止工作達到關機目的。前置驅動：前置驅動電路為電壓跟隨器，組成此電路不起放大作用，只為驅動功率放大電路，為功率管提供足夠的驅動電流。功率放大電路：功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。它一般直接驅動負載，帶載能力要強。功率放大電路采用簡單的OCL功放電路。 升壓變壓器：升壓變壓器為普通的工頻變壓器，壓敏電阻標稱值為220V，此電阻為過壓保護電阻，防止電壓過高傷及人身安全。輸出切換電路：有雙刀雙擲的繼電器，線圈工作電壓為DC220V，當輸入的AC220V電壓存在時，雙刀雙擲的繼電器吸合輸出自動切換到常用電源，不存在時，輸出切換到由升壓電路提供的電源。電源檢測：當輸入電源AC220V存在時，光電耦合器導通，控制繼電器吸合，升壓電路停止工作，當無電源輸入AC220V存在時，此時失壓告警電路開始報警。失壓報警電路：失壓報警電路由2個多諧振蕩電路組成，音頻振蕩電路，振蕩頻率約為2kHz。間隙振蕩電路周期為2Hz，通過隔離后調制音頻信號，并擁有報警音控制電路。過流保護電路：過流保護電流由取樣電阻、三極管放大電路、檢波電路、電壓比較電路和鎖存電路組成。放大電路，將對取樣電阻的電壓進行放大，調整放大電路的靜態(tài)點。檢波電路，將交流信號轉換成直流電壓。過流保護指示電路，LED點亮時過流保護啟動。39第3章 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)總體框圖圖31系統(tǒng)整體框圖系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)定輸入，直流穩(wěn)壓電源向逆變電路和SPWM信號產生電路提供穩(wěn)壓電流，電流通過逆變主電路，將輸入的直流逆變?yōu)榻涣?，并通過濾波電路得到預期正弦交流輸出，同時過流保護電路對整體電路提供保護，從而保障系統(tǒng)運行。整個系統(tǒng)主要由逆變主電路，SPWM信號產生電路，驅動電路，過流保護電路等構成。 逆變電路結構UPS不間斷電源設計的基本原理是將輸入的交流電整流轉換為直流電，一方面為備用蓄電池充電，另一方面再將其逆變轉換為穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。設計的基本點有兩個：一是UPS輸出的穩(wěn)定性，即輸出電壓和頻率都必須保持穩(wěn)定；二是UPS輸出的不間斷性，即要能實現不間斷供電。如下圖32圖32 逆變主電路 PWM脈寬調制在設計SPWM時要考慮死區(qū)的影響，所以在設計的時間重點放在死區(qū)延時上。其死區(qū)延時主要是由高精度的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538完成，CD4538管腳和功能表如圖34所示。圖34 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD3538 管腳屬性及其功能表產生SPWM電路可以有如下幾種方法，本文選用的是用自然采樣法去獲得SPWM的。自然采樣法即是正弦波作為調制波，三角波作為載波，通過三角波的調制得到SPWM的波形，可以采用模擬電路構成三角載波和正弦調制波發(fā)生電路，用比較器來確定他們的交點，在交點時刻來控制開關管通斷，可以生成SPWM波，方法簡單便于實現，所以采用此方案。CD4538由兩個高精度可重觸發(fā)地單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成，Q和Q非輸出有緩沖，輸出特性對稱。該器件工作時，需外接一個電阻Rx和一個電容Cx，調節(jié)Rx和Cx數值，可得到兩個不同寬度地單穩(wěn)態(tài)脈沖，既可以調節(jié)Rx和Cx數值就可以改變死區(qū)時間，并且傳輸延遲時間不受Rx和Cx變化地影響。SPWM信號產生電路如圖35。圖35 PWM產生電路 驅動電路輸出SPWM信號經驅動電路驅動逆變橋的開關管。本文驅動電路的設計采用的是驅動芯片。驅動芯片采用IR公司生產的大功率MOSFET