【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的應(yīng)用越來(lái)越廣泛 ,但應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)逆變電源的輸出電壓波形特性也隨之提出了越來(lái)越高的要求 ,因?yàn)殡娫吹妮敵霾ㄐ钨|(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性指標(biāo)。 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展 , 逆變電源廣泛應(yīng)用到各行各業(yè) ,進(jìn)而對(duì)其性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的逆變電源多為模擬控制或數(shù)字相結(jié)合的控制系統(tǒng)。好的逆變電源電壓輸出波形主要包括穩(wěn)態(tài)精度高 , 動(dòng)態(tài)性能好等方面。目前逆變器結(jié)構(gòu)和控制 , 能得到良好的正弦輸出電壓波形 , 但對(duì)突變較快的波形 , 效果不是很理想。 隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展 ,以 SPWM 控制方式設(shè)計(jì)的逆變電源越來(lái)越受到青睞。本論文敘述的就是一種基于 51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的 SPWM 逆變電源。該電源以 18 V直流電壓為輸入 ,通過(guò)升壓環(huán)節(jié)與 SPWM逆變環(huán)節(jié) ,得到了設(shè)定頻率 與電壓的優(yōu)質(zhì)正弦交流電。它采用 MOSFET 作為功率器件 ,IR2110 作為 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)芯片 ,并采用恒 U/F 的控制策略 。逆變部分采用單片機(jī)數(shù)字化 SPWM 控制方式 ,以盡可能地減少諧波。由于采用了基于單片機(jī)的數(shù)字化技術(shù) ,使得電源調(diào)節(jié)靈活、性能可靠 ,為性能要求高的儀器設(shè)備提供了一種高品質(zhì)的交流電源。 本文介紹的 SPWM逆變電源就是采用 51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) SPWM控制和正弦波方式輸出 ,而且電路簡(jiǎn)單 ,性能安全可靠 ,靈活性強(qiáng) ,同時(shí)可以降低諧波 ,提高效率。 2 選題背景 目的和意義 逆變電源是 一種采用電力電子技術(shù)進(jìn)行電能變換的裝置 ,它從交流或直流輸入獲得穩(wěn)壓恒頻的交流輸出。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展 , 逆變電源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛 ,它橫跨電力、電子、微處理器及自動(dòng)控制等多學(xué)科領(lǐng)域 ,是目前電力電子產(chǎn)業(yè)和科研的熱點(diǎn)之一。逆變電源廣泛應(yīng)用于航空、航海、電力、鐵路交通、郵電通信等諸多領(lǐng)域。相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)逆變電源的輸出電壓波形特性也隨之提出了越來(lái)越高的要求 , 因?yàn)殡娫吹妮敵霾ㄐ钨|(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性指標(biāo)。逆變電源技術(shù)是一門綜合性的專業(yè)技術(shù) ,逆變電源作為一種產(chǎn)生交流電的裝置 ,它具有以下優(yōu)點(diǎn) :①變頻 ,逆變電源能將市電轉(zhuǎn)換為用戶所需頻率的交流電 。②變相 ,逆變電源能將單相交流電轉(zhuǎn)換為三相交流電 ,也能將三相交流電轉(zhuǎn)換為單相交流電 。③逆變電源能將直流電轉(zhuǎn)換為交流電 。④逆變電源能將低質(zhì)量的市電轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。 21 世紀(jì)是能源與環(huán)保的世紀(jì)。能源的開發(fā)、資源的利用與環(huán)境保護(hù)相互協(xié)調(diào)的發(fā)展 ,是 21 世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。在這個(gè)世紀(jì)里 ,節(jié)省能源與開發(fā)新能源 ,提高燃料的利用率與減少燃料產(chǎn)生的污染已成為必須要解決的重要課題。尤其其中的逆變技術(shù) ,它的作用是從市電電網(wǎng)上得到已遭污染的定壓定頻交流“粗電能” ,或從蓄電池、太陽(yáng)能電池、燃料電池等得到的電能質(zhì)量比較差的直流原始電能 ,變換成電能質(zhì)量較高、較能滿足用戶負(fù)載對(duì)電壓和頻率要求的交流電能。鑒于逆變電源優(yōu)點(diǎn)很多 ,逆變電源將逐漸取代旋轉(zhuǎn)型變流機(jī)組。 隨著各行各業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展和對(duì)操作性能要求的提高 ,許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接用交流電網(wǎng)提供的交流電作為電能源 ,而是通過(guò)各種形式對(duì)其進(jìn)行變換 ,從而得到各自所需的電能形式。逆變就是對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的一種基本形式 ,它完成將直流電變換成交流電的功能。現(xiàn)代逆變技術(shù)是研究現(xiàn)代逆變電路的理論和應(yīng)用設(shè)計(jì)方法的學(xué)科 ,這門學(xué)科 綜合了現(xiàn)代電力電子開關(guān)器件技術(shù)、現(xiàn)代功率變換技術(shù)、模擬和數(shù)字電子技術(shù)、 PWM 技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)等多種實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù) ,已被廣泛的用于工業(yè)和民用領(lǐng)域中的各種功率變換系統(tǒng)和裝置中。 現(xiàn)階段發(fā)展?fàn)顩r 逆變電源的發(fā)展是和電力電子器件的發(fā)展聯(lián)系在一起的 ,器件的發(fā)展帶動(dòng)著逆變電源的發(fā)展。逆變電源出現(xiàn)于電力電子技術(shù)飛速發(fā)展的 20 世紀(jì) 60 年代 ,到目前為止 ,它已經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。 第一代逆變電源是采用晶閘管 SCR 作為逆變器的開關(guān)器件 ,稱為可控硅逆變電源?？煽毓枘孀冸娫吹某霈F(xiàn)雖然可以取代旋轉(zhuǎn) 型變流機(jī)組 ,但由于 SCR 是一種沒(méi)有自關(guān)斷能力的器件 ,因此必須增加換流電路來(lái)強(qiáng)迫關(guān)斷 SCR,但換流電路復(fù)雜、噪聲大、體積大、效率低等原因卻限制了逆變電源的進(jìn)一步發(fā)展。 第二代逆變電源是采用自關(guān)斷器件作為逆變器的開關(guān)器件。自 20 世紀(jì)70 年代后期 ,各種自關(guān)斷器件相運(yùn)而生 ,它們包括可關(guān)斷晶閘管 (GTO)、電力晶體管 (GTR)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)等。自關(guān)斷器件在逆變器中的應(yīng)用大大提高了逆變電源的性能 ,逆變器采用自關(guān)斷器件的好處是 :①簡(jiǎn)化了主電路。由于自關(guān)斷器件 不需要換流電路 ,因而主電路得以簡(jiǎn)化、成本降低、可靠性提高 。②提高了性能。由于自關(guān)斷器件的使用 ,使得開關(guān)頻率得以提高 ,從而使逆變橋輸出電壓中低次諧波含量大大降低 ,因而使輸出濾波器的尺寸得以減小 ,逆變電源的動(dòng)態(tài)特性及對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性也得以提高。在自關(guān)斷器件當(dāng)中 ,IGBT 以其開關(guān)頻率高、通態(tài)壓降小、驅(qū)動(dòng)功率小、模塊的電壓電流等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)已成為中小功率逆變器的首選器件。 IGBT 逆變電源已成為中小型逆變電源的主流。第二代逆變電源在控制上普遍采用帶輸出電壓有效值或平均值反饋的 S P W M 控制技術(shù)。第二代逆變電源 所采用的控制方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn) ,但由于它所采用的 S P W M 控制技術(shù)只注重如何通過(guò)恰當(dāng)設(shè)計(jì)開關(guān)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器輸出頻譜的優(yōu)化 ,沒(méi)有考慮信號(hào)傳輸過(guò)程中開關(guān)點(diǎn)的變化及負(fù)載的影響 ,所以存在以下缺點(diǎn) :①對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性不強(qiáng)。當(dāng)逆變電源輸出帶非線性負(fù)載時(shí) ,負(fù)載電流中的低次諧波電流將流過(guò)電源的內(nèi)阻 ,引起輸出電壓波形畸變 。②死區(qū)時(shí)間的存在將使 S P W M 波中含有不易濾掉的低次諧波 ,使輸出電壓波形發(fā)生畸變 。③動(dòng)態(tài)特性不好。負(fù)載突變時(shí)輸出電壓調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)。之所以出現(xiàn)這種情況 ,是因?yàn)橄到y(tǒng)中僅存在電壓平均 值或有效值反饋 ,而沒(méi)有瞬時(shí)值反饋 。④給定電壓與輸出電壓之間的相位差受負(fù)載影響較大 ,在三相電源中 ,三相輸出之間的相差不易滿足 120176。要求。 第三代逆變電源采用了實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù) ,使逆變電源的性能得到提高。實(shí)時(shí)反 饋控制技術(shù)是針對(duì)第二代逆變電源對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性不強(qiáng)及動(dòng)態(tài)特性不好的缺點(diǎn)提出來(lái)的 ,它是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型電源控制技術(shù) ,目前仍在不斷地完善和發(fā)展之中 ,實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)的采用使逆變電源的性能有了質(zhì)的飛躍。實(shí)時(shí)反饋控制技術(shù)多種多樣 ,主要有以下幾種 [59]:①重復(fù)控制 。②諧波補(bǔ)償控制 。③無(wú)差拍控制 。④單一的電壓瞬時(shí)值控制 。⑤帶電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制。其中以第五種控制方法因?qū)崿F(xiàn)方便 ,逆變電源動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越和對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。 發(fā)展趨勢(shì)及主要問(wèn)題 一、在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中 ,變頻電源技術(shù)均處于核心地位。近年來(lái) ,現(xiàn)代變頻電源技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)出以下幾種趨勢(shì) : 1 高頻化 提高變頻電源的開關(guān)頻率 ,可以有效地減小裝置的體積和重量 ,為了進(jìn)一步減小裝置的體積和重量 ,去掉笨重的工頻隔離變壓器 ,采用高頻隔離 ,并可消除變壓器和電感的音頻噪聲 ,同時(shí)改善了輸出電壓 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。 2 高性能化 高性能主要指輸出電壓特性的高性能 ,它主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 :穩(wěn)壓性能好 ,空載及負(fù)載時(shí)輸出電壓有效值要穩(wěn)定 。波形質(zhì)量高 ,不但要求空載時(shí)的波形好 ,帶載時(shí)波形也好 ,對(duì)非線性負(fù)載性要強(qiáng) 。突加或突減負(fù)載時(shí)輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)特性好 。電壓調(diào)制量小 。輸出電壓的頻率穩(wěn)定性好 。對(duì)于共相電源 ,帶不平衡負(fù)載時(shí)相電壓失衡小。 3 模塊化 當(dāng)今逆變電源的發(fā)展趨向是大功率化和高可靠性 .雖然現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)幾千 KVA 的大型逆變電源 ,完全可以滿足大功率要求的場(chǎng)合。但是 ,這樣整個(gè)系統(tǒng)的可靠性完 全由單臺(tái)電源決定 ,無(wú)論如何可靠性也不可能達(dá)到很高。為了提高系統(tǒng)的可靠性 ,就必須實(shí)現(xiàn)模塊化 ,模塊化意味著用戶可以方便地將小容量的模塊化電源任意組合 ,構(gòu) 成一個(gè)較大容量的變頻電源。模塊化需要解決逆變電源之間的并聯(lián)問(wèn)題 ,變頻電源的并聯(lián)要比直流電源的并聯(lián)復(fù)雜 ,它面臨著負(fù)荷分配、環(huán)流補(bǔ)償、通斷控制等多方面的問(wèn)題。 4 數(shù)字化 現(xiàn)在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟 ,顯示出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn) :便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、提高系統(tǒng)抗干擾能力、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào)、也便于自診斷 ,容錯(cuò)等技術(shù)的植入 ,同時(shí)也 為電源的并聯(lián)技術(shù)發(fā)展提供了方便。 5 綠色化 綠色電源的含義有兩層 :首先是顯著節(jié)電 ,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約 ,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因。為了使電源系統(tǒng)綠色化 ,電源應(yīng)加裝高效濾波器 ,還應(yīng)在電網(wǎng)輸入端采用功率因數(shù)校正技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)。提高輸入功率因數(shù)具有重要意義 ,不僅可以減少對(duì)電網(wǎng)的污染 ,降低市電的無(wú)功損耗 ,起到環(huán)保和節(jié)能的效果 ,而且還能減少相應(yīng)的投資 ,提高運(yùn)行可靠性。提高功率因數(shù)的傳統(tǒng)方法是采用無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù) ,目前較先進(jìn)的方法是 :單相輸入的采用有源功率因數(shù)校正技術(shù) ,三相輸入的