【導讀】隨著社會的發(fā)展，人類對電能的需求已經不可或缺，人類使用各種能源轉化成電能。行是各國研究的熱門技術。在此，設計一個逆變并網模擬系統(tǒng)的軟件部分。擬系統(tǒng)主要由直流穩(wěn)壓電源、逆變電路、濾波電路、檢測及保護電路、控制系統(tǒng)組成。標準頻率信號送入主控單片機，比較后實現(xiàn)頻率相位跟蹤。所以軟件包括正弦波產生程。序、頻率相位跟蹤程序和過流欠壓保護等部分。

　　

【正文】 以該結論為理論基礎 。 用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆變電路中開關器件的通斷 。 使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內的面積相等 ， 通過改變調制波的頻率和幅值則可調節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值 [15]。 在進行脈寬調制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高 次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調制。 由于微機技術的發(fā)展使得用軟件生成 SPWM 波形變得比較容易 ,因此 ,軟件生成法也就應運而生 。 軟件生成法其實就是用軟件來實現(xiàn)調制的方法。 通常工業(yè)上使用 DSP 等直接生成 SPWM 波形。 但是由于本人掌握程度不夠，所以本設計采用軟件產生正弦波，利用硬件產生三角波，二者比較得到 SPWM。 圖 31 波形稱為單極性 SPWM 波形， 根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為 圖 32的 PWM 波， 即雙極性 SPWM 波形， 而且這種方式在實際應用中更為廣泛。 逆變并網 模擬系統(tǒng) 軟 件設計 19 圖 31 單極性 PWM控制方式波形 圖 32 雙極性 PWM控制方式波形 圖 33 調制波 正弦波和 載波 三角波 圖 34 合成 的 SPWM波形 從圖 33 和圖 34，可以很清楚地看出來，當正弦波電平高于三角波時， SPWM 波形輸出高電平。反之，當正弦波電平低于三角波時， SPWM 波形 輸出低電平。 O ? t O ? 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 20 頻率相位檢測 將檢測的信號經 LM339 正相過零比較得到方波信號， 經過比較以后， LM339 輸出端的信號為方波信號，將該信號接入反相器反相整形 后分別接入連接單片機 （ T0）端和 （ T1）端，考慮到正弦波的頻率較低，采用 “T”法測量，當 檢測到一個上升沿跳變時，同時啟動計數(shù)器 0，采用方式 1 計數(shù)，考慮到正弦波的周期為在 ～ 之間，方式 1 計數(shù)溢出需要 ，故無需打開計數(shù)器 0 中斷；當下一個上升沿跳變來臨時，停止計數(shù)器 0，由于計數(shù)器每計數(shù)一次耗時 1us，將計數(shù)器 0 的寄存器TH0 和寄存器 TL0 數(shù)據(jù)取出后就可以算出頻率，公式如下： 6001 10256f TH TL???? （ 31） 當將模擬電網refU和反饋信號 fU的頻率測出以后，以模擬電網信號的頻率為標準，通過單片機的數(shù)據(jù)處理后，調節(jié)單片機輸出控制的正弦波頻率，就可以實現(xiàn)頻率跟蹤。 相位跟蹤原理與頻率跟蹤原理比較類似，不同的是需要將兩路輸出信號 分別 接入一個 單穩(wěn)態(tài)電路，出來后進入或 門，再將或門的輸出接入 主控 單片機的外部中斷 0； 相位檢測需要將得到的方波脈沖經觸發(fā) 器得到有效的 上升沿信號，接入主控單片機 W77E58的外部中斷 INT0 進行相位檢測。其中，限幅電路采用兩個二極管 1N4148，反相整形器件選擇兩個 74LS14 進行信號整形處理。 兩路信號的信號相位不同， 或 門輸出 高 電平 ,使單片機產生中斷。此時， 和 作為檢測模擬電網的正向過零點和反饋信號的正向過零點，這樣模擬電網和反饋信號的相位都可以測出，并且可以計算出兩路信號的相位差 ， 以模擬電網的相位為標準， 分 兩種情況 實現(xiàn)相位跟蹤： ， 實際相位差 與標準相位 差 進行比較， 如果實際相位差大，調節(jié)輸出正弦波相位 ； 率 ，如果比較后發(fā)現(xiàn)，兩者的相位 差距不大， 通過主 控單片機 程序控制進行 正弦波頻率 控制 。 在相位檢測跟蹤過程中要實現(xiàn)不斷的與電網參考相位進行比較，判斷兩者相位之差是超前 還是滯后，將根據(jù)差異大小來判斷是否要進行正弦波相位調整。所以 在檢測是否有過零脈沖的同時還需要將兩路比較信號分別送入主控單片機進行信號比較 ，以實現(xiàn)真正的相位檢測和跟蹤。 兩個信號頻率不同時，沒有固定相位差。 一般要計算相位差的，都是相同頻率的。不同頻率的振動，算出來的相位差也沒有什么意義。由以下的推導可以看出： 1 1 1 1si n( * )mV V w t ??? （ 32） 2 2 2 2sin( * )mV V w t? （ 33） 以上為兩個不同的正弦波信號，我們假設一個為逆變輸出信號，一個是電網信號。所以可以看出兩信號的相位差為 1 2 1 2t w w * t? ? ?? ? ? ?（ ） （ ） （ ） （ 34） 逆變并網 模擬系統(tǒng) 軟 件設計 21 由此可以得到以下結論：只有當兩個信號的角頻率相等時 ，兩信號的相位差才是恒值。 計算出超前或滯后的時間 t，就可以通過單片機進行數(shù)據(jù)處理后，調節(jié)輸出正弦波的頻率 和 相位，實現(xiàn)相位跟蹤。 過流檢測 過流大多數(shù)是指某種原因引起的負載過載 。 通過互感變壓器連接到電網時，用霍爾電流檢測元件檢測電網 側電流的變化，以實現(xiàn)過電流檢測和保護功能。 由于檢測單相信號，所以選擇單相半波整流電路整流輸出直流信號，便于通過 A/D 轉換芯片 MAX197轉換后送入主控單片機進行數(shù)據(jù)采集?；魻栯娏鳈z測元件采集到的變化的電壓信號，經由 1N4148 進行單相半波整流，信號濾波后送入 TL084 進行信 號的穩(wěn)定，將輸出信號送入 MAX197 經模數(shù)轉換后 進入主控單片機，通過程序處理完成過流檢測 [20]。 欠壓檢測 直流電源 輸出電壓的檢測， 由電阻分壓采集到的直流電壓信號送入快速 A/D 轉換器MAX197，經 轉換后將信號送入主控單片機，單片機實時將采集回來的信號與片內程序給定的電壓 低限值進行比較，當檢測值低于程序設定最低電壓值時，單片機 立刻送出信號封鎖逆變橋的輸出 保護電路。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說 明書） 22 4 系統(tǒng)電路及程序設計 系統(tǒng)總體結構 該系統(tǒng)主要由主控制模塊， DCAC 逆變模塊， SPWM 波合成模塊，驅動模塊， 濾波模 塊，檢測模塊組成。 DCAC 逆變模塊實現(xiàn)過程：主控快速單片機輸出正弦波信號，此信號經兩個 D/A轉換芯片 AD7528 的轉換成模擬量的正弦波信號。該模擬信號幅值和功率很小，而且不夠平滑，經放大電路處理之后幅值和功率得到放大而且波形更加平滑；由兩片 TL084組成的滯回比較器和積分器產生的三角波信號。正弦信號和三角波信號在 LM339 進行疊加和過零比較后得到 SPWM 波脈沖。如果將此 SPWM 波直接用來驅動橋式電路，可能出現(xiàn)同一橋臂的開關元件同時導通，造成短路，元件損壞，故在輸出的 SPWM 波驅動橋式電路之前先進行上下橋 脈沖延時。而且為了進一步保護電路有必要用光耦實現(xiàn)強電和弱點隔離。也即是 SPWM 波經過延時保護電路，經過光耦，輸入驅動芯片 IR2110，進而驅動 MOS 管，從而實現(xiàn)將直流逆變?yōu)楣W頻率的交流。 檢測模塊要實現(xiàn)過程：頻率相位檢測與跟蹤，交流側過電流檢測。 頻率相位檢測實現(xiàn)過程：是檢測模擬并網側的電壓的相位和頻率，將檢測到的電壓信號送入 LM339 進行過零比較，再通過反相器進行整形即可得到同頻率的脈沖信號，將此脈沖信號送入主控單片機計數(shù)器 T0，通過采集和程序處理即可實現(xiàn)對電網側頻率的檢測 [17]。 橋式逆變主 電路 根據(jù) 前文分析和綜合資料，得到 橋式逆變電路的主回路的結構圖， 可以設計為 圖41 形式。 圖 41 （ a） 橋式逆變主電路圖 逆變并網 模擬系統(tǒng) 軟 件設計 23 其中所用開關器件可以是 晶體管、 MOS 管，也可以是 IGBT，而且不論 P 型或 N型， P 溝或 N 溝。 應用中也可以采用 圖 42 所示 電路形式 ： 圖 42 （ b） 橋式逆變主電路圖 主控單片機電路 控制方案中由于考慮到 信號的采集和反饋的響應電間， 采用 了 快速單片機W77E58。 該 單片機 不僅處理 快速而且與 8051 兼容的微控制器，此外，在相同的吞吐量及低頻時鐘情況下，電源功耗也降低 。這也就為整 個系統(tǒng)的 快速性和準確性提供了可靠的保障， 圖 43 和 圖 44 為 W77E58 單片機與其它外圍設備的連接 。 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t l eN um b e r R e vi s i onS i z eA4D a t e : 26 M a y 20 10 S h e e t of F i l e : D : \ P r ogr a m F i l e s \ D e s i gn E x pl o r e r 99 S E \ E x a m pl e s \ w 77 e 58 D BD r a w n B y:V C CC1C3C2C R 1V C CR11K23456789R S 1 5KI N T 1T0P 1 2P 1 1P 1 0P 2 7P 2 6P 2 5P 2 4P 2 3P 2 2P 2 1P 2 0D7D6D5D4D3D2D1D0I N T 0T1RDWRS4 K4E110R21 0 KP 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728P 1 01P 1 12P 1 23T014I N T 113R E S E T9E A / V P31X119X218P 1 34T X D11R X D10I N T 012T115RD17WR16UW 77 E 58 圖 43 W77E58 外圍接線圖 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說 明書） 24 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t l eN um b e r R e vi s i onS i z eA4D a t e : 26 M a y 20 10 S h e e t of F i l e : D : \ P r ogr a m F i l e s \ D e s i gn E x pl o r e r 99 S E \ E x a m pl e s \ w 77 e 58 D BD r a w n B y:C51 0 3E24 . 7V C CC41 0 0 P1234567891011121314151617181920C N 22 0 P I N123456789101112131415171920C N 12 0 P I NT0P 1 2P 1 1P 1 0C H 4C H 3I N T 1D7D6D5D4D3D2D1D0G N DV C CP 2 3V C CD7D6D5D4D3D2D1D0P 2 2P 2 1P 2 0V0V C CG N DD0D1D2D3D4D5D6D7P 2 4P 2 5P 2 6P 2 7V C CV C CG N DG N D+ 1 2+ 1 2 1 2 1 2C L K1 C S2 W R3 R D4H B E N5D77D68D59D410D 3/ D 1111D 2/ D 1012D 1/ D 913D 0/ D 814 I N T24V D D27 S H D N6A G N D15D G N D28R E F26R E F A D J25C H 016C H 117C H 218C H 319C H 420C H 521C H 622C H 723U M A X 19 7C H 5C H 6C H 7 圖 44 MAX 外圍接線圖 檢測及保護電路 這一部分共有 四 個部分，分別為： 直流電源 電壓檢測； 逆變交流輸出側的 電流檢測；逆變交流輸出側的頻率檢測； 逆變交流輸出側的相位檢測 。 (1)直流