【正文】 RC??? ??? )tan ( （ 36） 電容被充電到 ???t 時(shí)， )s in (2 22 ?? ??? Uuu d ， VD1 和 VD4 關(guān)斷。 設(shè) VD1 和 VD4 導(dǎo)通的時(shí)刻與 u2 過(guò)零點(diǎn)相距 ? 角，則 u2 如下式所示 )sin (2 22 ?? ?? tUu （ 31） 在 VD1 和 VD4 導(dǎo)通期間，以下方程成立 ?sin2)0( 2Uu d ? 201)0( udtiCutCd ?? ? （ 32） 式中， )0(du 為 VD1 、 VD4 開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)刻直 流側(cè)電壓值。 該電路的基本工作過(guò)程是，在 u2正半周過(guò)零點(diǎn)至ω t = 0 期間，因 2u du ，故二極管均不導(dǎo)通，此階段電容 C 向 R 放電，提供負(fù)載所需電流，同時(shí) du 按指數(shù)規(guī)律下降。該電路適用于小功率單相交流輸入的場(chǎng)合，所以本系統(tǒng)中將采用電容濾波的單相不可控整流電路， 電容濾波的不可控橋式整流電路及輸入特性波形圖如圖 31 所示。 變頻電源的工作原理 本文設(shè)計(jì)的變頻電源是由 AC— DC— AC 部分組成的，即采用的是交 — 直 — 交方式，其主要工作原理如下：首先把 50HZ、 220V 的交流電通過(guò)整流、濾波電路轉(zhuǎn)換成直流電，然后再用單相橋式逆變電路把直流電轉(zhuǎn)換成單相交流電，在 逆變過(guò)程中逆變出的交流電的頻率是可以控制的，其具體算法主要采用 SPWM（正弦脈寬調(diào)制）。主電路包括二極管整流濾波電路、 IGBT(絕緣柵雙極晶體管 )逆變器，以及輸出濾波電路等。 (g)檢測(cè)電路主要是檢測(cè)輸出的電壓值并傳回單片機(jī)。逆變器輸出的是高頻 PWM 脈沖，需要濾波后才能得到負(fù)載需要的正弦波形。由于系統(tǒng)強(qiáng)電部分和弱點(diǎn)部分要實(shí)現(xiàn)電氣土的隔離，所以中間需要加上光耦隔離。 (e)隔離驅(qū)動(dòng)電路。 (d)逆變電路。 (c)濾波電路。 (b)整流電路。 (a)單片機(jī)。當(dāng)中間的直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時(shí)，直流電流比較平直，從逆變器輸入端來(lái)看，直流電呈高阻抗，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)基本上是個(gè)電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類變頻裝置叫電流源型變頻器。電壓型源變頻 器中的逆變開(kāi)關(guān)器件都應(yīng)反并聯(lián)一個(gè)快速二極管，稱為續(xù)流二極管，這是為滯后的負(fù)載電流提供反饋到電源的通路。 交 — 直 — 交變頻裝置中，當(dāng)中間的直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí)，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個(gè)內(nèi)阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，而電流波形不規(guī)則，有許多毛刺。 電壓源型變頻器和電流源型變頻器 無(wú)論是交 — 直 — 交變頻還是交 — 交變頻，從變頻電源的性質(zhì)上看，又可以分為電壓源型變頻器和電流源型變頻器兩大類。 (c) 產(chǎn)品升級(jí)換代困難。傳統(tǒng)的逆變電源技術(shù)采用的模擬電路控制，在早期的現(xiàn)實(shí)條件下，模擬電路控制技術(shù)滿足了一定的要求，但是模擬電路存在一些固有的缺點(diǎn)： (a) 因采用大量的分立元件，導(dǎo)致系統(tǒng)的成本偏高，可靠性下降。這種方法穩(wěn)定性好，精度高，又能很方便得控制頻率和幅值。但是波形精度低，穩(wěn)定性差，諧波成分較大且不易與微機(jī)接口。頻率的調(diào)節(jié)用電位器實(shí)現(xiàn)。 構(gòu)成變頻電源方式 總體來(lái)講，實(shí)現(xiàn)變頻電源的方案主要有兩種：模擬式和數(shù)字式。采用 MOSFET 或 IGBT 時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)10kHz以上，輸出波形已 經(jīng)非常逼近正弦波，因而又稱為正弦波脈寬調(diào)制 (SPWM) 逆變器，成為目前最有發(fā)展前途的一種裝置形式。這樣，如圖 a 所示的裝置的兩個(gè)缺點(diǎn)都消除了。這樣雖然多了一個(gè)環(huán)節(jié)，但調(diào)壓時(shí)輸入功率因數(shù)不變，克服了圖 a 裝置的缺點(diǎn)，不過(guò)輸出信號(hào)中仍有較大的諧波。而輸出環(huán)節(jié)多用晶閘管組成的三相六拍逆變器，每周換相六次，輸出諧波較大 。 如圖 a中所示的這種裝置，調(diào)壓和調(diào)頻在兩個(gè)環(huán)節(jié)上分別進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。前級(jí)整流器也可采用不可控整流來(lái)獲得，然后再經(jīng)斬波器或有脈寬調(diào)制功能的逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。 Vo 的幅值由由整流器輸出電壓決定，Vo 的頻率由逆變器開(kāi)關(guān)器件切換的頻率決定，并且不受電源頻率的限制。中間經(jīng)過(guò)大電容或大電感進(jìn)行濾波，統(tǒng)稱為直流環(huán)節(jié)。交 — 直 — 交變頻器基本上由整流器、濾波器和逆變器 3 大部分組成。鑒于這類裝置的器件數(shù)量多而輸出頻率低，一般只用于低轉(zhuǎn)速、大容量的調(diào)速系統(tǒng)。交 — 交變壓變頻裝置雖然在結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)變換環(huán)節(jié)，省去了中間直流環(huán)節(jié)，但所用的器件數(shù)量更多，總設(shè)備相當(dāng)龐大。 ou 的幅值決定于各組整流裝置的控制角 a ， ou 的頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。 常用的交 — 交變壓變頻裝置輸出的每一相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。 a）直接變壓變頻裝置的結(jié)構(gòu)如圖所示。因此，研究變頻電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有實(shí)際的意義。 許多電子設(shè)備、電器設(shè)備需要為其提供頻率、電壓均要變化的電源，如：變頻調(diào)速系統(tǒng)、大功率信號(hào)源等，這類電源均稱為變頻變壓交流電源。 逆變器有著廣泛的用途，它可用于各類交通工具，如汽車、各類艦船以及飛行器，在太陽(yáng)能及風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域，逆變器有著不可替代的作用。其中逆變器部分很重要， 有了逆變器，就可利用直流電（蓄 電池 、 開(kāi)關(guān) 電源、燃料電池等）轉(zhuǎn)換成交流電為電器提供穩(wěn)定可靠 的 用電保 障，如筆記本電腦、手機(jī)、手持 PC、數(shù)碼相機(jī)以及各類儀器等；逆變器還可與發(fā)電機(jī)配套使用，能有效地節(jié)約燃料、減少噪音；在風(fēng)能、太陽(yáng)能領(lǐng)域，逆變器更是必不可少。然由于用電對(duì)象具有多樣性、新 穎性和復(fù)雜性，且要具備適應(yīng)各種不同負(fù)載的能力，各種用電設(shè)備對(duì)電源提出了越來(lái)越高的要求，因此要針對(duì)一些中小功率的電氣設(shè)備設(shè)計(jì)出適宜的可調(diào)節(jié)其頻率和電壓的電源顯得越發(fā)重要。傳統(tǒng)的體積大，笨重，效率低的變頻電源已不能滿足要求，現(xiàn)代變頻電源以其低損耗、高效率、電路簡(jiǎn)潔最 佳的性能指標(biāo)等顯著優(yōu)點(diǎn)受到青睞，并廣泛應(yīng)用于電氣傳動(dòng)、計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備。 課題研究的意義 近年來(lái)，變頻電源已成為電源系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性指標(biāo)。但是 ,通過(guò)在變頻電源中采用 PWM 整流電路，就可以基本上解決這個(gè) 問(wèn)題。但是，隨著噪聲問(wèn)題的解決，人們的目光又轉(zhuǎn)向了變頻電源對(duì)周圍環(huán)境的其他影響并在不斷探索新的解決辦法。 在變頻電源推廣應(yīng)用的初期，噪聲問(wèn)題曾經(jīng)是一個(gè)比較大的問(wèn)題。因?yàn)橹挥腥菀撞僮鞯漠a(chǎn)品才能夠不斷獲得新的用戶，并進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)，所以今后的新型變頻電源將更加容易操作。此外，以 IGBT 為開(kāi)關(guān)器件的 IPM 和單片功率 IC芯片將 功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路等集成在同一封裝內(nèi)，具有高性能和可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，所以隨著它們?cè)诖箅娏骰透吣蛪夯矫娴陌l(fā)展，必將在中小功率的變頻電源中得到更加廣泛的應(yīng)用。 大容量和小體積化將會(huì)隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展而不斷得到發(fā)展。 變頻技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向 變頻電源進(jìn)入實(shí)用期已超過(guò)了 1/4 個(gè)世紀(jì)，在此期間，作為變頻技術(shù)基礎(chǔ)的電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)都經(jīng)歷了飛躍性的發(fā)展，隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻電源的性能價(jià)格比越來(lái)越高，體 積越來(lái)越小，而 廠家仍然在不斷地為實(shí)現(xiàn)變頻電源的進(jìn)一步小型化而做著新的努力。這些單片機(jī)的性能不能滿足實(shí)時(shí)信號(hào)處理的需要，因此這些制 動(dòng)單元的功能較少，而且其大部分功能由硬件電路實(shí)現(xiàn)，造成硬件電路復(fù)雜、維護(hù)工作量大、輸出電能質(zhì)量不夠高等缺點(diǎn)。顯然，前一類方法比較簡(jiǎn)單，但如前所述，這類方法不僅浪費(fèi)了能源，有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生某些副作用，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性不利；后一類能量回饋制動(dòng)技術(shù)雖然結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但提高了能源的利用率，尤其是對(duì)頻繁起、制動(dòng)或長(zhǎng)期帶勢(shì)能性負(fù)載下放的系統(tǒng)，在有效制動(dòng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的節(jié)電效果，將相應(yīng)的能量回送到電網(wǎng)中。由于二極管不可控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動(dòng)和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機(jī)、軋鋼機(jī)、大型龍門刨床、卷繞機(jī)構(gòu)張力系統(tǒng)及機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。三相交流電首先通過(guò)二極管不控整流橋得到脈動(dòng)直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無(wú)源逆變輸出電壓、頻率可調(diào) 的交流電給負(fù)載。 采用變頻技術(shù)可以節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，因而在應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 變頻電源的發(fā)展 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展 ，電力半導(dǎo)體器件和微處理器的性能不斷提高，而且應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。這是電力電子技術(shù)的一大進(jìn)步，說(shuō)明集成電路已從信息電子技已術(shù)領(lǐng)域擴(kuò)展到功率 電子技術(shù)領(lǐng)域。就內(nèi)部結(jié)構(gòu)而 言， MOSFET 和 IGBT 都是功率集成器件，模塊化技術(shù)的應(yīng)用大大提高了電路功率密度和可靠性。鑒于 IGBT優(yōu)良的器件特性和不斷提高的制造工藝， IGBT 逐漸占領(lǐng)了電力電子器件市場(chǎng)。目前被認(rèn)為最有發(fā)展前途的復(fù)合器件是絕緣柵雙極型晶體管 IGBT ( Insulate Gate Bipolar Transistor )?；诰w管和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)缺點(diǎn)， 80 年代電力電子器件最引人注目的成就之一就是開(kāi)發(fā)出雙極型復(fù)合器件。工作頻率達(dá)到幾十千赫至數(shù)百千赫，低壓管甚至可達(dá)兆赫。在 PWM 技術(shù)中一度得到了廣泛的應(yīng)用，并促使裝置性能進(jìn)一步提高和傳統(tǒng)直流電源裝置的革新，但因晶體管是一種電流控制型器件，開(kāi)通增益有限，這對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和能耗而言都是一個(gè)負(fù)擔(dān)，另外還存在二次擊穿、不易并聯(lián)以及開(kāi)關(guān)頻率仍然偏低等問(wèn)題。在這期間，世界各國(guó)還研制出一系列的派生器件，如不對(duì)稱晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、門極輔助關(guān)斷晶閘管、光控晶閘管以及80 年代迅速發(fā)展起來(lái)的可關(guān)斷晶閘管。它是一種半控型器件，用它組成的電路簡(jiǎn)稱半控型電路，其基本特點(diǎn)是容量大，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開(kāi)關(guān)頻率低，功率密度和整機(jī)效率不高。 the closed loop control。 關(guān)鍵詞 ：正弦波脈寬調(diào)制 (SPWM)；變頻電源；閉環(huán)控制；逆變 Design of the singlephase frequency variable power supply Abstract: With the power of the rapid development of electronic technology, variable voltage and variable frequency power supply has been widely applied in variable fields, at the same time the quality of the output voltage waveform in the variable frequency power also made increasing demands. The inverter output waveform quality requirements include two aspects: First, steadystate high precision and the other is a good dynamic performance. Therefore, the research and development is simple and has an excellent dynamic and static performance of the inverter control strategy, which has bee a power electronics research in the field of one of the hot spots. This paper introduces the design of the main elements in the main circuit of the singlephase frequencyvariable power supply, adopts the closed loop control method which is based on pulse width modulation IC SG3525 to improve the quality of the output waveforms. This paper describes the characteristics of SG3525, analyses the formation process of making use of sine pulse width modulating signals produced by the SG3525 and the control theory of the singlephase inverter on SG3525. The experimental result shows that this control method to achieve variable voltage and variable frequency output of the power an