【正文】 染的市電電網(wǎng)也會(huì)使用電設(shè)備工作不正常，用電設(shè)備之間通過(guò)市電電網(wǎng)相互干擾。以逆變技術(shù)為基礎(chǔ)的電力有源濾波器和電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器可以?xún)艋须婋娋W(wǎng)，使其為用電設(shè)備提供高質(zhì)量的電能。這將造成用電設(shè)備工作失常，特別是計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)丟失或者硬件的損壞。 UPS 中的核心部件是逆變器。第一章介紹了逆 變電源的發(fā)展及應(yīng)用；第二章介紹了逆變的工作原理；第三章到第六章介紹了本設(shè)計(jì)的硬件電路選擇和軟件設(shè)計(jì)；第七章是保護(hù)電路和反饋電路的介紹；第八章是調(diào)試樣機(jī)的結(jié)果介紹及對(duì)所做的工作的一些展望；最后是總結(jié)。隨著逆變電源技術(shù)的不斷完善，逆變電源已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備、儀器儀表、通信設(shè)備和家用電器中。 逆變技術(shù)在新能源的開(kāi)發(fā)與利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。具有世界三大能源之稱(chēng)的石油、天然氣和煤等化石燃料將逐漸被耗盡，氫能源與再生能源將 逐漸取代化石 料而成為人類(lèi)使用的主體能源，這種能源的變遷將迫使發(fā)電方式產(chǎn)生一次大變革，使用氫能源與再生能源的高效低污染燃料電池發(fā)電方式將成為主體發(fā)電方式。 (2)UPS電源系統(tǒng) :在許多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用的計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備等都需要采用 UPS電源。在市電有電時(shí)，整流器為蓄電池充電 。 (3)電動(dòng)汽車(chē) :隨著汽車(chē)數(shù)量的不斷增 加，排放氣體對(duì)環(huán)境造成的污染越來(lái)越嚴(yán)重，已經(jīng)成為空氣污染的主要來(lái)源。不管是采用蓄電池的電動(dòng)汽車(chē)還是采用燃料電池的電動(dòng)汽車(chē)，在用交流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力時(shí)，都必須用逆變器把電池的直流電能變換成交流電能來(lái)驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。 (5)諧波治理 :市電電網(wǎng)中的諧波，主要是由各種電力電子裝置、變壓器、熒光燈等產(chǎn)生的。這是當(dāng)前正在興起的一門(mén)新技術(shù)?？傊?，逆變器技術(shù)已經(jīng)涉及各行各業(yè)，以及各種領(lǐng)域的用電設(shè)備。 逆變技術(shù)的原理早在 1931年就有人研究過(guò)。到了 20世紀(jì) 80年代，功率場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)、絕緣柵極晶體管 (IGBT)、 MOS控制晶閘管 (MCT)以及靜電感應(yīng)功率器件的誕生為逆變器向大容量方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，因此電力電子器件的發(fā)展為逆變技術(shù)高頻化、大容量化創(chuàng)造了條件。另一方面，微電子技術(shù)的發(fā)展為逆變技術(shù)的實(shí)用化建立了很好的平臺(tái)，傳統(tǒng)的逆變器需要通過(guò)許多的分立元件或模擬集成電路加以完成。 總之，逆變電源雖然發(fā)展歷史不長(zhǎng)，但是發(fā)展速度 迅速，它是一種更新?lián)Q代的革命性電源。電力電子功率開(kāi)關(guān)器件向高壓大容量化、集成化、全控化、高頻化及多功能化的方向發(fā)展，材料學(xué)科的超導(dǎo)材料和軟磁材料的驚人發(fā)展速度以及智能化控制技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，都促使逆變電源向著高效率 、 大功率 、高可靠性的方向發(fā)展。 本課題的任務(wù) 本 課題設(shè)計(jì) 主要論述了基于單片機(jī)控制逆變穩(wěn)壓電源的基本原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)過(guò)程 ,并且 在搭接實(shí)驗(yàn)電路之前 ,利用仿真工具軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真 ,驗(yàn)證電路的可行性 ,最后在此基礎(chǔ)上完成樣機(jī)的調(diào)試工作。 下面是本文所做的主要工作： 1．在比較全橋、半橋及推挽 3種拓?fù)涓髯蕴攸c(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用并聯(lián) MOS管驅(qū)動(dòng)的推挽變換器作為前級(jí) DC/DC升壓電路，并實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能 ； 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 4 頁(yè) 共 54 頁(yè) 2．選用 Microchip公司的高性能 16位單片機(jī)為主控核心，并設(shè)計(jì)逆變系統(tǒng)的控制電路及相關(guān)軟件； 3． 采用前饋加反饋的復(fù)合控制策略，使系統(tǒng)的電壓、頻率精度分別為 220V+5％、 50Hz、a： 0． 5％； 4．研制一臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行逆變系統(tǒng)樣機(jī)，優(yōu)化各模塊間的布局；實(shí)現(xiàn)輸入過(guò)欠壓、輸入過(guò)流、輸出過(guò)載、輸出短路、等保護(hù)功能。這里所說(shuō)的效果基本提同，是指環(huán)節(jié)輸出效應(yīng)波形基本相同。 例如圖 21a、 b、 c所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同， (圖 21a為矩形脈沖，圖 21b為三角形脈沖，圖 21c正弦半波脈沖 )但是它們的面值 (即沖量 )都等于 l，那么，當(dāng)他們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D 21d的單位脈沖函數(shù) f(t)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過(guò)度函數(shù)。 SPWM波形 —— 脈沖寬度f(wàn)（ t） f（ t） f（ t） f（ t） d） c） b） a） 0 0 0 0 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 6 頁(yè) 共 54 頁(yè) 按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 SPWM波形。 SPWM 波形可等效的各種波形： 直流斬波電路：等效直流波形 SPWM 波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和 SPWM 控制相同，也基于等效面積原理。 這里所謂相當(dāng)于基波分量的信號(hào)波并不一定指正弦波，在 SPWM優(yōu)化模式控制中可以是預(yù)畸變的信 波，當(dāng)然不同信號(hào)調(diào)制后生成的 SPWM脈寬對(duì)變頻效果，比如輸出基波電壓幅值、基波轉(zhuǎn)矩、脈動(dòng) 轉(zhuǎn)u o wt o u wt a) b) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 7 頁(yè) 共 54 頁(yè) 矩、諧波電流損耗、功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗等的影響差異很大。用改變調(diào)制信號(hào)頻率實(shí)現(xiàn)輸出電壓基波頻率的調(diào)節(jié)：用改 變調(diào)制信號(hào)幅值實(shí)現(xiàn)輸出電壓基波幅值的調(diào)節(jié)。由于三角波或鋸齒波的上下寬度是線性變化的波形，因此它與調(diào)制波相交時(shí)，就可以得一組幅值相等，而寬度正比于調(diào)制波函數(shù)值的矩形脈沖序列用來(lái)等效調(diào)制波，用開(kāi)關(guān)量取代模擬量，并通過(guò)對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)管的通斷控制，把直流電變換成交流電。尤其是最近幾年， 微處理器應(yīng)用于 SPWM技術(shù)和實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制以后，更是花樣翻新，到目前為止仍有新的 SPWM控制方式在不斷出現(xiàn)。尤其是微處理器應(yīng)用于 SPWM技術(shù)之后， SPWM技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，從追求電壓的正弦波到電流的正弦波，再到磁通的正弦波；從效率最優(yōu)到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，再到噪音最小等， SPWM控制技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過(guò)程。而輸出頻率的變化可通過(guò)改 變此脈沖的調(diào)制周期來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大大改善。加上使用自關(guān)斷器件，開(kāi)關(guān)頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。 控 制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論，即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。這里所說(shuō)的效果基本相同。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，則它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。例如 ，把正弦半波波形分成 N 等份，就可把正弦半 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 8 頁(yè) 共 54 頁(yè) 波看成由 N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)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(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是 SPWM 波形。根據(jù)沖量相等效果相同的原理， SPWM 波形和正弦半波是等效的。 在 SPWM 波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，整流電路采用不可控的二極管電路即可， SPWM 逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的 SPWM 波形 。因此，輸出波形在任何半周期內(nèi)始終為一個(gè)極性，單極性控制方式的 SPWM波形如 圖 23所示，載波信號(hào) Ur采用單極性等腰三角形波，控制信號(hào) U c 為正弦波形。改變控制信號(hào) U c 的幅值時(shí)，調(diào)制波的脈寬將隨之改變，從而改變了輸出電壓的大小。 用幅值為 Ur 的參考正弦波 Ur 與幅值為 U c 、頻率為 fc 的三角波 U c 比較，產(chǎn)生功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 9 頁(yè) 共 54 頁(yè) 圖 23單極性 SPWM波形分析 雙極性正弦波脈寬調(diào)制方式 雙極性控制則是指在輸出波形的半周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的兩 只元件均處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但它們之間的關(guān)系是互補(bǔ)的，即通斷狀態(tài)彼此是相反交替的。與單極性控制方式相比，載波和控制波都變成了有正、負(fù)半周的交流方式，其輸出矩形波也是任意半周中均出現(xiàn)正負(fù)交替的情 況。 自然采樣法 該方法與采用模擬電路硬件 然后 確定 SPWM脈沖寬度的方法類(lèi)似，只是這里是采用計(jì)算的方法尋找三角載波與正弦參考波的交點(diǎn)時(shí)刻，從而確定 SPWM脈沖寬度。 規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，一般采用三角波作為載波。當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn) (或底點(diǎn) )位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期 (即采樣周期 )內(nèi)的位置是對(duì)稱(chēng)的，這種方法稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣。 規(guī)則采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn)，其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡(jiǎn)單，便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算，其中非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法因階數(shù)多 而更接近正弦。 0 t1 t2 t3 u ur ut t4 t6 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 11 頁(yè) 共 54 頁(yè) 圖 26 規(guī)則采樣法 等面積法 該 方案實(shí)際上就是 SPWM法原理的直接闡釋?zhuān)猛瑯訑?shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過(guò)查表的方式生成 SPWM信號(hào)控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。 SPWM 生成方法 由于正弦交流量是典型的模擬量，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)難以完成高頻交流電流輸出，而功率半導(dǎo)體器件于模擬狀態(tài)工作時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)損耗劇增，于是，用開(kāi)關(guān)量取代模擬量成為必由之路，并歸結(jié)為脈沖電路的運(yùn)行過(guò)程，從而構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器或電源引擎。顯然開(kāi)關(guān)器件輸出的是方波（矩形波）交流電流。 電工學(xué)認(rèn)為，周期性的非正弦交流量是直流、正弦波和余弦波等分量的集合，或者是非正弦波也可以分解為相位差和頻率不同的正弦波以及直流分量。 可見(jiàn)，簡(jiǎn)單的方波在功率應(yīng)用場(chǎng)合下顯示出了不盡如人意的一面。 自然采樣法是一種基于面積等效理念的能量轉(zhuǎn)換形式，其原理極為簡(jiǎn)單而且 直觀，并具備十分確切的數(shù)理依據(jù)，通用性及可操作性也很強(qiáng)。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 13 頁(yè) 共 54 頁(yè) pp 圖 28矩形脈沖圖 由此， SPWM波的基本概念是每一周期的基波與若干個(gè)載波進(jìn)行調(diào)制（載波的數(shù)量與基波之比即為載波比），并依次按正弦函數(shù)值定位的有效相位區(qū)間集合成等幅不等寬且總面積等效于正弦量平均值的正弦化脈沖序列。 圖 29正弦交流波形圖 調(diào)制過(guò)程特征 由電工學(xué)可知，正弦波方程表示為： sin( )mitI ???? （ 21） 式中 i ：瞬時(shí)值； mI ：正弦波的最大值； ? ：角頻率（等于 2? ?）； t? ：隨時(shí)間 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 14 頁(yè) 共 54 頁(yè) 而變的電氣角； ? ：相位角（ t=0時(shí)的相位角為初相角）。 核對(duì)其 ? ／ 2處的最大瞬時(shí)值仍然為 1（負(fù)半周為－ 1），顯然，正半 周期內(nèi)幅值區(qū)間的上下限分別為（ 1， 0）；正半周相位區(qū)間內(nèi)的上下限分別為（ ? ， 0）。 由（圖 28）可知，形似等腰三角形的三角載波是由許多直線相交叉形成的，因?yàn)榻徊纥c(diǎn)以外的線段處于無(wú)效區(qū)間，所以不具備調(diào)制的一般意義。又由于三角波的直線線段相交后交叉點(diǎn)的最大幅值與正弦曲線等幅，故所有直線交叉點(diǎn)位于正弦曲線正半周區(qū)間內(nèi)各自的相位角的上限和下限（ ? ， 0）成對(duì)應(yīng)的比例；正弦曲線正半周區(qū)間（ ? ， 0）內(nèi)的直線與直線相交后交叉點(diǎn)的相位角分布均勻。同理 ，負(fù)半周的數(shù)值分析相同。 就以上調(diào)制形式中求解的結(jié)果，交點(diǎn)（ x np ）的值即相位角是時(shí)間的函數(shù)；交點(diǎn)（ y np ） 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 報(bào)告用紙 第 15 頁(yè) 共 54 頁(yè) 的值即對(duì)應(yīng)時(shí)間的瞬時(shí)值或臨界點(diǎn)，以此取得的按正弦函數(shù)值定位的不等寬序列脈沖的對(duì)偶邊沿就是期望的控制信號(hào)角。可以想象， SPWM波的數(shù)理依據(jù)或可信度是首屈一指的。 表 21 1/4周期內(nèi)的交點(diǎn)分布情況 N=10 相位角 瞬時(shí)值 第一脈沖 前沿 ? 后沿 ? 第二脈沖 前沿 ? 后沿 ? 第三脈沖 前沿 ? 調(diào)制運(yùn)算得兩組（ np ）交點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此，實(shí)際應(yīng)用的基本方式也僅有兩種。 載波比 (N)