畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-新型智能逆變電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第 1 頁 共 32 頁 1 緒論 1.1 現(xiàn)代逆變電源技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室于 1956年研制出世界上第一只晶閘管 (SCR)，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的開始?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)是以電力為主要研究對象的電子技術(shù)。它利用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制。當(dāng)代許多高新技術(shù)均與電網(wǎng)的電流、電壓、功率和相位等各種基本參數(shù)的變換與控制有關(guān)，而電力電子技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對這些參數(shù)的精確控制和高效處理，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的頻率變換，為高新技術(shù)的 發(fā)展 提供了強(qiáng)有力的支持。因此，現(xiàn)代電力電子技術(shù)不僅僅自身是一項(xiàng)高新技術(shù)，而且還是其他高新技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。 如果說微電子技術(shù)是信息處理技術(shù)，電力電子技術(shù)則是電力處理技術(shù)。 逆變，是對電能進(jìn)行變換和控制的一種基本形式。電力電子電路的基本功能是使交流電能 (AC)與直流電能 (DC)之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，基本轉(zhuǎn)換形式有四種，其中將直流電變換成交流電的變換稱為 DC/AC變換，也即通常所說的逆變。它是電力電子領(lǐng)域中最為活躍的部分。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變技術(shù)也隨之不斷發(fā)展?！艾F(xiàn)代逆變技術(shù)”是綜合了現(xiàn)代電力電子開關(guān)器件的應(yīng)用、現(xiàn)代功率變換、模擬和數(shù)字電子技術(shù)、 PWM技術(shù)、頻率及相位調(diào)制技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)和控制技術(shù)等的一門實(shí)用設(shè) 計(jì)技術(shù)，己被廣泛地用于工業(yè)和民用領(lǐng)域中的各種功率變換系統(tǒng)和裝置中 。 所謂逆變器，是指整流器的逆向變換裝置，其作用是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件 (如 SCR， GTO,GTR,IGBT， 智能 IPM 功率模塊等 )的開通和關(guān)斷作用，把直流電能變換成交流電能，因此是一種電能變換裝置。由于是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，因此轉(zhuǎn)換效率比較高，但轉(zhuǎn)換輸出的波形卻很差，是含有相當(dāng)多諧波成分的方波。而多數(shù)負(fù)載要求逆變器輸出的是正弦波，這便是逆變技術(shù)經(jīng)要所在。 逆變原理早在 20 世紀(jì) 30 年代初就被提出過， 1948 年 美國西屋電氣公司用汞弧整流器制成了 3000Hz 的感應(yīng)加熱逆變器。其發(fā)展一般認(rèn)為分為如下兩個階段 ： 1956-1980年為傳統(tǒng)發(fā)展階段，這個階段的特點(diǎn)是開關(guān)器件以低速器件為主，逆變器的開關(guān)頻率較低，波形改善多以重疊加法為主，體積和重量都較大，逆變效率低下，正弦波逆變器開始出現(xiàn)。 1980 年到現(xiàn)階段為高頻化新技術(shù)階段，逆變技術(shù)發(fā)展日趨完善，在器件、電路及控制技術(shù)方面呈現(xiàn)出以下特點(diǎn) : （ 1） 集成化。幾乎所有全控型器件都由許多單元胞管子并聯(lián)而成，也即一個器 件第 2 頁 共 32 頁 是由許多子器件所集成。 （ 2）高頻化 。從高電壓、大電流的 GTO 到高頻率、多功能的 STT，其工作頻率己從數(shù)千赫茲到數(shù)兆赫茲，這標(biāo)志著電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入高頻化時代。目前， GTO的工作頻率可達(dá) 2kHz， GTR 可達(dá) 5kHz，功率 MOSFET 可達(dá)數(shù)百 KHZ,SIT則可達(dá) 10MHz以上。 (3)全控化。電力電子器件實(shí)現(xiàn)全控化，即自關(guān)斷，是電力電子器件在功能上的重大突破。無論是雙極型的 GTO、 GTR、 SITH或單極型的 MOSFET、 SIT以及混合型的 IGBT、MCT等，都實(shí)現(xiàn)了全控化，從而避免了傳統(tǒng)電力電子器件關(guān)斷時所需的強(qiáng)迫換相電路。 (4)控制電路弱電化、控制技術(shù)數(shù)字化。全控型器件的高頻化促進(jìn)了電力電子控制電路的弱電化。 PWM 電路、諧振變流電路以及高頻斬波電路，這些本來用于弱電領(lǐng)域的電路如今又成為電力電子電路的主要形式?？刂七@些電路的技術(shù)也逐步數(shù)字化。 常用逆變器基本形式有以下凡種分類方法 :按照相數(shù)分類，可分為單相逆變器和三相逆變器 ;按照直流側(cè)電源性質(zhì)可分為電壓型逆變器和電流型逆變器 ;按照輸出波形可分為正弦波逆變器和非正弦波逆變器 ;按照輸出能量的去向可分為有源逆變和無源逆變 ;按照逆變器主電路的形式可以分為單端式、推挽式、半橋式和 全橋式逆變 ;按控制分類，可分為調(diào)頻式 (PFM)逆變和調(diào)脈寬式 (PWM)逆變。 有源逆變常用于直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的串級調(diào)速和高壓直流輸電等方面。無源逆變應(yīng)用十分廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池、太陽能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時就需要通過無源逆變電路。另外工業(yè)用的變頻變壓電源、恒頻恒壓電源、感應(yīng)加熱用交流電源中和空調(diào)、冰箱等家用電中也有廣泛應(yīng)用。根據(jù)先進(jìn)國家 90 年代的統(tǒng)計(jì)資料，超過 60%以上的電能是經(jīng)過電力電子技術(shù)處理變換后才使用的，而逆變技術(shù)在這種變換中將 起到重要的作用。在將來工業(yè)高度自動化的情況下，計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)以及以正弦波逆變?yōu)樽钪匾糠值碾娏﹄娮蛹夹g(shù)將成為最重要的技術(shù)。 1.2 逆變電源的發(fā)展方向 電源系統(tǒng)是現(xiàn)代電子設(shè)備不可或缺的重要組成部分。 1969年誕生的逆變電 源可靠性高、穩(wěn)定性好、調(diào)節(jié)特性優(yōu)良、而且體積小、重量輕、功耗低，在電 子和電氣領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行各 業(yè)對電氣設(shè)備控制性能要求的提高，逆變技術(shù)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，對電源性能的要求越來越高。許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接使用電 網(wǎng)提供的交流電作為電第 3 頁 共 32 頁 源，而是通過各種形式對電網(wǎng)交流電進(jìn)行交換，從而得到各自所需要的電能形式。 在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，逆變電源技術(shù)均處于核心地位。近年來，現(xiàn)代逆變電源技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)出以下幾種趨勢 : 1.高頻化 理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明 :電器產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻 SDHz 提高到 20khz，提高 400 倍的話，用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的其主要材料可以節(jié)約 90%甚至更高，還可以節(jié)電 30%甚至更多。由于功率電子器件工作頻率 上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)，原材料消耗顯著降低、電源裝置小型化、系統(tǒng)的動態(tài)反應(yīng)加快，更可以深刻體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。 2.模塊化 模塊化有兩方面 的含義，其一是功率器件的模塊化， 其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元，兩單元，六單元直至七單元，包括開關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實(shí)質(zhì)上都屬于“標(biāo)準(zhǔn)”功率模塊 (SPM)。近年，有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動保護(hù)電路也集成到功率模塊中去，構(gòu)成了“智能化”功率模塊 (IPM )，不但縮小了整機(jī)的體積，更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。有 些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊 (ASPM)，它把一臺整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引 線連接，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低，提高了系統(tǒng)的可靠性。另外，大功率的開關(guān)電源，由于器件容量的限制和增加冗余、提高可靠性方面的考慮，一般采用多個獨(dú)立的模塊電源并聯(lián)工作，采用均流技術(shù)，所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流，一旦其中某個模塊失效，其他模塊再平均分擔(dān)負(fù)載電力。這樣，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過增加相對整個系統(tǒng)來 說功率很小的冗余電源模塊，極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作，而且為電源修復(fù)提供充分的時間。 3.數(shù)字化 現(xiàn)在數(shù)字式信號，數(shù)字電路越來越重要，數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn) :便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號的畸變失真、提高系統(tǒng)抗干擾能力、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào)、也便于自診斷，容錯等技術(shù)的植入，同時也為電源的并聯(lián)技術(shù)發(fā)展提供了方便。 第 4 頁 共 32 頁 4.綠色化 隨著各種政策法規(guī)的出臺，對無污染的綠色電源的呼聲越來越高。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，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染 ;其次這些電源不能對電網(wǎng)產(chǎn)生污染。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，不僅可以減少對電網(wǎng)的污染，降低市電的無功損耗，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)，三相輸入的采用 SPWM高頻整流提高功率因數(shù)。 5.并機(jī)冗余技術(shù) 當(dāng)今對供電系統(tǒng)的要求趨勢一個是高可靠性，一個是大功率化，這兩者都與電源的并聯(lián)運(yùn)行控制密切相關(guān)。并聯(lián)運(yùn)行主要有以下三個好處 :第一 :可以用來靈活的擴(kuò)大逆變電源系統(tǒng)的容量 :第二，可以組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)以提高運(yùn)行的可靠性 ;第三，具有極高的系統(tǒng)可維修性能，在逆變器出現(xiàn)故障時，可以很方便的進(jìn)行熱拔更換或維修。因?yàn)?，這樣的并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)在各種應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。當(dāng)前，并聯(lián)控制方式一般分為集中控制、主從控制、分散邏輯控制和無線獨(dú)立控制四種方案。 1.3 論文的主要內(nèi)容 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，對于通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng) 、電力監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等一類高端用電設(shè)備日益增多，這類設(shè)備對供電電源的平穩(wěn)性、波形等質(zhì)量要求很高，本論文就是設(shè)計(jì)這樣一種新型的智能逆變電源。第一章以概述的方式說明現(xiàn)代逆變電源技術(shù)發(fā)展以及現(xiàn)狀；第二章對逆變電源的基本原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較相信的闡述；第三章 對逆變電源的 PWM的控制策略進(jìn)行了介紹；第四章對設(shè)計(jì)出來的逆變電源各個部分以及控制系統(tǒng)進(jìn)行了相信分析；第五章主要內(nèi)容是控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 第 5 頁 共 32 頁 2 逆變電源的基本原理和結(jié)構(gòu) 逆變電源的構(gòu)成除了包括逆變電路和控制電路外，還要有輸入、輸出電路，輔助 電路和保 護(hù)電路，基 本的結(jié)構(gòu)框架和關(guān)系如下 。 圖 2.1 逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2.1 輸入電路 逆變電源主回路輸入可以是直流電或者交流電。當(dāng)輸入是直流電時，一般來自直流電源、蓄電池、直流發(fā)電機(jī)等等。如果輸入的直流電波動較大，可以增加電容濾波電路或者通過電壓預(yù)調(diào)整電路或者穩(wěn)壓等。當(dāng)輸入是交流電時，除了在交流進(jìn)線側(cè)考慮 EMI濾波處理外，還需要整流和濾波，以獲得合適的直流電?？傊?，輸入回路的輸出是滿足一定條件的直流電。 2.2 輸出回路 輸出回路將逆變器變換 的交流電作出進(jìn)一步處理，以得到諧波量小的交流輸出。該部分電路一般由低通濾波電路組成，當(dāng)輸出側(cè)有變壓器時，也可以利用變壓器的電感進(jìn)行濾波。根據(jù)對逆變器輸出地性能要求，逆變器輸出有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩類，當(dāng)逆變系統(tǒng)是開環(huán)控制時，控制系統(tǒng)不對輸出大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而不需要輸出電路的反饋信號，這是其輸出可能會隨著負(fù)載或者輸入電壓的變化而變化。而閉環(huán)系統(tǒng)則需要輸出電路的反饋量，根據(jù)其實(shí)際輸出大小和給定之間的誤差來實(shí)時調(diào)節(jié)，使其輸出保持穩(wěn)定。 逆變電路 輸入電路 輸出電路 輔助電路 控制電路 保護(hù)電路 DC AC Vi Vref 第 6 頁 共 32 頁 2.3 控制電路 控制電路的功能是按要求調(diào)解并產(chǎn)生一系列控制脈沖來控制逆變開 關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而配合逆變的主電路完成逆變功能。 逆變控制電路的形式多種多樣，從大的方面分為模擬電路和數(shù)字電路。以下給出了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖和某逆變器的數(shù)字控制電路基本框圖。后者是：數(shù)字信號輸入和模擬信號輸入指各種反饋量，以及保護(hù)、檢測量等信號，單片機(jī)檢測到各種信號后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序或控制策略進(jìn)行計(jì)算，然后通過數(shù)模輸出控制信號，經(jīng)放大后控制高頻電力電子電路來實(shí)現(xiàn) DC-AC變換，交流輸出經(jīng)變壓器變換后即可得到所需的交流電。 圖 2.2 逆變器 的數(shù)字控制電路基本框圖 2.4 逆變電路 這部分電路時逆變電源的主體部分，主要有各種開關(guān)器件組成，用來實(shí)現(xiàn)主要的DC-AC變換。 下面是一個三相三橋臂電路的基本框圖。直流輸入 VDC 經(jīng)開關(guān)器件組成的橋式逆變后輸出三相交流電。該逆變電路較適用于三相對稱負(fù)荷場所。 時間比例控制及脈沖形成電路 輸出整流濾波電路 調(diào)節(jié)器 逆變變壓器 輸出反饋電路 逆變電路 AC AC Vo DC Vref 第 7 頁 共 32 頁 圖 2.3 三相逆變電路基本框圖 2.5 輔助和保護(hù)電路 輔助電路包括控制系統(tǒng)所需的各種電源、顯示等電路。 保護(hù)電路的主要保護(hù)功能包括：輸入過壓、欠電壓保護(hù)；輸出過載、短路保護(hù)；開關(guān)管超溫保護(hù)；完善的保護(hù)能確保逆變系統(tǒng)穩(wěn)定、安全和可靠工作的 保障。 2.6 控制策略 有了控制電路和逆變電路，還需合適的控制策略來實(shí)現(xiàn)具體的 DC-AC轉(zhuǎn)換 。 輸入量Vi 送到逆變電路后變換為輸出 Vo,為了保證逆變電路輸出的穩(wěn)定，降低輸出的諧波含量，一般對逆變電路中開關(guān)管進(jìn)行高頻 PWM 控制，通過調(diào)整 PWM波的占空比來進(jìn)行 調(diào)節(jié)輸出的大小?？刂齐娐犯鶕?jù)實(shí)際輸出量與給定參考量的誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制 PWM發(fā)生器的占空比，并結(jié)合保護(hù)電路對逆變電路的開關(guān)管進(jìn)行控制，使輸出電壓達(dá)到參考電壓值。隨著 PWM工作頻率的提高，逆變電路中的磁性元件體積會縮小，電路濾波電感和電容的參數(shù)也可以 減少，因而逆變電路的功率密度會提高。在逆變電源控制系統(tǒng)中的 PWM調(diào)制信號一般是由三角形載波和正弦調(diào)制波 經(jīng)比較器比較后產(chǎn)生的，稱為 SPWM調(diào)制 ,其中正弦調(diào)制波的大小由參考電壓 Vref 和輸出反饋的誤差信號經(jīng)調(diào)節(jié)器運(yùn)算后產(chǎn)生，驅(qū)動逆變電路的開關(guān)管工作在高頻 PWM狀態(tài)。 采用 PWM 控制技術(shù)的主要目的之一是為了解決逆變電源輸出地諧波問題，高頻 PWM控制不僅可以有效地減少輸出電壓的諧波含量，而且可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。而 PWM產(chǎn)生的方法也是多種多樣的，采用模擬方式來實(shí)現(xiàn) PWM控制具有電路簡單的優(yōu)點(diǎn)，第 8 頁 共 32 頁 但控制策略不容 易更改，且存在諸如受參數(shù)影響大，調(diào)節(jié)比較困難和穩(wěn)定性不好等缺點(diǎn)。采用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn) PWM 控制則能有效的避免模擬電路的上述缺陷，比較突出的優(yōu)點(diǎn)是：基于單片機(jī)控制的逆變電源在控制策略的選取、更改上有較大的自由度。通過采取適當(dāng)餓控制策略，能不斷提高該類逆變電源的性能，也大大延長了其生命力。 第 9 頁 共 32 頁 3 逆變電源的 PWM 控制策略 隨著全控型開關(guān)器件的出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用， PWM技術(shù)就成為電力電子技術(shù)中十分重要的控制策略， PWM 的產(chǎn)生與實(shí)現(xiàn)方法也層出不窮。歸納起來， PWM 的實(shí)現(xiàn)方法大致可以分為：載波 比較法、采樣法、空間矢量法、諧波消除法等。由于采用了 PEM控制策略，故可以方便的調(diào)節(jié)逆變電源的輸出電壓大小，且可以以有效地 減低逆變電源的輸出諧波含量。 采樣法常用語數(shù)字控制技術(shù)中，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，必須將來內(nèi)需變化的正弦波控制信號通過采樣來離散化處理，使載波和控制波均處理成為數(shù)值量后再進(jìn)行計(jì)算比較，產(chǎn)生 PWM波。 采樣控制理論中有一條重要結(jié)論 :沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)輸入時，其輸出效果基本相同。這里所說的沖量是指窄脈沖的面積，俗稱“伏秒積”，效果基本相同是指輸出響應(yīng)的波形基本相同。把輸 出波形進(jìn)行傅立葉變換分析，其低頻段特性非常接近，僅在高頻段有差異。這個理論是 PWM控制的理論基礎(chǔ)。 把一個正弦半波分成 N 等份，采用規(guī)則采樣法 (常用的也有自然采樣法等，但規(guī)則采樣法更適用于數(shù)字控制，計(jì)算簡便 )，把每一等份的正弦曲線與橫軸包圍的面積用與它面積相等的等高不等寬的矩形脈沖代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等份的中點(diǎn)重合。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，這樣的一系列矩形脈沖與正弦半波是等效的。對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到 PWM波形。像這樣脈沖的寬度按照正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM波形，就 是 SPWM(Sinusoida PWM)控制的理論基礎(chǔ)。 全橋逆變器的控制脈沖按 SPWM 調(diào)制方式，有單極性、雙極性和單極性倍頻調(diào)制三種。 (l)雙極性 SPEM 調(diào)制 全橋逆變器采用雙極性 PWM控制方式時，見下圖 。 載波為全波三角波。用正弦波與三角波進(jìn)行比較，正弦波大于三角波的部分，輸出為正脈沖，小于部分 輸出負(fù)脈沖。在開關(guān)切換時，負(fù)載端電壓極性非正即負(fù)，電流變化率較大，對外部干擾較強(qiáng)。負(fù)載端電壓脈沖列是由不同寬度調(diào)制的正負(fù)直流電壓組成。 第 10 頁 共 32頁 圖 3.1 雙極性 SPEM原理波形 (2)單極性 PWM調(diào)制 采用單極性控制 時，在正弦波的半個周期內(nèi)，其電壓輸出幅值為單極性，在開關(guān)狀態(tài)切換時，負(fù)載端電壓先變?yōu)榱?，?fù)載電流在零電壓卞自然續(xù)流衰減，在控制時間到時再恢復(fù)翰出直流電壓，其半周期的脈沖列是由零和正 (負(fù) )直流電壓組成。該控制方式的特點(diǎn) 是 功率開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力較小，電流變化率小，功耗也要小，因此對系統(tǒng)及外部設(shè)備千擾小。 (3)單極性倍頻 SPWM 調(diào)制 第 11 頁 共 32 頁 4 逆變電源及其控制系統(tǒng)電路分析 逆變電源主電路圖如 圖 4.1 逆變電源主電路原理圖 由 4個 IGBT開關(guān)器件組成全橋逆變電路，采用一片 IR2110驅(qū)動芯片實(shí)現(xiàn)自舉式浮充驅(qū)動方式，結(jié)合浮充電容和快速恢復(fù)二極管，可以在一個驅(qū)動電源的條件下實(shí)現(xiàn)同一個橋臂上兩個開關(guān)管的驅(qū)動，節(jié)省驅(qū)動電源數(shù)目。逆變器在開關(guān)管的消諧 PWM控制下，低階諧波已經(jīng)得到了有效控制，在輸出通過一級 LC 低通濾波，便可以輸出較為理想的正弦波電壓。在逆變電路直流輸入側(cè)取樣電壓和電流信號送到控制電流，可以實(shí)現(xiàn)輸入過電壓、欠電壓、輸出過電流、短路等保護(hù)功能。 以單片機(jī)為主的控制系統(tǒng)主要用來產(chǎn)生全橋逆變電路中開關(guān)管的驅(qū)動信號 ，并通過對線路電壓和電流的實(shí)時采樣來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和保護(hù)。經(jīng)過主電路分壓獲得 的逆變電路直流母線側(cè)輸入電壓信號，經(jīng)過一級有運(yùn)算放大器組成的射極跟隨器后，送到窗口比較器。與設(shè)定的上下兩個窗口閾值比較，如果窗口范圍內(nèi)則電壓正常，負(fù)責(zé)輸出過電壓或欠電壓故障信號；串聯(lián)在直流母線上的電流采樣電阻，其兩端電壓送運(yùn)算放大器放大和抗干擾濾波處理后，與設(shè)定的過電流閾值比較，監(jiān)視逆變器的輸出或內(nèi)部電路是否過電流。上述幾種保護(hù)信號 經(jīng)過邏輯處理，送到單片機(jī)的外部中斷請求輸入腳，無論何種方式引起的故障信號，均可以向單片機(jī)提出中斷請求，單片機(jī)響應(yīng)中斷，通過封鎖所有開關(guān)管第 12 頁 共 32頁 的驅(qū)動信號來實(shí)現(xiàn)保護(hù)，同時給出故障信號。 本實(shí)例選擇以 AT89C2051為主控制芯片， AT80C2051控制芯片是 20引腳的小型 CPU，具有 15 根 I/O 線、兩個 16 位定時器、 2KB 存儲器、 128BRAM，是一種成本低、集成程度高的 MCU芯片。將逆變器輸出頻率給定值以編碼的方式輸入， CPU 根據(jù)讀入的輸出頻率代碼確定應(yīng)選擇的消諧 PWM控制數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)部定時控制，按此規(guī)定的 PWM控制數(shù)據(jù)對開關(guān)器進(jìn)行切換，從 CPU的 I/O端口逆變橋開關(guān)管的驅(qū)動信號，實(shí)現(xiàn)消諧控制。 4.1 輸入濾波、整流部分 該部分電路圖如下圖所示。 單相電源經(jīng) R13、濾波電 容 C19、共模濾波電感和共模濾波電容 C10、 C11 后，至整流橋，其中 R22 和 C19 組成 差模濾波電路，而共模濾波電感和 C10、 C11構(gòu)成共模濾波電路，輸出地交流電經(jīng)過 R22、 C19、共模濾波電感、 C10、C11組成的、具有一定差模和共模抑制能力的 EMI濾波器。而整流部分由整流橋和濾波電容 C12、 C13組成。而整流橋可將交流輸入轉(zhuǎn)換為直流電壓，大電容 C12、 C13對直流輸出電壓進(jìn)行濾波即可獲得比較平穩(wěn)的直流電壓，作為后級逆變電路的輸入電壓 . 圖 4.2 逆變電路的輸入濾波、整流部分 4.2 電壓和電流反饋 測量部分 電壓測量功能用作電壓分壓，及測量濾波、整流部分電路所屬出的直流電壓。電流測量部分是采樣電阻，由該電阻的壓降來反映逆變電源主回路的電流大小。電壓測量信號由 BH端子給出，而電流測量信號（實(shí)際上是與電流成正比的一個輸出電壓）由端子 Y2 和 Y1 輸出，這些測量信號輸出到逆變電源的控制系統(tǒng)部分，為控制系統(tǒng)第 13 頁 共 32頁 進(jìn)行整個電路正常工作提供電壓反饋信號。 4.3 電路電源部分 該部分電路如下圖。電路包括電感、整流橋、濾波電容和穩(wěn)壓器件 (7805)構(gòu)成線性電源。這部分電路的作用給逆變電源的數(shù)字和模擬電路提供 +15V和 +5V的工作電壓。 圖 4.3 逆變系統(tǒng)的電源部分 電感的作用是將經(jīng) EMI濾波后的交流信號隔離傳送到整流橋，然后得到波動較大的直流電壓，經(jīng)過濾波電容 C8 穩(wěn)壓后得到較為穩(wěn)定的 +15V 直流電壓 ;該 +15V 直流電壓經(jīng)穩(wěn)壓芯片 7805穩(wěn)壓，并經(jīng)過濾波電容 C6 、 C7整形后得到穩(wěn)定的 +5V 直流電壓 。 4.4 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路是根據(jù)控制系統(tǒng)的邏輯控制信號輸出具有足夠驅(qū)動能力的開關(guān)信號，使開關(guān)器件 得到可靠的驅(qū)動信號而穩(wěn)定工作。 分立的電阻、電容和二極管都是集成器件IR2110的輔助元件，采用 IR2110作為驅(qū)動器件的 原因還在于該芯片能實(shí)現(xiàn)自舉式浮充驅(qū)動方式，即用一個電源就能可靠驅(qū)動 同一 橋臂上的兩個開關(guān)器件。以下對 IR2110 以及其自舉式浮充驅(qū)動的原理進(jìn)行進(jìn)行詳細(xì)介紹。 （ 1） IR2110芯片介紹 IR2110的特點(diǎn)：輸出驅(qū)動隔離電壓可達(dá) 500V；芯片自身的門輸入驅(qū)動范圍位 10-20V；輸入端帶施密特觸發(fā)器；可實(shí)現(xiàn)兩路分立的驅(qū)動輸出，可驅(qū)動高壓高頻器件，如 IGBT、功率 MOSFET等。 （ 2）自舉式浮充驅(qū)動的原理 根據(jù)以上對 IR2110芯片的 描述 這里對自舉式浮充驅(qū)第 14 頁 共 32頁 動的原理說明。 在下圖中， MOS 管 V1-V4 為 IR2110 中輸出端的 4 歌驅(qū)動管。一般情況下，要驅(qū)動同一橋臂的上下兩個開關(guān)管需要兩個相互隔離的電源，但使用 IR2110 后，只需要一個電源即可。其基本原理是：由于 V1和 V2是互補(bǔ)驅(qū)動的，即 V1、 V2 的驅(qū)動信號與 V3、V4 的驅(qū)動信號是相反的，這個容易做到。當(dāng)給 V3、 V4 正的驅(qū)動信號時， V3 導(dǎo)通， V4關(guān)閉，則 VCC通過 V3、 R2驅(qū)動 V2開關(guān)管導(dǎo)通工作。當(dāng)給 V3、 V4零驅(qū)動信號時， V3關(guān)斷，切斷 V2的門極驅(qū)動， V4導(dǎo)通使 V2處于關(guān)斷狀態(tài)。此時， VCC通過 VD1給電容 C充電，使電容 C儲存 足夠的電荷，為開關(guān)管 V1 的驅(qū)動提供足夠的驅(qū)動能量。當(dāng)給 V1、 V2正的驅(qū)動信號時， V1 導(dǎo)通， V 關(guān)斷， C 此時相當(dāng)于一個電壓源，通過 V1、 R1 驅(qū)動開關(guān)管 V1 導(dǎo)通；而當(dāng)給 V1、 V2 零驅(qū)動信號時， V1 關(guān)斷、 V2 導(dǎo)通，開關(guān)管 V1 則關(guān)斷。當(dāng)V1導(dǎo)通時， BUS線上的主電壓會串接再電容 C上，使電容 C的電位達(dá)到主電路電源電壓值，該電壓必須依靠非門 DN1來阻斷，因此二極管的反向耐壓值高于主電路的直流母線電壓。 第 15 頁 共 32頁 圖 4.4 IR2110的自舉式浮充驅(qū)動的原理圖 由此可知，自舉電路必須在 IR2110輸人信號不斷的高低電平變化中，且 自舉電容反復(fù)充、放電時，才能起到正常的自舉作用，而當(dāng) IR2110的輸人信號是直流電平信號時，自舉電容將不能完成電荷的儲存，即不能得到正常的充電，因此也不能為高端二極管提供驅(qū)動信號。如果不解決 IR2110 此功能的不足，則當(dāng)電機(jī)負(fù)載實(shí)際工作在占空比為 1，負(fù)載兩端電壓為零時，電機(jī)將停止工作；同時也會給功率開關(guān)管帶來很大的電流變化率，從而影響功率管的使用壽命和長期可靠性。 第 16 頁 共 32頁 4.5 逆變主電路 該部分電路如下圖所示，主要實(shí)現(xiàn) DC-AC 變換功能，電路包括：開關(guān)器件 V5、 V8，二極管 VD4-VD6、電阻 R2、 R3、 VD8、 VD10-VD12、電容 C4-C6、 C7、 C9 和主回路的電感L2和電容 C18。 L2和 C5是濾波電路。另外每個開關(guān)器件都與一個由二極管、電阻和電容組成的緩沖電路并聯(lián)，該緩沖電路是比較典型的 RCD緩沖網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)逆變電路主開關(guān)管開關(guān)過程的緩沖。 圖 4.5 逆變電路控制系統(tǒng)電路原理圖 逆變電源主電路中的控制信號來自控制系統(tǒng)電路，包括 UP和 DN信號； 而主電路也產(chǎn)生一些反饋信號提供給控制電路，包括信號 BH，與主電路電流成正比的電壓信號 Y1和 Y2。 （ 1） 單片機(jī)部分 這部分電路是整個逆變電源的核心控制部分，包括 單片機(jī) T1，晶振 Y1和電容 C7，該部分主要根據(jù)逆變電源主電路中的 UP和 DN反饋信號來控制整個逆變電源的工作。 該控制系統(tǒng)工作時，單片機(jī)由 P3.0 輸出地的信號作為硬件“看門狗”芯片輸入，第 17 頁 共 32頁 在規(guī)定時間內(nèi)，該信號必須變化一次，才恩能夠保證“看門狗”芯片不會輸出復(fù)位信號；如果 CPU 因干擾或其他原因造成死機(jī)， P3.0 的輸出信號將不會變化，那么看門狗芯片將產(chǎn)生復(fù)位信號，使 CPU 重新恢復(fù)運(yùn)行。逆變電路的消諧 PWM 信號由 P1.7 輸出，經(jīng)過邏輯處理和死區(qū)延遲后，變?yōu)閮蓚€互補(bǔ)導(dǎo)通、且具有一定死區(qū)時間的驅(qū)動信號，送 IR2110驅(qū)動 芯片，控制逆變電路開關(guān)管的通斷。而 IR2110芯片的 SD位由 P3.7 控制，當(dāng) P3.7位位“ 1” 時， IR2110 封鎖驅(qū)動，逆變開關(guān)管不工作；只有在該位信號位 “ 0”時才運(yùn)行驅(qū)動信號輸出。 P1.0-P3.0定義為輸入口，作為頻率編碼輸入信號。 P1.4輸出經(jīng)反向后作為驅(qū)動封鎖信號，當(dāng) CPU在初始復(fù)位狀態(tài)時，由于 P1口為高電平，從而使 驅(qū)動信號得以封鎖，避免 4 個驅(qū)動信號出現(xiàn)全“ 1” 而使開關(guān)管 全導(dǎo)通造成的短路故障。由故障監(jiān)視電路獲得的輸入過電壓、欠電壓、輸出過電流、短路等故障經(jīng)過邏輯與后，送CPU的外部中斷請求引腳 INTO， 向單片機(jī)發(fā)生中斷申請。 （ 2）“看門狗”部分 這部分電路包括電阻 R13、 R14，一級集成看門狗單元 U6。MAX706集成了看門狗和電壓監(jiān)控功能。他的一些功能包括： 1） 4.40V低電壓監(jiān)控 2）兼容 TTL和 CMOS 邏輯 3） 200ms的 看門狗復(fù)位脈沖信號寬度 4） 6S的看門狗復(fù)位時間 5)電源故障或低電壓警告 （ 3）反饋電流比較部分 這部分電路包括幾個部分，一是比例環(huán)節(jié)，該部分由集成運(yùn)放 U1B，電阻 R1、 R3、 R4 和電容 C1，輸入信號位逆變電源主電路的 Y1 和 Y2；二是比較輸出部分，該部分由電阻 R5、 R7，比較器 U2C，電阻 R2和電容 C5構(gòu)成。其中電阻 R5、 R7 構(gòu)成一個比較用的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)輸入值超過一定門限時比較器翻轉(zhuǎn)輸出。而電阻 R2和電容 C5則用于穩(wěn)定輸出信號，并提高其抗干擾能力。 （ 4）反饋電壓比較部分 這部分電路包括電容 C2、集成運(yùn)放 U1A、比較 U2A和 U2B、電容 C4 和電阻 R15-R16、電阻 R17 和電容 C6，一級與非門器件 U3A 和 U3B。另外么電阻 R6和電阻 R8構(gòu)成一個比較基準(zhǔn)電源提供給 U2B，而電阻 R15和 R16 則構(gòu)成另一個基準(zhǔn)電源提供給 U2A。該部分電路用到反饋信號 BH輸入到 U1A， 而 U1A 構(gòu)成一個電壓跟隨器，使輸出比較穩(wěn)定。比較器 U2A 和 U2B 則構(gòu)成一雙門限比較電路，使信號 BH 無論是超過上限值還是下限值輸出 都會有所反應(yīng)。電容 C4、電阻 R9 或電阻 R17 和電容 C6 的第 18 頁 共 32頁 作用都是起穩(wěn)定信號的作用。與非門單元 U3A 和 U3B則以邏輯輸出信號的驅(qū)動作用。 （ 5）基準(zhǔn)電源部分 這部分電路包括集成單元 U4、電阻 R10-R12、運(yùn)放 U1C。 （ 6） 輯輸出部分 第 19 頁 共 32頁 5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 整個逆變電源軟件由主程序、定時器 T0 中斷服務(wù)程序、外部中斷程序三個部分組成。主程序的主要作 用是初始化單片機(jī)的工作方式，并讀入逆變電源輸出頻率給定值編碼，但給定頻率發(fā)生變化時，其編碼也會變化，此時置頻率變化標(biāo)志，便于定時器中斷服務(wù)程序能夠按新的消諧 PWM開關(guān)切換角數(shù)據(jù)進(jìn)行定時控制，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動信號的切換。定時器 T0 中斷服務(wù)程序主要完成對開關(guān)切換角數(shù)據(jù)的定時及其相應(yīng)驅(qū)動信號輸出，實(shí)現(xiàn)消諧 PWM控制策略。外部中斷程序主要負(fù)責(zé)處理逆變電源的故障保護(hù)功能，當(dāng)故障中斷請求發(fā)生時，單片機(jī)響應(yīng)中斷并再次查詢是否有故障發(fā)生，若確認(rèn)有故障，則封鎖驅(qū)動信號，并輸入故障代碼。 第 20 頁 共 32頁 圖 5.1 主程序流程圖 初始 化工作方式 主程序 置默認(rèn)初始值 開中斷、起動定時器工作 讀入頻率編碼指令 變化否？ 置頻率變化標(biāo)志 看門狗信號 Y N 第 21 頁 共 32頁 圖 5.2 外部中斷程序流程圖 INTO 外部中斷服務(wù)程序 保護(hù)現(xiàn)場 讀故障信號 封鎖驅(qū)動信號 故障否？ 恢復(fù)現(xiàn)場 輸出故障代碼 返回 Y N 第 22 頁 共 32頁 圖 5.3 定時器 T0 中斷程序 流程圖 TO終端服務(wù)程序 保護(hù)現(xiàn)場 輸出驅(qū)動信號 關(guān)定時器 切換次數(shù)完成否？ 頻率幻化標(biāo)志 =1 重置數(shù)據(jù)指針初值 更新消諧 PWM開關(guān)數(shù)據(jù) 取定時初值送 T0 起動定時 恢復(fù)現(xiàn)場 清頻率變化標(biāo)志 返回 數(shù)據(jù)指針加 1 Y Y N N 第 23 頁 共 32頁 要求逆變器的輸出頻率能無級調(diào)節(jié)時，需要提供的開關(guān)角數(shù)據(jù)表很大，這正是離線式消諧 PWM控制方法的主要缺點(diǎn)。程序清單如下 ： FREQ EQU 20H; TIMEH EQU 21H; TIMEL EQU 22H; TIMES EQU 23H; PNTH EQU 24H; PNTL EQU 25H; ORG 0000H SJMP BEGIN ORG 0003H AJMP INT0; ORG 000BH AJMP T0_INT; ORG 0030H BEGIN: MOV SP, #30H; MOV TMOD, #11H; MOV TCON, #05H; MOV IP, #01H; MOV IE, #83H; MOV FREQ, #01H; MOV DPTR,#HDATA; MOV PNTH,DPH; MOV PNTL,DPL MOV A, #0 MOVC A,A+DPTR; MOV TIMES,A; SETB P1.7; MOV R7,#1; 第 24 頁 共 32頁 MOV TL0,#0FFH; MOV TH0,#0FFH CLR P3.7; SETB P3.0; NOP CLR P3.0 LOOP: MOV A,PI; ANL A,#01H; MOV R0,A; XRL A,FREQ; JZ EXIT; JNB P1.4,EXIT; CLR TR0; CLR P1.4; MOV FREQ,R0; CJNE R0,#1,LOW_F; MOV DPTR,#HDATA; SJMP NEXT LOW_F: MOV DPTR,#LDATA; NEXT: MOV PNTH,DPH; MOV PNTL,DPL MOV A,#0 MOVC A,A+DPTR; MOV TIMES,A SETB P1.7 MOV R7,#1; MOV TL0,#0FFH MOV TH0,#0FFH SETB P1.4; 第 25 頁 共 32頁 EXIT: SETB P3.0; NOP CLR P3.0 SETB TR0 SJMP LOOP; ORG 0200H INTO: PUSH PSW SETB P3.7 CLR P1.4; POP PSW RETI; ORG 0210H T0_INT: PUSH PSW PUSH Acc CPL P1.7; CLR TR0; MOV A,#1 MOVC A,A+DPTR; MOV TL0,A INC DPTR; MOV A,#1 MOVC A,A+DPTR; MOV TH0,A INC DPTR; MOV A,R7 CJNE A,TIMES,CNT; MOV R7,#0; MOV DPH,PNTH; MOV DPL,PNTL 第 26 頁 共 32頁 CNT: INC R7; SETB TR0; POP Acc POP PSW RETI HDATA:DB 71,69H,0FFH,5FH, 0FFH,74H, 0FFH,54H, 0FFH DB 7EH, 0FFH,4AH, 0FFH,89H, 0FFH,3FH, 0FFH DB 93H, 0FFH,35H, 0FFH,9DH, 0FFH,2BH, 0FFH DB 0A7H, 0FFH,21H, 0FFH,0B1H, 0FFH,18H, 0FFH DB 0BAH, 0FFH,0EH, 0FFH,0C3H, 0FFH,05H, 0FFH DB 0CCH, 0FFH,0FDH,0FEH,0D4H, 0FFH,0F4H,0FEH DB 0DCH, 0FFH,0ECH,0FEH,0EAH, 0FFH,0E5H,0FEH DB 0EBH, 0FFH,0DEH,0FEH,0F2H, 0FFH,0D7H,0FEH DB 0F8H, 0FFH,0D1H,0FEH,0FDH, 0FFH DB 0BFH,0EAH DB 0FDH, 0FFH,0D1H,0FEH,0F8H, 0FFH DB 0D7H,0FEH,0F2H, 0FFH,0DEH,0FEH,0EBH, 0FFH DB 0E5H,0FEH,0E4H, 0FFH,0ECH,0FEH,0DCH, 0FFH DB 0F4H,0FEH,0D4H, 0FFH,0FDH,0FEH,0CCH, 0FFH DB 05H, 0FFH,0C3H, 0FFH,0EH, 0FFH,0BAH, 0FFH DB 18H, 0FFH,0B1H, 0FFH,21H, 0FFH,0A7H, 0FFH DB 2BH, 0FFH,0B1H, 0FFH,35H, 0FFH,93H, 0FFH DB 3FH, 0FFH89H, 0FFH,4AH, 0FFH,7EH, 0FFH DB 54H, 0FFH,74H, 0FFH,5FH, 0FFH,69H, 0FFH LDATA:DB 115,4AH,0FFH,42H, 0FFH,51H, 0FFH3AH, 0FFH; DB 059H, 0FFH,032H, 0FFH,061H, 0FFH,02AH, 0FFH DB 069H, 0FFH,022H, 0FFH,071H, 0FFH,01BH, 0FFH DB 0D7H, 0FFH,0B4H, 0FFH,0DDH, 0FFH,0AFH, 0FFH DB 0E2H, 0FFH,0A9H, 0FFH,0E7H, 0FFH,092H,0FEH 第 27 頁 共 32頁 DB 0FDH, 0FFH,0AH, 0FFH,0F4H,0FDH, 0FFH DB 092H,0FEH,0F9H, 0FFH,097H,0FEH,0ECH, 0FFH DB 09BH,0FEH,0F1H, 0FFH,0A0H,0FEH,0ECH, 0FFH DB 0A4H,0FEH,0E7H, 0FFH,0A9H,0FEH,0E2H, 0FFH DB 0AFH,0FEH,0DDH, 0FFH,0B4H,0FEH,0D7H, 0FFH DB 0BAH,0FEH,0D2H, 0FFH,0C0H,0FEH,0CCH, 0FFH DB 0C6H,0FEH,0C6H, 0FFH,0CCH,0FEH,0BFH, 0FFH DB 0D3H,0FEH,0B9H, 0FFH,0D9H,0FEH,0B2H, 0FFH DB 0E0H,0FEH,0ABH, 0FFH,0E7H,0FEH,0A4H, 0FFH DB 0EEH,0FEH,09DH, 0FFH,0F5H,0FEH,096H, 0FFH DB 0FCH,0FEH,08FH, 0FFH,004H,0FEH,087H, 0FFH DB 00BH,0FEH,080H, 0FFH,013H,0FEH,078H, 0FFH DB 01BH, 0FFH,071H, 0FFH,022H, 0FFH,069H, 0FFH DB 02AH, 0FFH,061H, 0FFH,032H, 0FFH,059H, 0FFH DB 03AH, 0