單相逆變器的軟件設(shè)計(jì).docx

東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文摘 要隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，逆變技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、航海等國(guó)防領(lǐng)域和電力系統(tǒng)，交通運(yùn)輸、郵電通信、工業(yè)控制等民用領(lǐng)域。特別是隨著石油、煤和天然氣等主要能源日益緊張，新能源的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越受到人們的重視。利用新能源的關(guān)鍵技術(shù)-逆變技術(shù)，能將蓄電池、太陽(yáng)能電池和燃料電池等其他新能源轉(zhuǎn)化的直流電能變換成交流電能與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。因此，逆變技術(shù)在新能源的開(kāi)發(fā)和利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。理論聯(lián)系實(shí)際，將書(shū)本上所學(xué)到的知識(shí)與實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，學(xué)習(xí)電力電子基本理論，掌握單相電壓型逆變器的工作原理和SPWM原理，并進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析，掌握其控制方式及在電力系統(tǒng)中的重要作用。關(guān)鍵詞：逆變技術(shù)，單相電壓型逆變器，SPWM原理IIABSTRACT With the rapid development of power electronics technology, the inverter technology is widely used in aviation, navigation and other fields of national defense and the electric power system, transportation, telecommunications, industrial control and other civilian areas. Especially with the oil, coal and natural gas and other major energy shortage, the development and utilization of new energy has been paid more and more attention. The key technology of new energy, inverter technology, the battery, DC can be converted into AC power grid connected power generation solar cell and fuel cell and other new energy conversion. Therefore, inverter technology plays a very important role in the field of new energy development and utilization. The theory with practice, apply on the books knowledge and practical design combine learning power electronics basic theory, master the working principle and the principle of SPWM single-phase voltage type inverter, and design a detailed analysis, palm Hold the control mode and the important role in the power system. Keywords: Inverter technology ，Single phase voltage source inverter ，SPWM principle 目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒 論11.1 課題背景及研究的意義11.1.1 課題背景11.1.2 課題研究的意義11.2 逆變技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)21.2.1 逆變器的發(fā)展過(guò)程21.2.2 逆變器的發(fā)展趨勢(shì)31.2.3 逆變技術(shù)存在的難點(diǎn)41.3 本文研究?jī)?nèi)容4第2章 逆變器的工作原理62.1 逆變器的分類62.2 逆變技術(shù)指標(biāo)62.2.1 額定輸出電壓62.2.2 輸出電壓的波形失真度72.2.3 額定輸出頻率72.2.4 保護(hù)72.2.5 啟動(dòng)特性72.2.6 噪聲72.3 逆變器結(jié)構(gòu)分析82.3.1 逆變器基本結(jié)構(gòu)82.3.2 逆變電路的基本工作原理92.3.3 逆變電路的換流方式92.3.4 電壓型逆變器122.3.5 逆變器的調(diào)制方式14第3章 PWM控制技術(shù)153.1 SPWM調(diào)制與實(shí)現(xiàn)原理163.2 軟件程序設(shè)計(jì)173.3 正弦脈寬調(diào)制的生成183.4 規(guī)則采樣法203.5 同步調(diào)制和異步調(diào)制21第4章 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)224.1 系統(tǒng)控制方案234.1.1 定時(shí)器周期中斷子程序234.1.2 A/D采樣子程序244.1.3 數(shù)據(jù)處理算法244.1.4 測(cè)量波形264.2 系統(tǒng)框圖274.2.1主電路硬件結(jié)構(gòu)及工作原理274.3 TMS320F28335 DSP簡(jiǎn)介284.3.1 DSP的概念294.3.2 DSP的相關(guān)應(yīng)用30第5章 總結(jié)30致 謝31參 考 文 獻(xiàn)32附錄1 基于DSP28335的SPWM生成程序34附錄2 逆變器控制程序源代碼38VI第1章 緒 論1.1 課題背景及研究的意義1.1.1 課題背景近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)化水平及控制技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)電力的供給提出了更高的要求。提供穩(wěn)定的、高可靠性的、高效率的、節(jié)能環(huán)保的電力供給就成為了能量領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一 。在目前已有的電源中，如蓄電池和太陽(yáng)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(shí)就需要將直流電轉(zhuǎn)變成交流電供負(fù)載使用。逆變器就是這種能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化的裝置。逆變器也稱逆變電源，是太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電中一個(gè)重要部件。它能將直流電變?yōu)槎l定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電，傳統(tǒng)方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路實(shí)現(xiàn)，但由于其含有較大成分低次諧波等缺點(diǎn)，近十余年來(lái)，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，全控型快速半導(dǎo)體器件BJT，IGBT，MOSFET，GTO 等的發(fā)展和PWM的控制技術(shù)的日趨完善，控制電路也從模擬集成電路發(fā)展到單片機(jī)等數(shù)字控制領(lǐng)域，使得SPWM逆變器得以迅速發(fā)展并廣泛使用。PWM 控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過(guò)控制電壓脈沖寬度和周期以達(dá)到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)，SPWM 控制技術(shù)又有許多種，并且還在不斷發(fā)展中，但從控制思想上可分為四類，即等脈寬PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM 法），磁鏈追蹤型PWM 法和電流跟蹤型PWM 法等等。各種現(xiàn)代控制理論如棒棒控制，自適應(yīng)控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制理論和算法也大量應(yīng)用于逆變領(lǐng)域。1.1.2 課題研究的意義國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和國(guó)內(nèi)外能源供應(yīng)日益緊張，電能的開(kāi)發(fā)和利用顯得更為重要。目前，國(guó)內(nèi)外都在大力開(kāi)發(fā)新能源，如太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電等。一般情況下，這些新型發(fā)電裝置輸出不穩(wěn)定的直流電，不能直接供給需要交流電的用戶使用。為此，需要將直流電變換成交流電，需要時(shí)可并入市電電網(wǎng)。這種DC-AC變換需要逆變技術(shù)來(lái)完成。因此，掌握逆變技術(shù)具有重要的意義。逆變電源輸出的交流電可用于各類設(shè)備，可以最大限度地滿足移動(dòng)供電場(chǎng)所或無(wú)電地區(qū)用戶對(duì)交流電源的需要。有了逆變器，就可利用直流電轉(zhuǎn)換成交流電為電器提供穩(wěn)定可靠得用電保障，如筆記本電腦、手機(jī)、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。這種能量的變換對(duì)節(jié)能、減小環(huán)境污染、降低成本和提高產(chǎn)量等方面均起著非常重要的作用。隨著逆變技術(shù)成熟，使得其應(yīng)用領(lǐng)域也達(dá)到了前所未有的廣闊，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、家用電器、交通運(yùn)輸、工業(yè)電源和航空航天等領(lǐng)域并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和各種新型功率器件的發(fā)展，逆變裝置也將向著體積更小、效率更高、性能指標(biāo)更優(yōu)越的方向發(fā)展。高性能逆變電源要求滿足：高逆變效率、高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高穩(wěn)態(tài)精度、高智能化、高系統(tǒng)穩(wěn)定性和高可靠性。1.2 逆變技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 逆變器的發(fā)展過(guò)程 1956-1980年為傳統(tǒng)發(fā)展階段。1956年，第一只晶閘管問(wèn)世標(biāo)志著電力電子學(xué)的誕生，在這個(gè)時(shí)代，逆變器繼整流器之后開(kāi)始發(fā)展，首先出現(xiàn)的是可控硅SCR電壓源型逆變器。1961年，WMcMurrav與BDB edford提出了改進(jìn)型SCR強(qiáng)迫換向逆變器，為SCR逆變器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1962年，AKemick提出了“諧波中和消除法”，這標(biāo)志著正弦波逆變器的誕生。1963年，EGTumbull提出了“特定諧波消除法”，為后來(lái)的優(yōu)化PWM法奠定了基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)特定的優(yōu)化目標(biāo)，如諧波最小，效率最優(yōu)等。1980到現(xiàn)在為高頻化新技術(shù)階段。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)弗吉尼亞電力電子技術(shù)中心(VPEC)對(duì)諧振技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了準(zhǔn)諧振變換技術(shù)，即把LC回路在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的全諧振改變?yōu)榘胫C振或部分諧振，這才使軟開(kāi)關(guān)與PWM技術(shù)的結(jié)合成為可能，并在DCDC變換器中普遍采用。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)研究的最終目的是實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制PWM(PulseWidth Modulation)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，也就是將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)引進(jìn)到PWM逆變器中，使它既能保持原來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，又能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)功能。為此，必須把LC與開(kāi)關(guān)器件組成一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)，使PWM逆變器只有在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中才產(chǎn)生諧振，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，平時(shí)則不諧振，以保持PWM逆變器的特點(diǎn)。PWM軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是當(dāng)今電力電子學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究?jī)?nèi)容之一，是實(shí)現(xiàn)電力電子高頻化的最佳途徑，也是一項(xiàng)理論性最強(qiáng)的研究工作。它的研究對(duì)于逆變器性能的提高和進(jìn)一步推廣應(yīng)用，以及對(duì)電力電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，都有十分重要的意義，是當(dāng)前逆變器的發(fā)展方向之一。1.2.2 逆變器的發(fā)展趨勢(shì) 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(kāi)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??；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(kāi)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)，三相輸入的采用SPWM高頻整流提高功率因數(shù)。今后電源技術(shù)將朝著高效率、高功率因數(shù)和高可靠性方向發(fā)展，并不斷實(shí)現(xiàn)低諧波污染、低環(huán)境污染、低電磁干擾和小型化、輕量化。從而為今后的綠色電源產(chǎn)品和設(shè)備的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)保證，這也將是現(xiàn)代電源發(fā)展的必然結(jié)果。1.2.3 逆變技術(shù)存在的難點(diǎn)數(shù)字化是逆變電源發(fā)展的主要方向，但還是需要解決以下一些難題：（1）逆變電源輸出要跟蹤的是一個(gè)按正弦規(guī)律變化的給定信號(hào)，它不同于一般開(kāi)關(guān)電源的常值控制。在閉環(huán)控制下，給定信號(hào)與反饋信號(hào)的時(shí)間差就體現(xiàn)為明顯的相位差，這種相位差與負(fù)載是相關(guān)的，這就給控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。（2）逆變電源輸出濾波器對(duì)系統(tǒng)的模型影響很大，輸入電壓的波動(dòng)幅值和負(fù)載的性質(zhì)，大小的變化范圍往往比較大，這些都增加了控制對(duì)象的復(fù)雜性，使得控制對(duì)象模型的高階性、不確定性、非線性顯著增加。 （3）對(duì)于數(shù)字式PWM，都存在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的失控區(qū)間，一般是在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)始或上個(gè)周期之后確定本次脈沖的寬度，即使這時(shí)系統(tǒng)發(fā)生了變化，也只能在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期對(duì)脈沖寬度做出調(diào)整，所以現(xiàn)在逆變電源的數(shù)字化控制引起了廣泛的關(guān)注。1.3 本文研究?jī)?nèi)容本文研究的主要內(nèi)容如下：（1） 掌握單相電壓型逆變器的工作原理；（2） 掌握SPWM原理，繪制逆變器控制程序流程圖；（3）用C語(yǔ)言編寫DSP程序，完成逆變器的軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成的逆變器能輸出單相正弦波，并給出實(shí)驗(yàn)波形。（4）計(jì)算正弦調(diào)制波，并將調(diào)制波數(shù)據(jù)以數(shù)組形式存儲(chǔ)在DSP的RAM中。通過(guò)改變調(diào)制度，改變輸出正弦波的幅值。第2章 逆變器的工作原理2.1 逆變器的分類逆變器的種類很多，可按照不同的方法進(jìn)行分類。 按逆變器輸出交流電能的頻率，可分為工頻逆變器，中頻逆變器和高頻逆變器。工頻逆變器的頻率為50-60HZ的逆變器；中頻逆變器的頻率一般為400HZ到十幾KHZ；高頻逆變器的頻率一般為十幾KHZ到MHZ。 按逆變器輸出的相數(shù)，可分為單相逆變器，三相逆變器和多相逆變器。 按照逆變器輸出電能的去向，可分為有源逆變器和無(wú)源逆變器。凡將逆變器輸出的電能向電網(wǎng)側(cè)輸送的逆變器，稱為有源逆變器；凡將逆變器輸出的電能向電能負(fù)載輸送的逆變器稱為無(wú)源逆變器。 按逆變器主電路的形式，可分為單端式逆變器，推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。 按逆變器主開(kāi)關(guān)器件的類型，可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場(chǎng)效應(yīng)管逆變器和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)逆變器等。也可以將其歸納為“半控型”逆變器和“全控型”逆變器兩大類。其中半控型器件不具備自關(guān)斷能力，元器件在導(dǎo)通后即失去控制作用，故稱之為“半控型”，晶閘管屬于這一類器件。而全控型器件具有自關(guān)斷能力，即器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均可由器件的控制極加以控制，電力場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）及MOSFET都屬于這一類器件。 按直流電源類型，可分為電壓源型逆變器（VSI）和電流源型逆變器（CSI）。 按逆變器輸出電壓或電流的波形，可分為正弦波輸出逆變器和非正弦波輸出逆變器。 按逆變器環(huán)流方式分，可分為負(fù)載換流式逆變器和自換流式逆變器。2.2 逆變技術(shù)指標(biāo)2.2.1 額定輸出電壓 在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動(dòng)范圍內(nèi)，它表示逆變器能輸出的額定電壓值。對(duì)輸出額定電壓值的穩(wěn)定準(zhǔn)確度一般有如下規(guī)定： （1）在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓波動(dòng)范圍應(yīng)有一個(gè)規(guī)定，例如逆變器輸出電壓偏差不超過(guò)額定值的3%或5%。（2）在負(fù)載突變（額定負(fù)載0%50%100%）或有其他干擾因素影響的動(dòng)態(tài)情況下，逆變器輸出電壓偏差不應(yīng)超過(guò)額定值的8%或10%。2.2.2 輸出電壓的波形失真度 當(dāng)逆變器輸出電壓為正弦波時(shí)，應(yīng)規(guī)定允許的最大波形失真度（或諧波分量）。通常以輸出電壓的總波形式失真度表示，其值不應(yīng)超過(guò)5%（單相輸出允許10%）。2.2.3 額定輸出頻率 逆變器輸出交流地那英的頻率應(yīng)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，通常為工頻50HZ。正常工作條件下其值應(yīng)在1%以內(nèi)。2.2.4 保護(hù) （1）過(guò)電壓保護(hù)：對(duì)與沒(méi)電壓穩(wěn)定措施的逆變器，應(yīng)有輸出過(guò)電壓防護(hù)措施，以使負(fù)載免受輸出過(guò)電壓的損害。 （2）過(guò)電流保護(hù)：逆變器的過(guò)電路保護(hù)，應(yīng)能保證在負(fù)載發(fā)生短路或電流過(guò)允許值時(shí)及時(shí)動(dòng)作，使其免受浪涌電流的損傷。2.2.5 啟動(dòng)特性逆變器帶負(fù)載啟動(dòng)的能力和動(dòng)態(tài)工作時(shí)的性能。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動(dòng)。2.2.6 噪聲電力電子設(shè)備中的變壓器、濾波電感、電磁開(kāi)關(guān)等部件均會(huì)產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運(yùn)行時(shí)，其噪聲應(yīng)不超過(guò)80DB,小型逆變器的噪聲應(yīng)不超過(guò)65DB.2.3 逆變器結(jié)構(gòu)分析2.3.1 逆變器基本結(jié)構(gòu)逆變器采用 ACDCAC（交直交）的結(jié)構(gòu)形式，其基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，主要由輸入、整流、逆變、輸出、驅(qū)動(dòng)與控制以及保護(hù)等電路組成。輸入電路整流電路逆變電路輸出電流輔助電源驅(qū)動(dòng)與控制電路保護(hù)電路圖 2-1 逆變器的基本結(jié)構(gòu)圖(1) 輸入電路逆變主電路輸入如果是交流電，首先要經(jīng)過(guò)整流電路轉(zhuǎn)換為直流，提供穩(wěn)定的直流電壓。(2) 輸出電路輸出電路主要是濾波電路。對(duì)于隔離分析式逆變電源，在輸出電路的前面還有逆變變壓器；對(duì)于開(kāi)環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量不用反饋到控制電路；而對(duì)于閉環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量還要反饋到控制電路。(3) 驅(qū)動(dòng)與控制電路驅(qū)動(dòng)與控制電路的功能就是按要求產(chǎn)生一系列的控制脈沖，來(lái)控制逆變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，并能調(diào)節(jié)其頻率，控制逆變主電路完成逆變功能。在逆變系統(tǒng)中，控制電路與逆變主電路具有同樣的重要性。(4) 輔助電源輔助電源的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓。(5) 保護(hù)電路保護(hù)電路主要具有：輸入過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)功能；輸出過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)功能；過(guò)載保護(hù)功能；過(guò)電流和短路保護(hù)功能。(6) 逆變主電路逆變主電路主要是根據(jù)變化的驅(qū)動(dòng)控制脈沖得到變化的高壓交流脈沖，即把穩(wěn)定的直流電壓變換為交流脈沖電壓，完成逆變。現(xiàn)普遍使用的單相逆變主電路為全橋式逆變電路。2.3.2 逆變電路的基本工作原理 以單相橋式逆變電路為例說(shuō)明其最基本的工作原理，圖（a）中S1S4是橋式電路的4個(gè)臂，它們由電力電子器件及輔助電路組成，當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，uo為負(fù)，其波形如下圖所示，這樣就把直流電變成交流電，改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率，即改變輸出交流電的頻率，這就是逆變電路的最基本的工作原理。當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，負(fù)載電流io和電壓uo波形形狀相同，相位也相同。當(dāng)負(fù)載為阻感負(fù)載時(shí)，io的基波相位滯后于uo的基波，兩者波形形狀也不同，圖（b）給出的就是阻感負(fù)載時(shí)的io波形。圖2-2 逆變電路及其波形 設(shè)t1時(shí)刻以前S1、S4導(dǎo)通，uo和io均為正。在t1時(shí)刻斷開(kāi)S1和S4,同時(shí)合上S2、S3導(dǎo)通,則uo的極性立刻變?yōu)樨?fù)。但是，因?yàn)樨?fù)載中有電感，其電流極性不能立刻改變而仍維持原方向。這時(shí)負(fù)載電流從直流電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載和S3流回正極，負(fù)載電感中儲(chǔ)存的能量向直流電源反饋，負(fù)載電流逐漸減小，到t2時(shí)刻降為零，之后io才反向并逐漸增大。S2、S3斷開(kāi)，S1、S4閉合時(shí)的情況類似。2.3.3 逆變電路的換流方式 在圖2-2的逆變電路工作過(guò)程中，在t1時(shí)刻出現(xiàn)了電流從S1到S2,以及從S3到S4的轉(zhuǎn)移。電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過(guò)程稱為換流，也常被稱為換相。 1、換流方式的分類 器件換流 利用全控型器件的自關(guān)能力進(jìn)行換流。在采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中，其換流方式即為器件換流。 電網(wǎng)換流 由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流?？煽卣麟娐?、交流調(diào)壓電路和采用相控方式的交變變頻電路，不需器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加元件?？煽卣麟娐?，無(wú)論其工作在整流狀態(tài)還是有源逆變狀態(tài)，都是借助于電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)換流的，都屬于電網(wǎng)換流。三相交流調(diào)壓電路和采用相控方式的交交變頻電路中的換流方式也都是電網(wǎng)換流。在換流時(shí)，只要把負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在遇關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。這種換流方式不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，也不需要為換流附加任何元件，但是不適用于沒(méi)有交流電網(wǎng)的無(wú)源逆變電路。 負(fù)載換流 由負(fù)載提供換流電壓稱為負(fù)載換流。負(fù)載電流相位超前于負(fù)載電壓的場(chǎng)合，都可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。負(fù)載為電容性負(fù)載時(shí)，負(fù)載為同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。另外，當(dāng)負(fù)載為同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于可以控制勵(lì)磁電流使負(fù)載呈現(xiàn)容性，因而也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。圖2-3 a是基本的負(fù)載換流逆變電路，四個(gè)橋臂均由晶閘管組成。其負(fù)載是電阻電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，整個(gè)負(fù)載工作在接近并聯(lián)諧振狀態(tài)而略呈容性。在實(shí)際電路中，電容往往是為改善負(fù)載功率因數(shù)，使其略呈容性而接入的。由于在直流側(cè)傳入了一個(gè)很大的電感，因而在工作過(guò)程中可以認(rèn)為基本沒(méi)有脈動(dòng)。 圖2-3 負(fù)載換流電路及其工作波形 電路的工作波形如圖2-3b所示。因?yàn)橹绷麟娏鹘茷楹阒?，四個(gè)臂開(kāi)關(guān)的切換使電流流通路徑改變，所以負(fù)載電流基本呈現(xiàn)為矩形波。負(fù)載工作在對(duì)基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對(duì)基波阻抗很大，對(duì)諧波阻抗很小，uo波形接近正弦。 工作過(guò)程：t1時(shí)刻前，S1、S4為通態(tài)，S2、S3為斷態(tài)，uo、io均為正，S2、S3上施加的電壓即為uo；t1時(shí)刻時(shí)，觸發(fā)S2、S3使其開(kāi)通，uo通過(guò)S2、S3分別加到S4、S1上使其承受反壓而關(guān)斷，電流從S1、S4轉(zhuǎn)移到S3、S2。觸發(fā)S2、S3的時(shí)刻t1必須在uo過(guò)零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。 強(qiáng)迫換流 設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強(qiáng)迫換流（Forced Commutation）。通常利用附加電容上儲(chǔ)存的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，也稱為電容換流。 直接耦合式強(qiáng)迫換流由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓。VT通態(tài)時(shí)，先給電容C充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關(guān)斷。 圖2-4 直接耦合式強(qiáng)迫換流原理圖 電感耦合式強(qiáng)迫換流通過(guò)換流電路內(nèi)電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流。 兩種電感耦合式強(qiáng)迫換流： 圖2-5a中晶閘管在LC振蕩第一個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷。 圖2-5b中晶閘管在LC振蕩第二個(gè)半周期內(nèi)關(guān)斷。 圖2-5 電感耦合式強(qiáng)迫換流原理圖 給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流也叫電壓換流（圖2-4）。先使晶閘管電流減為零，然后通過(guò)反并聯(lián)二極管使其加反壓的換流叫電流換流（圖2-5）。 當(dāng)電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止流通而變?yōu)榱?，則稱為熄滅。2.3.4 電壓型逆變器 逆變器按其直流電源性質(zhì)不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路，電流型逆變電路或電流源型逆變電路。 圖2-6 電壓型逆變電路舉例 （全橋逆變電路） 電壓型逆變電路有以下特點(diǎn)： (1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)。(2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。 (3)阻感負(fù)載時(shí)需提供無(wú)功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。 1、單相半橋逆變電路工作原理：V1和V2柵極信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏、半周反偏，且二者互補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，其工作波形如圖2-7b所示。輸出電壓uo為矩形波，幅值為 Um=Ud/2，輸出電流io波形隨負(fù)載而異。當(dāng)V1或V2為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；而當(dāng)VD1或VD2為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓反向，負(fù)載電感中儲(chǔ)存的能量向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管，還使負(fù)載電流連續(xù)，因而又稱續(xù)流二極管。 圖2-7 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，使用器件少。 缺點(diǎn)：輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡。常用于幾千瓦以下的小功率逆變電源。 單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)半橋逆變電路的組合。 2、全橋逆變電路 電壓型全橋逆變電路如圖2-8a可以看成由兩個(gè)半橋電路的組合而成。把橋臂1和4作為一對(duì)，橋臂2和3作為另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通180。輸出電壓uo波形和圖2-8b的半橋電路的波形uo形狀相同，但其幅值高出一倍，Um=Ud。輸出電流io波形和圖2-8b中的i0形狀相同，幅值增加一倍，輸出電壓波形的的定量分析：把幅值為Ud的矩形波u0展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得其中，基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為 上述公式對(duì)于半橋逆變電路也是適用的，只是式中的Ud要換成Ud/2。uo為正負(fù)電壓各180的脈沖時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能改變直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)。在阻感負(fù)載時(shí)，還可以采用移相的方式來(lái)調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓，這種方式成為移相調(diào)壓。移相調(diào)壓實(shí)際上就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度。在圖2-6a的單相全橋逆變電路中，各IGBT的柵極信號(hào)為180正偏，180反偏，且V1和V2的柵極信號(hào)互補(bǔ)，V3和V4的柵極信號(hào)互補(bǔ)。V3的基極信號(hào)比V1落后（0uc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào)，如io0，則V1和V4導(dǎo)通，如io0，則VD1和VD4導(dǎo)通，uo=Ud。當(dāng)uruc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào)，如io0，則VD2和VD3導(dǎo)通，uo=Ud。波形見(jiàn)圖3.5。 3.4 規(guī)則采樣法按SPWM基本原理，自然采樣法中要求解復(fù)雜的超越方程，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多。圖3.5 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法特點(diǎn)是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，其效果接近自然采樣法，但計(jì)算了卻比自然采樣法小的多。規(guī)則采樣法原理：圖3-7，三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期tc。自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波一周期中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合。規(guī)則采樣法使兩者重合，每個(gè)脈沖中點(diǎn)為相應(yīng)三角波中點(diǎn)，計(jì)算大為簡(jiǎn)化。三角波負(fù)峰時(shí)刻td對(duì)信號(hào)波采樣得D點(diǎn)，過(guò)D作水平線和三角波交于A、B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制器件的通斷，脈沖寬度和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。規(guī)則采樣法計(jì)算公式推導(dǎo)：正弦調(diào)制信號(hào)波公式中，a稱為調(diào)制度，0a1；r為信號(hào)波角頻率。因此可得： (3.1) 三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度 (3.2) 3.5 同步調(diào)制和異步調(diào)制在SPWM逆變器中，載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比Nfc/fr，稱為載波比。根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，SPWM逆變器調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。1.異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式即為異步調(diào)制。通常保持載波頻率fc固定不變，當(dāng)調(diào)制信號(hào)頻率fr變化時(shí)，載波比N是變化的。當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小，當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱的影響就變大，還會(huì)出現(xiàn)脈沖的跳動(dòng)。同時(shí)，輸出波形和正弦波之間的差異也變大，電路輸出特性變壞。對(duì)于三相逆變器來(lái)說(shuō)，三相輸出的對(duì)稱性也變差。因此，在采用異步調(diào)制方式時(shí)，希望盡量提高載波頻率，以使在調(diào)制信號(hào)頻率較高時(shí)仍能保持較大的載波比，從而改善輸出特性。2.同步調(diào)制載波比N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。在同步調(diào)制方式中，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。在三相SPWM逆變電路中通常共用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱。3.分段同步調(diào)制為了克服上述缺點(diǎn)，通常采用分段同步調(diào)制的方法，即把fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過(guò)高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過(guò)低；為防止fc在切換點(diǎn)附近來(lái)回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法。同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)。可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，和分段同步方式效果接近。第4章 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)控制方案 按照選定的模式自舉加載程序，跳轉(zhuǎn)到主程序入口，進(jìn)行相關(guān)變量、控制寄存器初始化設(shè)置和正弦表初始化等工作。接著使能需要的中斷，啟動(dòng)定時(shí)器，然后循環(huán)進(jìn)行故障檢測(cè)和保護(hù)，并等待中斷。主要包括三部分內(nèi)容：定時(shí)器周期中斷子程序、A/D采樣子程序和數(shù)據(jù)處理算法。主程序流程圖如圖4.1所示。 圖4.1 主程序流程圖 4.1.1 定時(shí)器周期中斷子程序 主要進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，更新占空比，產(chǎn)生SPWM波。定時(shí)器周期中斷流程圖如圖4.2所示。 圖4.2 定時(shí)器周期中斷流程圖 4.1.2 A/D采樣子程序 主要完成線電流采樣和線電壓采樣。為確保電壓與電流信號(hào)間沒(méi)有相對(duì)相移，本部分利用TMS320F28335片上ADC的同步采樣方式。為提高采樣精度，在A/D中斷子程序中采用均值濾波的方法。對(duì)A相電壓和電流A/D的同步采樣部分代碼如下： 4.1.3 數(shù)據(jù)處理算法 本系統(tǒng)主要用到以下算法：（1）SVPWM算法（2）PID調(diào)節(jié)算法（3）頻率檢測(cè)算法 (1)SVPWM算法 SPWM波是以正弦波作為基準(zhǔn)波（調(diào)制波），用一列等幅的三角波（載波）與基準(zhǔn)正弦波相比較產(chǎn)生PWM波的控制方式。當(dāng)基準(zhǔn)正弦波高于三角波時(shí)，使相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)基準(zhǔn)正弦波低于三角波時(shí)，使相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件截止。由此，逆變器的輸出電壓波形為脈沖列，其特點(diǎn)是：半個(gè)周期中各脈沖等距等幅不等寬，總是中間寬，兩邊窄，各脈沖面積與該區(qū)間正弦波下的面積成比例。這種脈沖波經(jīng)過(guò)低通濾波后可得到與調(diào)制波同頻率的正弦波，正弦波幅值和頻率由調(diào)制波的幅值和頻率決定。 本文采用不對(duì)稱規(guī)則采樣法，即在三角波的頂點(diǎn)位置與低點(diǎn)位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣，它形成的階梯波更接近正弦波。不規(guī)則采樣法生成SPWM波原理如圖4.3所示。圖中，Tc是載波周期，M是調(diào)制度，N為載波比，Ton為導(dǎo)通時(shí)間。 由圖4.3得： 當(dāng)k為偶數(shù)時(shí)代表頂點(diǎn)采樣，k為奇數(shù)時(shí)代表底點(diǎn)采樣。 SVPWM算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程： 利用F28335內(nèi)部的事件管理器模塊的3個(gè)全比較單元、通用定時(shí)器1、死區(qū)發(fā)生單元及輸出邏輯可以很方便地生成三相六路SPWM波形。實(shí)際應(yīng)用時(shí)在程序的初始化部分建立一個(gè)正弦表，設(shè)置通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)方式為連續(xù)增計(jì)數(shù)方式，在中斷程序中調(diào)用表中的值即可產(chǎn)生相應(yīng)的按正弦規(guī)律變化的SPWM波。SPWM波的頻率由定時(shí)時(shí)間與正弦表的點(diǎn)數(shù)決定。 SVPWM算法的部分代碼如下： (2)PID調(diào)節(jié)算法 在實(shí)際控制中很多不穩(wěn)定因素易造成增量較大，進(jìn)而造成輸出波形的不穩(wěn)定性，因此必須采用增量式PID算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。PID算法數(shù)學(xué)表達(dá)式為 Upresat(t)= Up(t)+ Ui(t)+ Ud(t) 其中，Up(t)是比例調(diào)節(jié)部分，Ui(t)是積分調(diào)節(jié)部分，Ud(t)是微分調(diào)節(jié)部分。 本文通過(guò)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換采集來(lái)的電壓或電流信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)輸出的SPWM波進(jìn)行脈沖寬度的調(diào)整，使系統(tǒng)輸出的電壓保持穩(wěn)定。 PID調(diào)節(jié)算法的部分代碼如下： (3)頻率檢測(cè)算法 頻率檢測(cè)算法用來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)輸出電壓的頻率。用TMS320F28335片上事件管理器模塊的捕獲單元捕捉被測(cè)信號(hào)的有效電平跳變沿，并通過(guò)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器記錄一個(gè)周波內(nèi)標(biāo)頻脈沖個(gè)數(shù)，最終進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算后得到被測(cè)信號(hào)頻率。 4.1.4 測(cè)量波形 圖4.3 生成SPWM波形在完成上述硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文采用特定的PWM控制策略，使逆變器拖動(dòng)感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行，并進(jìn)行了短路、電機(jī)堵轉(zhuǎn)等實(shí)驗(yàn)，證明采用逆變器性能穩(wěn)定，能可靠地實(shí)現(xiàn)過(guò)流和短路保護(hù)。圖4.4是在空載條件下，用數(shù)字示波器記錄的穩(wěn)態(tài)電壓波形。幅度為35V，頻率為60Hz。 圖4.4 不規(guī)則采樣法生成SPWM波原理圖 圖4.5 輸出線電壓波形 4.2 系統(tǒng)框圖直流電壓負(fù)載 LC濾波IGBT電壓檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路A/D轉(zhuǎn)換28335DSP 圖4.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖4.6 系統(tǒng)總體電路圖圖4.7 單相電壓型逆變器主電路圖第5章 總結(jié)致 謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了，在這里我要感謝所有幫助與鼓勵(lì)過(guò)我的人。首先是我的指導(dǎo)老師段雙明老師，因?yàn)楸敬萎厴I(yè)設(shè)計(jì)是在段老師的悉心指導(dǎo)下完成的，段老師豐富的知識(shí)和平易近人的作風(fēng)讓我受益匪淺，他不僅傳授我們知識(shí)，更傳授了我們學(xué)習(xí)的方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，還有我的同學(xué)，給了我很多幫助。在此祝愿老師和各位同學(xué)一切順利，天天開(kāi)心。我也會(huì)在以后的工作學(xué)習(xí)中牢記老師的教誨，更加努力學(xué)習(xí)。參 考 文 獻(xiàn)1 王兆安、劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)（第五版）. 機(jī)械工業(yè)出版社，20092 洪乃剛. 電力電子技術(shù)基礎(chǔ)J. 清華大學(xué)出版社,20083 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（第四版）. 機(jī)械工業(yè)出版社，20104 周志敏、周紀(jì)海. 逆變電源實(shí)用技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 中國(guó)電力出版社，20055 華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 高等教育出版社，20066 邱光源. 電路. 高等教育出版社,19997 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）. 高等教育出版社，1999 8 陳堅(jiān). 電力電子M. 高等教育出版社,20029 黃忠霖 黃京. 電力電子技術(shù)MATLAB實(shí)踐. 國(guó)防工業(yè)出版社.200910 孫炳達(dá). 自動(dòng)控制原理M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,200511 徐德鴻. 電力電子系統(tǒng)建模及控制 .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200512 Z.Ye, R. Walling, L. Garces, R. Zhou, L. Li, and T. Wang. Study and Development of Anti-Islanding Control for Grid-Connected Inverters. General Electric Global Research Center Niskayuna, New York.13 Jinrong Qian,F.CLee,Charge pupm Power_Correction Technologies Part J.IEEE Trans.On Power Electronics. 2000.15(1)14 G.Hua et.all.,