逆变器的研究与设计Word格式文档下载.docx

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1.1.1课题研究的目的……………………………………………………………1

1.1.2课题研究的意义……………………………………………………………1

1.2逆变器在国内外研究现状…………………………………………………………2

1.2.1国内逆变器研究现状………………………………………………………2

1.2.2国外逆变器研究现状………………………………………………………2

1.3逆变器的介绍………………………………………………………………………3

1.3.1逆变器的分类………………………………………………………………3

1.3.2逆变器与变频器的区分……………………………………………………3

1.4主要研究内容……………………………………………………………………3

2逆变器的组成………………………………………………………………………4

2.1逆变系统电路框图………………………………………………………………4

2.2SPWM波的方案选取………………………………………………………………5

2.3逆变电路的控制方式论证…………………………………………………………6

2.4主电路结构的方案选取…………………………………………………………9

3逆变器硬件电路分析与仿真……………………………………………………10

3.1系统硬件电路的分析……………………………………………………………10

3.1.1桥式电路分析………………………………………………………………10

3.1.2控制回路电路的设计……………………………………………………12

3.1.3SPWM波硬件电路…………………………………………………………15

3.1.4驱动电路的设计…………………………………………………………18

3.1.5延时保护电路的设计……………………………………………………19

3.1.6DC/DC模块电路…………………………………………………………20

3.2控制电路的仿真…………………………………………………………………21

3.2.1MULTISIM仿真软件介绍………………………………………………21

3.2.2SPWM波电路的仿真……………………………………………………21

3.2.3全桥逆变电路的仿真………………………………………………………23

3.2.4延时电路的仿真……………………………………………………………24

3.3滤波回路的参数计算……………………………………………………………25

4逆变器的软件设计…………………………………………………………………27

4.1KEILC仿真软件介绍…………………………………………………………27

4.1.1KEILC51的特点……………………………………………………………27

4.1.2KEILC51的数据类型………………………………………………………28

4.2控制系统程序流程图…………………………………………………………29

5总结……………………………………………………………………………………32

参考文献……………………………………………………………………………………33

致谢…………………………………………………………………………………………35

附录I-1:

死区保护电路………………………………………………………………………36

附录I-2:

主电路………………………………………………………………………………37

附录I-3:

单片机控制电路……………………………………………………………………38

附录I-4:

DA电路……………………………………………………………………………39

附录I-5:

IR2130应用电路…………………………………………………………………40

附录II:

程序清单……………………………………………………………………………41

1绪论

1.1课题研究的目的及意义

1.1.1课题研究的目的

近年来，随着电力电子技术、各行各业自动化水平及控制技术的发展和其对操作性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，对电源的要求越来越高，因此逆变电源在各个领域当中也被广泛的使用。

逆变器是一种能将直流电转化为可变交流电的电子装置，使用适当的变压器、开关以及控制电路可以将转化的交流电调整到需要的电压以及频率值上。

逆变器没有移动部件，其应用范围极其广泛，从小型计算机开关电源，到大型电力公司高压直流电源应用，运输散货。

逆变器通常用于提供从诸如太阳能电池板或电池直流电源转换的交流电源。

逆变器有两种主要类型。

对修改后正弦波逆变器输出是一个类似方波输出，输出去除了一时间为零伏特，然后才转到正或负。

它的电路简单而且成本一般较低，并与大多数电子设备兼容。

纯正弦波逆变器产生一个近乎完美的正弦波输出“（<

3％的总谐波失真），它本质上与公用事业电网提供的相同。

因此它与所有的交流电子设备兼容。

这是网逆变器配合使用的类型,它的设计更为复杂。

研究逆变器的目的由于用电设备对市电电网造成严重的污染，反过来，被污染的市电电网也会使用电设备工作不正常，用电设备之间通过市电电网相互干扰。

以逆变技术为基础使其为用电设备提供高质量电能。

1.1.2课题研究的意义

随着电力电子技术的迅猛发展，逆变技术广泛应用于航空、航天、航海等国防领域和电力系统，交通运输、邮电通信、工业控制等民用领域。

特别是随着石油、煤和天然气等主要能源日益紧张，新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。

利用新能源的关键技术---逆变技术，能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化的直流电能变换成交流电能与电网并网发电。

因此，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位

此外，通过本次的设计，要达到提高我们综合能力的目的，如综合应用所学知识能力、资料查询能力、计算机应用能力、语言表达能力、论文撰写能力等。

尤其是要提高我们对于电源逆变技术的理解和实践运用和利用控制芯片进行电源逆变技术的科技革新、开发和创新的基本能力，同时使我们初步掌握单片机应用系统设计、研制的方法。

可以缩短我们在未来工作岗位上的适应期，发挥我们的作用。

1.2逆变器在国内外研究现状

1.2.1国内逆变器研究现状

目前国内并网逆变器市场规模较小，国内生产逆变器的厂商众多，但具有国际竞争能力的逆变器制造商并不多，虽说不少国内企业已经在逆变器行业已经研究多年，已经具备一定的规模和竞争力，但在逆变器技术质量、规模上与国外企业仍具有较大差距，目前具有较大规模的厂商有合肥阳光、北京科诺伟业、北京索英、志诚冠军、南京冠亚、上海英伟力新能源科技有限公司等企业。

目前这些企业的产量呈逐年上升的趋势。

国内市场规模虽然较小，但未来逆变器的巨大发展空间和发展潜力给国内企业带来发展的历史机遇。

目前国内逆变器主要被阳光电源、艾思玛、KACO等品牌所占领，国外企业多数通过代理渠道进入国内市场，由于售后服务提供难度大整体市场占有率不高。

2008年统计数字显示，合肥阳光电源公司占据70%以上的逆变器市场份额，国内重点逆变项目大功率产品几乎全部选用国内产品。

从技术方面来看，国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距，目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，在大功率并网逆变器上，大功率并网逆变器仍需进一步发展。

1.2.2国外逆变器研究现状

在国外，并网型逆变器已经可以作为比较成熟的产品推向市场，像德国著名电气企业西门子就推出了很多具有市场化的产品，而且除欧洲的科技强国外，美国、日本等国家已经实现了并网逆变器的产品化。

现在逆变器的最大功率跟踪以及逆变环集成的单级量变换，已经成为研究的热点问题。

类似于小功率的逆变器开发已经越来越受到人们的重视，而在这些小功率逆变器中，其控制电路主要采用数字控制系统的安全性、可靠性以及扩展性，同时将各个完善的保护电路考虑其中。

目前逆变器行业领军者是德国公司艾斯玛（sma），技术处在行业的顶点。

1.3逆变器的介绍

逆变电源的原理：

利用晶闸管电路把直流电转变成交流电,这种对应于整流的逆向过程,定义为逆变。

例如:

应用晶闸管的电力机车,当下坡时使直流电动机作为发电机制动运行,机车的位能转变成电能,反送到交流电网中去。

又如运转着的直流电动机,要使它迅速制动,也可让电动机作发电机运行,把电动机的动能转变为电能,反送到电网中去。

把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。

在特定场合下,同一套晶闸管变流电路既可作整流,又能作逆变。

1.3.1逆变器的分类

变流器工作在逆变状态时,如果把变流器的交流侧接到交流电路简单，但输出电压波形的谐波含量过大，亦既THD（电流谐波畸变率）过大；

移相多重叠加逆变电源输出电压波形的谐波含量小，亦即THD小，但电路较复杂。

逆变器的分类：

按照源流性质

有源逆变器：

是使电流电路中的电流，在交流侧与电网连接而不直接接入负载的逆变器；

无源逆变器：

使电流电路中的电流，在交流侧不与电网连接而直接接入负载（即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载）的逆变器。

1.3.2逆变器与变频器的区分

变频器是VFD/VVVF的中文译名。

变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，成为独立的传动元件。

变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到控制电动机转速的目的。

变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼异步电机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率,使传动技术发展到新阶段。

变频器不同于本条目所说的反用换流器、逆变器、换向器。

变频器不仅要将直流电源逆变为交流供电，更需要先将交流电源连续整流为直流电源。

逆变器只是变频器的输出部分。

1.4主要研究内容

本课题主要研究内容是设计一个逆变器的硬件和软件部分。

根据技术要求设计DC/AC的逆变器。

设计的逆变器系统，它主要由逆变电路和滤波电路、控制系统组成；

1）本系统中逆变电路（DC-AC）模块采用调制SPWM波电路，通过正弦波与三角波发生器产生的三角波经过比较以后可以得到调制SPWM波。

软件需要编写正弦波程序。

2）调制SPWM波要能直接驱动MOS管的导通，需要加驱动电路。

本设计采用IR2130栅极驱动器将用来驱动MOS管。

只需加上很少的分立元件和单路电源,IR2130即可基于自举驱动原理构成MOS管的驱动电路。

主电路采用全桥式MOS管电路，系统的无功功率损耗小。

此部分由硬件控制，掌握电路基本原理。

3）滤波电路采用简单电路设计：

采用LC滤波电路，滤去高频杂波，通过电感L和电容C适当匹配，可以使得输出电压相位和输入电压相位一致，方便电压相位的控制。

4）电路设计、仿真和编程分别使用Protel、Multisim和Keil等软件。

2逆变器的组成

2.1逆变器电路结构

逆变器系统结构框图如图2-1所示：

图2-1逆器系统结构框图

由单片机产生的信号经DA电路转换后变为0至50HZ的正弦波信号，再和三角波发生电路产生的三角波进行比较得到SPWM波，这是控制信号回路。

三角波发生电路由模拟电子器件搭建。

产生的SPWM波经延时电路后得到的控制信号去由IR2130组成的驱动回路，驱动回路经死区延时后将所得信号加至由MOS管组成的桥式逆变主回路。

逆变系统是由以下几部分组成，各分块电路的功能如下：

1）DA转换电路：

AD转换电路是利用单片机结合AD7528进行模数转换而产生载波信号，AD7528和运放结合组成数字量到模拟量的转换。

2）逆变电路：

逆变电路的功能是将直流电变换成交流电，通过控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，使逆变器的输出电压或电流的频率和幅值按照要求灵活地变化。

3）控制电路：

控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，从而配合逆变器主电路完成逆变功能。

4）辅助电路：

辅助电路的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作需要的直流电压。

对于交流电网输入，可以采用工频降压、整流、线性稳压等方式，当然也可以采用DC-DC变换器。

5）驱动电路：

由IR2130组成的驱动电路来驱动全桥模块中的6N60A。

2.2SPWM波的方案选取

SPWM（SinusoidalPWM）,目前使用较广泛的PWM法。

采样控制理论中的一个重要结论:

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。

例如图2-2a为矩形脉冲，图2-2b为三角形脉冲，图2-2c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1，那么，当他们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。

脉冲越窄，其输出的差异越小。

当窄脉冲变为图2-2d的单位脉冲函数δ（t）时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。

图2-2充量相同的脉冲

图2-3等效正弦波

自然法生成SPWM波又称模拟电路法生成SPWM波，通常用模拟比较器比较生成SPWM波，如果用信号正弦波作为比较器的同相端输入信号，三角载波作为比较器的反相端输入信号，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，便实现了自然法生成SPWM波，如图2-4所示，比较器输出经死区形成电路即可生成带死区的SPWM波。

这种方法是所有生成SPWM波方法中最精确的一种，其它方法都是与它近似等效，存在一定的等效误差，正弦波在不同相位角时其值不同，因而与三角波相交所得到的脉冲宽度也不同。

另外，当正弦波频率变化或幅值变化时，各脉冲的宽度也相应变化。

要准确生成SPWM波形，就应准确地确定正弦波和三角波的交点。

图2-4规则采样法生成SPWM波

规则采样法是从自然采样法演变而来的，它由经过采样的正弦波（实际上是阶梯波）与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。

这种方法只在三角波的顶点或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波，其原理如图2-5所示:

图2-5规则采样法生成SPWM波

2．3逆变电路的控制方式论证

1）单极性SPWM控制与双极性SPWM控制

a）单极性SPWM控制

三角波载波在半个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的SPWM波形也只在一个方向变化的控制方式成为单极性SPWM控制方式，如图2-6所示。

图中的

为正弦调制波，

为三角形载波。

载波

在

的正半周为正极性的三角波，在

的负半周为负极性的三角波。

通过

和

的比较，获取SPWM控制信号来控制图2-6主电路中开关元件的导通或关断，IGBT的通/断发生在

的交点时刻。

从而在主电路的输出端获得SPWM输出电压

。

的正半周期间，给T1始终施加开通控制信号，使其始终保持导通状态，使T2、T3始终保持关断状态，只控制T4。

当

>

时，控制T4导通，此时输出电压

为+Ud；

＜

时，控制T4关断，则负载电流通过D3续流输出电压

为0V。

图2-6单极性PWM控制原理

的负半周，使T3保持始终受控导通状态，使T1、T4一直保持关断，只控制T2。

时，控制T2导通，输出电压

为

；

＞

时，使T2关断，则负载电流通过D4续流，输出电压

这种调制方式中，在调制波

的正、负半个周期内，三角形载波只在一个方向变化，输出电压也只在一个方向变化。

输出电压波形如图2-6所示，输出的电压有

、0V、

三种电压值。

其中的

为基波分量的波形，与正弦调制电压

的形状相同。

图中的虚线

表示

中的基波分量。

像这种在

的半个周期内三角形载波只在单一的正极性或负极性范围内变化，所得到的SPWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式称为单极性SPWM控制方式。

b）双极性SPWM控制

和单极性SPWM控制方式相对应的是双极性控制方式，如果三角波载波在半个周期内的方向是在正负两个方向变化的，所得到的SPWM波形也是在两个方向变化的，这时就成为双极性SPWM控制方式，如图2-7所示。

其控制和输出波形如图2-7所示。

其中

但

的波形与单极性时有明显的不同，在

的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负的双极性三角波。

双极性调制方式在

的正、负半周控制规律相同。

时，同时给T1和T4导通信号，给T2和T3关断信号，此时若

，则T1和T4导通，若

，则Dl和D4导通，两种情况下输出电压均为

时，给T2和T3导通信号，给Tl和T4关断信号，

若此时

，则T2和T3导通，若

，则D2和D3导通，两种情况下输出电压

均为

可见，在

的一个周期内，输出的PWM波只有

两种电平，而不再出现单极性控制时的零电平状态。

主电路的输出电压

波形如图2-7所示，其幅值只有

、

两种。

为输出的基波波形，形状与正弦调制波相同。

从以上的分析可见，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。

当对开关器件通/断控制的规律不同时，它们的输出PWM波形也会出现较大的差别。

图2-7双极性PWM控制原理

2）同步调制与异步调制

在PWM逆变电路中，载波频率fc与调制信号频率fr之比N=fc/fr。

根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM逆变电路可以有异步调制和同步调制两种控制方式。

a）异步调制

载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。

在异步调制方式中，调制信号频率fr，变化时，通常保持载波频率fc。

固定不变，因而载波比N是变化的。

这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，同时，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。

当调制信号频率较低时，载波比N较大，半周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称的影响都较小，输出波形接近正弦波。

当调制信号频率增高时，载波比N就减小，半周期内的脉冲数减少，输出脉冲的不对称性影响就变大，还会出现脉冲的跳动，同时输出波形和正弦波之间的差异就变大，电路输出特性变坏。

b）同步调制

载波比N等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制。

在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比N不变。

综上比较选取了同步双极型调制。

2.4主电路结构的方案选取

逆变器的主电路结构形式多种多样，有全桥型、半桥型及推挽型等,逆变器主电路结构的选取应该遵循以下几个原则：

尽量减少逆变电源中的电容值、电感值和电容电感元件在逆变电源中的数量，这样可以减小整个逆变电源设备的体积，提高其可靠性，同时也应该降低设备的成本；

电路拓扑结构应该有利于逆变电源最终输出电压中谐波的消除，输出电压频率及幅值的调节。

鉴于以上诸项要求，本文所设计的逆变器主电路采用的是三相全桥式结构。

全桥模型如图2-8所示：

图2-8全桥模型

其中所用开关器件可以是晶体管、MOS管，也可以是IGBT，而且不论P型或N型，P沟或N沟。

3系统硬件电路分析与仿真

3.1系统硬件电路的分析

3.1.1三相全桥电路分析

逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种:

直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；

直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。

SPWM逆变器的主电路如图3-1所示，图中Vl—V6是逆变器的六个功率开关器件，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压U供电。

一组三相对称的正弦参考电压信号

由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。

参考信号的幅值也可在一定范围内变化，决定输出电压的大小。

三角载波信号Uc是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波Uda，Udb，Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。

图3-1SPWM逆变器的主电路

桥式逆变主电路的开关器件采用快速MOS管IR2130，采用全桥式逆变电路。

当Uru<

Uun=-Ud/2时，给V4导通信号，给V1关