单相逆变器的软件设计.docx
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单相逆变器的软件设计
单相逆变器的软件设计
摘要
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。
理论联系实际，将书本上所学到的知识与实际设计结合起来，学习电力电子基本理论，掌握单相电压型逆变器的工作原理和SPWM原理，并进行详细的设计分析，掌握其控制方式及在电力系统中的重要作用。
关键词：
逆变技术，单相电压型逆变器，SPWM原理
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofpowerelectronicstechnology,theinvertertechnologyiswidelyusedinaviation,navigationandotherfieldsofnationaldefenseandtheelectricpowersystem,transportation,telecommunications,industrialcontrolandothercivilianareas.Especiallywiththeoil,coalandnaturalgasandothermajorenergyshortage,thedevelopmentandutilizationofnewenergyhasbeenpaidmoreandmoreattention.Thekeytechnologyofnewenergy,invertertechnology,thebattery,DCcanbeconvertedintoACpowergridconnectedpowergenerationsolarcellandfuelcellandothernewenergyconversion.Therefore,invertertechnologyplaysaveryimportantroleinthefieldofnewenergydevelopmentandutilization.Thetheorywithpractice,applyonthebooksknowledgeandpracticaldesigncombinelearningpowerelectronicsbasictheory,mastertheworkingprincipleandtheprincipleofSPWMsingle-phasevoltagetypeinverter,anddesignadetailedanalysis,palmHoldthecontrolmodeandtheimportantroleinthepowersystem.
Keywords:
Invertertechnology，Singlephasevoltagesourceinverter，SPWMprinciple
第1章绪论
1.1课题背景及研究的意义
1.1.1课题背景
近年来，随着电力电子技术和自动化水平及控制技术的发展，各行各业对电力的供给提出了更高的要求。
提供稳定的、高可靠性的、高效率的、节能环保的电力供给就成为了能量领域研究的重点之一。
在目前已有的电源中，如蓄电池和太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时就需要将直流电转变成交流电供负载使用。
逆变器就是这种能进行电能转化的装置。
逆变器也称逆变电源，是太阳能、风力发电中一个重要部件。
它能将直流电变为定频定压或调频调压交流电，传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现，但由于其含有较大成分低次谐波等缺点，近十余年来，由于电力电子技术的迅速发展，全控型快速半导体器件BJT，IGBT，MOSFET，GTO等的发展和PWM的控制技术的日趋完善，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机等数字控制领域，使得SPWM逆变器得以迅速发展并广泛使用。
PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和周期以达到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术，SPWM控制技术又有许多种，并且还在不断发展中，但从控制思想上可分为四类，即等脉宽PWM法，正弦波PWM法（SPWM法），磁链追踪型PWM法和电流跟踪型PWM法等等。
各种现代控制理论如棒棒控制，自适应控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。
1.1.2课题研究的意义
国民经济的高速发展和国内外能源供应日益紧张，电能的开发和利用显得更为重要。
目前，国内外都在大力开发新能源，如太阳能发电、风力发电、潮汐发电等。
一般情况下，这些新型发电装置输出不稳定的直流电，不能直接供给需要交流电的用户使用。
为此，需要将直流电变换成交流电，需要时可并入市电电网。
这种DC-AC变换需要逆变技术来完成。
因此，掌握逆变技术具有重要的意义。
逆变电源输出的交流电可用于各类设备，可以最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。
有了逆变器，就可利用直流电转换成交流电为电器提供稳定可靠得用电保障，如笔记本电脑、手机、数码相机以及各类仪器等；逆变器还可与发电机配套使用，能有效地节约燃料、减少噪音；在风能、太阳能领域，逆变器更是必不可少。
这种能量的变换对节能、减小环境污染、降低成本和提高产量等方面均起着非常重要的作用。
随着逆变技术成熟，使得其应用领域也达到了前所未有的广阔，广泛应用于电力系统、家用电器、交通运输、工业电源和航空航天等领域并且随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。
高性能逆变电源要求满足：
高逆变效率、高速动态响应、高稳态精度、高智能化、高系统稳定性和高可靠性。
1.2逆变技术的发展现状和发展趋势
1.2.1逆变器的发展过程
1956-1980年为传统发展阶段。
1956年，第一只晶闸管问世标志着电力电子学的诞生，在这个时代，逆变器继整流器之后开始发展，首先出现的是可控硅SCR电压源型逆变器。
1961年，W．McMurrav与B．D．Bedford提出了改进型SCR强迫换向逆变器，为SCR逆变器的发展奠定了基础。
1962年，A．Kemick提出了“谐波中和消除法”，这标志着正弦波逆变器的诞生。
1963年，EG．Tumbull提出了“特定谐波消除法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小，效率最优等。
1980到现在为高频化新技术阶段。
20世纪80年代初，美国弗吉尼亚电力电子技术中心（VPEC）对谐振技术进行了改进，提出了准谐振变换技术，即把LC回路在一个开关周期中的全谐振改变为半谐振或部分谐振，这才使软开关与PWM技术的结合成为可能，并在DC／DC变换器中普遍采用。
软开关技术研究的最终目的是实现脉宽调制PWM（Pulse．WidthModulation）软开关技术，也就是将软开关技术引进到PWM逆变器中，使它既能保持原来的优点，又能实现软开关功能。
为此，必须把LC与开关器件组成一个谐振网络，使PWM逆变器只有在开关转换过程中才产生谐振，实现软开关转换，平时则不谐振，以保持PWM逆变器的特点。
PWM软开关技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力电子高频化的最佳途径，也是一项理论性最强的研究工作。
它的研究对于逆变器性能的提高和进一步推广应用，以及对电力电子学技术的发展，都有十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一。
1.2.2逆变器的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，变频电源技术均处于核心地位。
近年来，现代变频电源技术发展主要表现出以下几种趋势：
（1）高频化
提高变频电源的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，为了进一步减小装置的体积和重量，去掉笨重的工频隔离变压器，采用高频隔离，并可消除变压器和电感的音频噪声，同时改善了输出电压的动态响应能力。
（2）高性能化
高性能主要指输出电压特性的高性能，它主要体现在以下几个方面:
稳压性能好，空载及负载时输出电压有效值要稳定；波形质量高，不但要求空载时的波形好，带载时波形也好，对非线性负载性要强；突加或突减负载时输出电压的瞬态响应特性好；电压调制量小；输出电压的频率稳定性好；对于共相电源，带不平衡负载时相电压失衡小。
（3）模块化
当今逆变电源的发展趋向是大功率化和高可靠性.虽然现在已经能生产几千KVA的大型逆变电源，完全可以满足大功率要求的场合。
但是，这样整个系统的可靠性完全由单台电源决定，无论如何可靠性也不可能达到很高。
为了提高系统的可靠性，就必须实现模块化，模块化意味着用户可以方便地将小容量的模块化电源任意组合，构成一个较大容量的变频电源。
模块化需要解决逆变电源之间的并联问题，变频电源的并联要比直流电源的并联复杂，它面临着负荷分配、环流补偿、通断控制等多方面的问题。
（4）数字化
现在数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点:
便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、提高系统抗干扰能力、便于软件包调试和遥感遥测遥调、也便于自诊断，容错等技术的植入，同时也为电源的并联技术发展提供了方便。
（5）绿色化
绿色电源的含义有两层:
首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因。
为了使电源系统绿色化，电源应加装高效滤波器，还应在电网输入端采用功率因数校正技术和软开关技术。
提高输入功率因数具有重要意义，不仅可以减少对电网的污染，降低市电的无功损耗，起到环保和节能的效果，而且还能减少相应的投资，提高运行可靠性。
提高功率因数的传统方法是采用无源功率因数校正技术，目前较先进的方法是:
单相输入的采用有源功率因数校正技术，三相输入的采用SPWM高频整流提高功率因数。
今后电源技术将朝着高效率、高功率因数和高可靠性方向发展，并不断实现低谐波污染、低环境污染、低电磁干扰和小型化、轻量化。
从而为今后的绿色电源产品和设备的发展提供强有力的技术保证，这也将是现代电源发展的必然结果。
1.2.3逆变技术存在的难点
数字化是逆变电源发展的主要方向，但还是需要解决以下一些难题：
（1）逆变电源输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号，它不同于一般开关电源的常值控制。
在闭环控制下，给定信号与反馈信号的时间差就体现为明显的相位差，这种相位差与负载是相关的，这就给控制器的设计带来了困难。
（2）逆变电源输出滤波器对系统的模型影响很大，输入电压的波动幅值和负载的性质，大小的变化范围往往比较大，这些都增加了控制对象的复杂性，使得控制对象模型的高阶性、不确定性、非线性显著增加。
（3）对于数字式PWM，都存在一个开关周期的失控区间，一般是在每个开关周期的开始或上个周期之后确定本次脉冲的宽度，即使这时系统发生了变化，也只能在下一个开关周期对脉冲宽度做出调整，所以现在逆变电源的数字化控制引起了广泛的关注。
1.3本文研究内容
本文研究的主要内容如下：
（1）掌握单相电压型逆变器的工作原理；
（2）掌握SPWM原理，绘制逆变器控制程序流程图；
（3）用C语言编写DSP程序，完成逆变器的软件设计，设计完成的逆变器能输出单相正弦波，并给出实验波形。
（4）计算正弦调制波，并将调制波数据以数组形式存储在DSP的RAM中。
通过改变调制度，改变输出正弦波的幅值。
第2章逆变器的工作原理
2.1逆变器的分类
逆变器的种类很多，可按照不同的方法进行分类。
按逆变器输出交流电能的频率，可分为工频逆变器，中频逆变器和高频逆变器。
工频逆变器的频率为50-60HZ的逆变器；中频逆变器的频率一般为400HZ到十几KHZ；高频逆变器的频率一般为十几KHZ到MHZ。
按逆变器输出的相数，可分为单相逆变器，三相逆变器和多相逆变器。
按照逆变器输出电能的去向，可分为有源逆变器和无源逆变器。
凡将逆变器输出的电能向电网侧输送的逆变器，称为有源逆变器；凡将逆变器输出的电能向电能负载输送的逆变器称为无源逆变器。
按逆变器主电路的形式，可分为单端式逆变器，推挽式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器。
按逆变器主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应管逆变器和绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变器等。
也可以将其归纳为“半控型”逆变器和“全控型”逆变器两大类。
其中半控型器件不具备自关断能力，元器件在导通后即失去控制作用，故称之为“半控型”，晶闸管属于这一类器件。
而全控型器件具有自关断能力，即器件的导通和关断均可由器件的控制极加以控制，电力场效应管和绝缘栅双极晶体管（IGBT）及MOSFET都属于这一类器件。
按直流电源类型，可分为电压源型逆变器（VSI）和电流源型逆变器（CSI）。
按逆变器输出电压或电流的波形，可分为正弦波输出逆变器和非正弦波输出逆变器。
按逆变器环流方式分，可分为负载换流式逆变器和自换流式逆变器。
2.2逆变技术指标
2.2.1额定输出电压
在规定的输入直流电压允许的波动范围内，它表示逆变器能输出的额定电压值。
对输出额定电压值的稳定准确度一般有如下规定：
（1）在稳态运行时，电压波动范围应有一个规定，例如逆变器输出电压偏差不超过额定值的±3%或±5%。
（2）在负载突变（额定负载0%→50%→100%）或有其他干扰因素影响的动态情况下，逆变器输出电压偏差不应超过额定值的±8%或±10%。
2.2.2输出电压的波形失真度
当逆变器输出电压为正弦波时，应规定允许的最大波形失真度（或谐波分量）。
通常以输出电压的总波形式失真度表示，其值不应超过5%（单相输出允许10%）。
2.2.3额定输出频率
逆变器输出交流地那英的频率应是一个相对稳定的值，通常为工频50HZ。
正常工作条件下其值应在±1%以内。
2.2.4保护
（1）过电压保护：
对与没电压稳定措施的逆变器，应有输出过电压防护措施，以使负载免受输出过电压的损害。
（2）过电流保护：
逆变器的过电路保护，应能保证在负载发生短路或电流过允许值时及时动作，使其免受浪涌电流的损伤。
2.2.5启动特性
逆变器带负载启动的能力和动态工作时的性能。
逆变器应保证在额定负载下可靠起动。
2.2.6噪声
电力电子设备中的变压器、滤波电感、电磁开关等部件均会产生噪声。
逆变器正常运行时，其噪声应不超过80DB,小型逆变器的噪声应不超过65DB.
2.3逆变器结构分析
2.3.1逆变器基本结构
逆变器采用AC－DC－AC（交－直－交）的结构形式，其基本结构如图2-1所示，主要由输入、整流、逆变、输出、驱动与控制以及保护等电路组成。
图2-1逆变器的基本结构图
（1）输入电路
逆变主电路输入如果是交流电，首先要经过整流电路转换为直流，提供稳定
的直流电压。
（2）输出电路
输出电路主要是滤波电路。
对于隔离分析式逆变电源，在输出电路的前面还
有逆变变压器；对于开环控制的逆变系统，输出量不用反馈到控制电路；而对于
闭环控制的逆变系统，输出量还要反馈到控制电路。
（3）驱动与控制电路
驱动与控制电路的功能就是按要求产生一系列的控制脉冲，来控制逆变开关
管的导通和关断，并能调节其频率，控制逆变主电路完成逆变功能。
在逆变系统
中，控制电路与逆变主电路具有同样的重要性。
（4）辅助电源
辅助电源的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作的直流电
压。
（5）保护电路
保护电路主要具有：
输入过压保护、欠压保护功能；输出过压保护、欠压保
护功能；过载保护功能；过电流和短路保护功能。
（6）逆变主电路
逆变主电路主要是根据变化的驱动控制脉冲得到变化的高压交流脉冲，即把稳定的直流电压变换为交流脉冲电压，完成逆变。
现普遍使用的单相逆变主电路为全桥式逆变电路。
2.3.2逆变电路的基本工作原理
以单相桥式逆变电路为例说明其最基本的工作原理，图（a）中S1~S4是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及辅助电路组成，当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，其波形如下图所示，这样就把直流电变成交流电，改变两组开关的切换频率，即改变输出交流电的频率，这就是逆变电路的最基本的工作原理。
当负载为电阻时，负载电流io和电压uo波形形状相同，相位也相同。
当负载为阻感负载时，io的基波相位滞后于uo的基波，两者波形形状也不同，图（b）给出的就是阻感负载时的io波形。
图2-2逆变电路及其波形
设t1时刻以前S1、S4导通，uo和io均为正。
在t1时刻断开S1和S4,同时合上S2、S3导通,则uo的极性立刻变为负。
但是，因为负载中有电感，其电流极性不能立刻改变而仍维持原方向。
这时负载电流从直流电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，到t2时刻降为零，之后io才反向并逐渐增大。
S2、S3断开，S1、S4闭合时的情况类似。
2.3.3逆变电路的换流方式
在图2-2的逆变电路工作过程中，在t1时刻出现了电流从S1到S2,以及从S3到S4的转移。
电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也常被称为换相。
、换流方式的分类
器件换流
利用全控型器件的自关能力进行换流。
在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中，其换流方式即为器件换流。
电网换流
由电网提供换流电压称为电网换流。
可控整流电路、交流调压电路和采用相控方式的交变变频电路，不需器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加元件。
可控整流电路，无论其工作在整流状态还是有源逆变状态，都是借助于电网电压实现换流的，都属于电网换流。
三相交流调压电路和采用相控方式的交交变频电路中的换流方式也都是电网换流。
在换流时，只要把负的电网电压施加在遇关断的晶闸管上即可使其关断。
这种换流方式不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件，但是不适用于没有交流电网的无源逆变电路。
负载换流
由负载提供换流电压称为负载换流。
负载电流相位超前于负载电压的场合，都可以实现负载换流。
负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。
另外，当负载
为同步电动机时，由于可以控制励磁电流使负载呈现容性，因而也可以实现负载换流。
图2-3a是基本的负载换流逆变电路，四个桥臂均由晶闸管组成。
其负载是电阻电感串联后再和电容并联，整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。
在实际电路中，电容往往是为改善负载功率因数，使其略呈容性而接入的。
由于在直流侧传入了一个很大的电感
，因而在工作过程中可以认为
基本没有脉动。
图2-3负载换流电路及其工作波形
电路的工作波形如图2-3b所示。
因为直流电流近似为恒值，四个臂开关的切换使电流流通路径改变，所以负载电流基本呈现为矩形波。
负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦。
工作过程：
t1时刻前，S1、S4为通态，S2、S3为断态，uo、io均为正，S2、S3上施加的电压即为uo；t1时刻时，触发S2、S3使其开通，uo通过S2、S3分别加到S4、S1上使其承受反压而关断，电流从S1、S4转移到S3、S2。
触发S2、S3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。
强迫换流
设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流（ForcedCommutation）。
通常利用附加电容上储存的能量来实现，也称为电容换流。
直接耦合式强迫换流——由换流电路内电容提供换流电压。
VT通态时，先给电容C充电。
合上S就可使晶闸管被施加反压而关断。
图2-4直接耦合式强迫换流原理图
电感耦合式强迫换流——通过换流电路内电容和电感耦合提供换流电压或换流电流。
两种电感耦合式强迫换流：
图2-5a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断。
图2-5b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断。
图2-5电感耦合式强迫换流原理图
给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流也叫电压换流（图2-4）。
先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反压的换流叫电流换流（图2-5）。
当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。
2.3.4电压型逆变器
逆变器按其直流电源性质不同分为两种：
电压型逆变电路或电压源型逆变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。
图2-6电压型逆变电路举例（全桥逆变电路）
电压型逆变电路有以下特点：
（1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。
（2）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。
（3）阻感负载时需提供无功。
为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。
1、单相半桥逆变电路
工作原理：
V1和V2栅极信号在一个周期内各有半周正偏、半周反偏，且二者互补。
当负载为感性时，其工作波形如图2-7b所示。
输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，输出电流io波形随负载而异。
当V1或V2为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当VD1或VD2为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈。
VD1、VD2称为反馈二极管，还使负载电流连续，因而又称续流二极管。
图2-7单相半桥电压型逆变电路及其工作波形
优点：
简单，使用器件少。
缺点：
输出交流电压的幅值Um仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。
常用于几千瓦以下的小功率逆变电源。
单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。
2、全桥逆变电路
电压型全桥逆变电路如图2-8a可以看成由两个半桥电路的组合而成。
把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°。
输出电压uo波形和图2-8b的半桥电路的波形uo形状相同，但其幅值高出一倍，Um=Ud。
输出电流io波形和图2-8b中的i0形状相同，幅值增加一倍，
输出电压波形的的定量分析：
把幅值为Ud的矩形波u0展开成傅里叶级数得
其中，基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为
上述公式对于半桥逆变电路也是适用的，只是式中的Ud要换成Ud/2。
uo为正负电压各180°的脉冲时，要改变输出电压有效值只能改变直流电压Ud来实现。
在阻感负载时，还可以采用移相的方式来调节逆变电路的输出电压，这种方式成为移相调压。
移相调压实际上就是调节输出电压脉冲的宽度。
在图2-6a的单相全桥逆变电路中，各IGBT的栅极信号为180°正偏，180°反偏，且V1和V2的栅极信号互补，V3和V4的栅极信号互补。
V3的基极信号比V1落后θ（0<θ<180°），V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移了180°－θ，输出电压uo是正负各为的脉冲，改变θ即可调节输出电压有效值。
各IGBT的栅极信号uG1~uG4及输出电压
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