基于51单片机的逆变电源的设计.doc

任务书毕业设计(论文)题 目： 基于51单片机的逆变电源设计 学 生： 学院(系)： 电子信息学院 专业班级： 电气 指导教师： 叶刚 辅导教师： 叶刚 时 间： 120学时 =任务书批准日期 年 月 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 年 月 日 指导教师(签字) 完成任务日期 年 月 日 学生（签名） VII长江大学毕业设计开题报告题 目 名 称 基于51单片机的逆变电源设计 院 （系） 电子信息学院 专 业 班 级 电气10704 学 生 姓 名 陈慧 指 导 教 师 叶刚 辅 导 教 师 叶刚 开题报告日期 2011年3月11日 基于51单片机的逆变电源设计学生：陈慧，电子信息学院指导教师：叶刚，电子信息学院一、题目来源实验室建设 二、研究目的和意义逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。随着电力电子技术的发展， 逆变电源的应用越来越广泛，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域。相应的应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求， 因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。逆变电源技术是一门综合性的专业技术，逆变电源作为一种产生交流电的装置，它具有以下优点：变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电；变相，逆变电源能将单相交流电转换为三相交流电，也能将三相交流电转换为单相交流电；逆变电源能将直流电转换为交流电；逆变电源能将低质量的市电转换为高质量的稳压稳频的交流电。21世纪是能源与环保的世纪。能源的开发、资源的利用与环境保护相互协调的发展，是21世纪世界经济发展的基础。在这个世纪里，节省能源与开发新能源，提高燃料的利用率与减少燃料产生的污染已成为必须要解决的重要课题。尤其其中的逆变技术，它的作用是从市电电网上得到已遭污染的定压定频交流“粗电能”，或从蓄电池、太阳能电池、燃料电池等得到的电能质量比较差的直流原始电能，变换成电能质量较高、较能满足用户负载对电压和频率要求的交流电能。鉴于逆变电源优点很多，逆变电源将逐渐取代旋转型变流机组。随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直接用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。逆变就是对电能进行变换和控制的一种基本形式，它完成将直流电变换成交流电的功能。现代逆变技术是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的学科，这门学科综合了现代电力电子开关器件技术、现代功率变换技术、模拟和数字电子技术、PWM技术、开关电源技术和现代控制技术等多种实用设计技术，已被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。早期的变频电源，只需要其输出电压、频率可调即可，然而，今天的变频电源除这些要求外，还必须环保无污染，即绿色环保变频电源。因而高性能的变频电源必须满足:(l)高的输入功率因数，低的输出阻抗；(2)快速的暂态响应，稳态精度高;(3)稳定性高，效率高，可靠性高；(4)低的电磁干扰；(5)智能化。由于传统的变频电源采用模拟控制技术，难以实现上述要求。因而，研究数字化控制技术的绿色变频电源技术，对当今提出的“节能、高效、绿色、环保”工业口号的实现具有重要意义。三、阅读的主要参考文献及资料名称1 魏伟. 正弦波逆变电源的研究现状与发展趋势J. 电气技术, 2008,(11)2 谈扬宁,朱兆优,王海涛.基于PICFxx单片机控制的正弦波逆变电源J. 电子元器件应用, 2009,(08) 3 杨庆江,李晔,包西平. 一种应用于独立光伏系统的新型逆变器J. 太阳能, 2007,(01) 4 赵建武. 单相SPWM逆变电源仿真设计J. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2008,(03) .5 张竹,张代润,何易桓,王超. 一种多功能逆变电源的设计与实现J. 电源世界, 2009,(01) .四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20 世纪60 年代，到目前为止，它已经历了三个发展阶段。第一代逆变电源是采用晶闸管(SCR)作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转型变流机组，但由于SCR 是一种没有自关断能力的器件，因此必须增加换流电路来强迫关断SCR，但换流电路复杂、噪声大、体积大、效率低等原因却限制了逆变电源的进一步发展。第二代逆变电源是采用自关断器件作为逆变器的开关器件。自20 世纪70 年代后期，各种自关断器件相运而生，它们包括可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能，逆变器采用自关断器件的好处是：简化了主电路。由于自关断器件不需要换流电路，因而主电路得以简化、成本降低、可靠性提高；提高了性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而使逆变桥输出电压中低次谐波含量大大降低，因而使输出滤波器的尺寸得以减小，逆变电源的动态特性及对非线性负载的适应性也得以提高。在自关断器件当中，IGBT以其开关频率高、通态压降小、驱动功率小、模块的电压电流等级高等优点已成为中小功率逆变器的首选器件。IGBT逆变电源已成为中小型逆变电源的主流。第二代逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的S P W M 控制技术。第二代逆变电源所采用的控制方法具有结构简单、容易实现的优点，但由于它所采用的S P W M 控制技术只注重如何通过恰当设计开关模式来实现逆变器输出频谱的优化，没有考虑信号传输过程中开关点的变化及负载的影响，所以存在以下缺点：对非线性负载的适应性不强。当逆变电源输出带非线性负载时，负载电流中的低次谐波电流将流过电源的内阻，引起输出电压波形畸变；死区时间的存在将使S P W M 波中含有不易滤掉的低次谐波，使输出电压波形发生畸变；动态特性不好。负载突变时输出电压调整时间长。之所以出现这种情况，是因为系统中仅存在电压平均值或有效值反馈，而没有瞬时值反馈；给定电压与输出电压之间的相位差受负载影响较大，在三相电源中，三相输出之间的相差不易满足120要求。第三代逆变电源采用了实时反馈控制技术，使逆变电源的性能得到提高。实时反馈控制技术是针对第二代逆变电源对非线性负载的适应性不强及动态特性不好的缺点提出来的，它是近十年来发展起来的新型电源控制技术，目前仍在不断地完善和发展之中，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。实时反馈控制技术多种多样，主要有以下几种5-9：重复控制；谐波补偿控制；无差拍控制；单一的电压瞬时值控制；带电流内环的电压瞬时值反馈控制。其中以第五种控制方法因实现方便，逆变电源动态性能优越和对负载的适应性强等优点而被广泛采用。五、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路1、主要研究内容设计逆变主电路，控制电路，采用51单片机进行软件设计及仿真，我选用单相SPWM正弦波逆变电源下图是系统结构图：输出单片机产生SPWMIR2110驱动电路逆变电路整流电路输入图 1 系统结构图 2、重点问题及解决思路首先是主电路的设计，选择合适的电路和器件类型很重要，参数要求也要尽量达到，需要仔细计算，我会参考已有的设计互相比较选择较好的电路。图 1 逆变器的主电路图其次是开关管驱动信号的形成，通过深入学习其调制方法原理选择合适的驱动信号。 图 2 SPWM波形最后是单片机的型号选择和proteus仿真，控制电路的设置对这方面很重要，反复尝试，反复调试以达到要求。六、完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件工具书：电力电子技术，单片机原理实用教程，网络文献等。计算机辅助设计：Proteus仿真软件等。七、工作的主要阶段、进度与时间安排2011年02月25日03月11日：根据指导老师下达的毕业设计任务书，确定论文的主要内容并写好开题报告，交给指导老师。2011年03月12日05月20日：在现有的基础条件下，定期和指导老师联系，进行课题设计论文的写作，完成初稿，并交给指导老师评定。2011年05月25日05月31日：根据指导老师的修改意见修改设计，并根据标准的设计论文格式打印论文修改稿，交给指导老师评定。2011年06月01日06月10日：通过指导老师评定，毕业设计论文定稿毕业设计论文要求装订完毕。并充分准备，进行毕业答辩。八、指导教师审查意见长江大学毕业设计(论文)指导教师审查意见学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目指导教师职 称评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见： 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业设计(论文)评阅教师评语学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分答辩记录及成绩评定毕业设计（论文）答辩记录及成绩评定学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)V基于51单片机的逆变电源设计学 生：陈慧 电子信息学院指导老师：叶刚 电子信息学院【摘要】逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。随着电力电子技术的发展，逆变电源的应用越来越广泛，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。与此同时应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求， 因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。随着数字信号处理技术的发展，以SPWM控制方式设计的逆变电源越来越受到青睐。本论文叙述的就是一种基于51系列单片机设计的SPWM逆变电源。该电源以18 V直流电压为输入，通过升压环节与SPWM逆变环节，得到了设定频率与电压的优质正弦交流电。它采用MOSFET 作为功率器件，IR2110 作为MOSFET 的驱动芯片，并采用恒 U/F 的控制策略;逆变部分采用单片机数字化SPWM控制方式，以尽可能地减少谐波。由于采用了基于单片机的数字化技术,使得电源调节灵活、性能可靠,为性能要求高的仪器设备提供了一种高品质的交流电源。【关键字】 逆变电源 SPWM 单片机 1The design of the inverter power based on 51 single-chip microcomputerStudent: Chen Hui Electronics Information CollegeTeacher: Ye Gang Electronics Information College【Abstract】Inverter is a kind of using power electronic technology for electric power transformation device,it from ac or dc Input voltage of exchange obtained constant frequency output. With the development of the power electronic technology, the application of inverter power supply is more and more extensive,it across the electric power, electron, microprocessor and automatic control multi-disciplinary field, is one of the hotspots of the power electronics industry and scientific research. Meanwhile application system subsequently put the output voltage waveform characteristics of inverter power supply forward more and more high demand, because the power output waveform quality directly relates to the whole system safety and reliability index.Along with the digital signal processing technology development, the control mode design with SPWM inverter power supply more and more be favorred.This article describes a SPWM inverter power supply based on the 51 series microcontroller. The power input is 18 V dc voltage, through pressurization link and SPWM inverter link, got sinusoidal alternating current of the proset frequency and setting quality voltage. It uses MOSFET as power devices, IR2110 as drive chip, and the MOSFET using constant U/F control strategy; The inverter part adopts single-chip microcomputer digital SPWM control mode, to reduce the harmonic as possible. Because of the use of digital technology based on single chip, makes power adjustment flexible and reliable performance, for the equipment of high performance requirements provides a high quality ac power.【 Keywords】 inverter power SPWM singlechip基于51单片机的逆变电源设计1 前言逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置。随着电力电子技术的发展，逆变电源的应用越来越广泛，但应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求，因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。随着现代科技的发展, 逆变电源广泛应用到各行各业,进而对其性能提出了更高的要求。传统的逆变电源多为模拟控制或数字相结合的控制系统。好的逆变电源电压输出波形主要包括稳态精度高, 动态性能好等方面。目前逆变器结构和控制, 能得到良好的正弦输出电压波形, 但对突变较快的波形, 效果不是很理想。随着数字信号处理技术的发展，以SPWM控制方式设计的逆变电源越来越受到青睐。本文介绍的SPWM逆变电源就是采用51单片机来实现SPWM控制和正弦波方式输出，而且电路简单，性能安全可靠，灵活性强，同时可以降低谐波，提高效率。第1页（共34页）基于51单片机的逆变电源设计2 选题背景2.1 目的和意义逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置，它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。随着电力电子技术的发展， 逆变电源的应用越来越广泛，它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域，是目前电力电子产业和科研的热点之一。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域。相应的应用系统对逆变电源的输出电压波形特性也随之提出了越来越高的要求， 因为电源的输出波形质量直接关系到整个系统的安全和可靠性指标。逆变电源技术是一门综合性的专业技术，逆变电源作为一种产生交流电的装置，它具有以下优点：变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电；变相，逆变电源能将单相交流电转换为三相交流电，也能将三相交流电转换为单相交流电；逆变电源能将直流电转换为交流电；逆变电源能将低质量的市电转换为高质量的稳压稳频的交流电。21世纪是能源与环保的世纪。能源的开发、资源的利用与环境保护相互协调的发展，是21世纪世界经济发展的基础。在这个世纪里，节省能源与开发新能源，提高燃料的利用率与减少燃料产生的污染已成为必须要解决的重要课题。尤其其中的逆变技术，它的作用是从市电电网上得到已遭污染的定压定频交流“粗电能”，或从蓄电池、太阳能电池、燃料电池等得到的电能质量比较差的直流原始电能，变换成电能质量较高、较能满足用户负载对电压和频率要求的交流电能。鉴于逆变电源优点很多，逆变电源将逐渐取代旋转型变流机组。随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直接用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。逆变就是对电能进行变换和控制的一种基本形式，它完成将直流电变换成交流电的功能。现代逆变技术是研究现代逆变电路的理论和应用设计方法的学科，这门学科综合了现代电力电子开关器件技术、现代功率变换技术、模拟和数字电子技术、PWM技术、开关电源技术和现代控制技术等多种实用设计技术，已被广泛的用于工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。早期的变频电源，只需要其输出电压、频率可调即可，然而，今天的变频电源除这些要求外，还必须环保无污染，即绿色环保变频电源。因而高性能的变频电源必须第2页（共35页）满足:(l)高的输入功率因数，低的输出阻抗；(2)快速的暂态响应，稳态精度高;(3)稳定性高，效率高，可靠性高；(4)低的电磁干扰；(5)智能化。由于传统的变频电源采用模拟控制技术，难以实现上述要求。因而，研究数字化控制技术的绿色变频电源技术，对当今提出的“节能、高效、绿色、环保”工业口号的实现具有重要意义。2.2 现阶段发展状况逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20 世纪60 年代，到目前为止，它已经历了三个发展阶段。第一代逆变电源是采用晶闸管(SCR)作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转型变流机组，但由于SCR 是一种没有自关断能力的器件，因此必须增加换流电路来强迫关断SCR，但换流电路复杂、噪声大、体积大、效率低等原因却限制了逆变电源的进一步发展。第二代逆变电源是采用自关断器件作为逆变器的开关器件。自20 世纪70 年代后期，各种自关断器件相运而生，它们包括可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能，逆变器采用自关断器件的好处是：简化了主电路。由于自关断器件不需要换流电路，因而主电路得以简化、成本降低、可靠性提高；提高了性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而使逆变桥输出电压中低次谐波含量大大降低，因而使输出滤波器的尺寸得以减小，逆变电源的动态特性及对非线性负载的适应性也得以提高。在自关断器件当中，IGBT以其开关频率高、通态压降小、驱动功率小、模块的电压电流等级高等优点已成为中小功率逆变器的首选器件。IGBT逆变电源已成为中小型逆变电源的主流。第二代逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的S P W M 控制技术。第二代逆变电源所采用的控制方法具有结构简单、容易实现的优点，但由于它所采用的S P W M 控制技术只注重如何通过恰当设计开关模式来实现逆变器输出频谱的优化，没有考虑信号传输过程中开关点的变化及负载的影响，所以存在以下缺点：对非线性负载的适应性不强。当逆变电源输出带非线性负载时，负载电流中的低次谐波电流将流过电源的内阻，引起输出电压波形畸变；死区时间的存在将使S P W M 波中含有不易滤掉的低次谐波，使输出电压波形发生畸变；动态特性不好。负载突变时输出电压调整时间长。之所以出现这种情况，是因为系统中仅存在电压平均值或有效值反馈，而没有瞬时值反馈；给定电压与输出电压之间的相位差受负载影响较大，在三相电源中，三相输出之间的相差不易满足120要求。第三代逆变电源采用了实时反馈控制技术，使逆变电源的性能得到提高。实时反馈控制技术是针对第二代逆变电源对非线性负载的适应性不强及动态特性不好的缺点提出来的，它是近十年来发展起来的新型电源控制技术，目前仍在不断地完善和发展之中，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。实时反馈控制技术多种多样，主要有以下几种5-9：重复控制；谐波补偿控制；无差拍控制；单一的电压瞬时值控制；带电流内环的电压瞬时值反馈控制。其中以第五种控制方法因实现方便，逆变电源动态性能优越和对负载的适应性强等优点而被广泛采用。2.3 发展趋势及主要问题一、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。二、变频电源数字化发展存在的难点数字化是变频电源发展的主要方向，但还是需要解决一下难题:(l) 变频电源输出要跟踪的是一个按正弦规律变化的给定信号，它不同于一般的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) 变频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) 变频电源电力电子变换装置是一个离散的、耦合的、非线性的动态系统。要满足负载对电源的静态指标和动态指标要求，一般地将电力电子变换装置设计成一个闭环自动控制系统。工程技术人员对线性系统的校正与综合比较熟悉，对这样的系统第5页（共35页）控制有些力不从心。因此，如果能建立系统的数学模型，特别是从控制到输出之间的传递函数，则有助于工程技术人员的设计和系统分析，减少盲目选择参数的调试时间，解决本质非线性系统的线性控制问题。2.4 指导思想及技术要求逆变电源主电路选用单相全桥逆变电路，采用51单片机来实现SPWM数字化调制控制，该电源调节灵活，性能稳定可靠，效果很好。技术要求：（1）具有最大功率点跟踪（MPPT）功能：RS和RL在给定范围内变化时，使，相对偏差的绝对值不大于1%。（2）具有频率跟踪功能：当fREF在给定范围内变化时，使uF的频率fF=fREF，相对偏差绝对值不大于1%。（3）当RS=RL=30时，DC-AC变换器的效率60%。（4）当RS=RL=30时，输出电压uo的失真度THD5%。 （5）具有输入欠压保护功能，动作电压Ud(th)=(250.5) V。（6）具有输出过流保护功能，动作电流Io(th)=(1.50.2) A。3 总体方案设计3.1 设计思路逆变电源的主电路基本就是有整流器，逆变器，变压器，LC滤波器组成。图 3.1 典型的逆变电源主电路3.2 逆变电路的选择与方案论证3.2.1逆变电路有很多种分类：按输出电能的去向分，可分为有源逆变电路和无源逆变电路。前者输出的电能不返回公共交流电网，后者输出的电能直接输向用电设备。按直流电源性质可分为由电压型直流电源供电的电压型逆变电路和由电流型直流电源供电的电流型逆变电路。按主电路的器件分，可分为：由具有自关断能力的全控型器件组成的全控型逆变电路；由无关断能力的半控型器件（如普通晶闸管）组成的半控型逆变电路。半控型逆变电路必须利用换流电压以关断退出导通的器件。若换流电压取自逆变负载端，称为负载换流式逆变电路。这种电路仅适用于容性负载;对于非容性负载,换流电压必须由附设的专门换流电路产生，称自换流式逆变电路。按电流波形分，可分为正弦逆变电路和非正弦逆变电路。前者开关器件中的电流为正弦波，其开关损耗较小，宜工作于较高频率。后者开关器件电流为非正弦波，因其开关损耗较大，故工作频率较正弦逆变电路低。按输出相数可分为单相逆变电路和多相逆变电路。根据设计要求，我希望获得正弦交流电压输出，在我们电力电子的学习中，我们着重学习的是电压型单相逆变电路，我对这方面也比较熟悉，故选择电压型单相逆变电路。3.2.2逆变电路的基本工作原理图 3.2.1 单相桥式逆变电路工作原理第7页（共35页）开关T1、T4闭合，T2、T3断开：u0=Ud；开关T1、T4断开，T2、T3闭合：u0=Ud；当以频率fS交替切换开关T1、T4和T2、T3时，则在电阻R上获得如图4.2.4(b)所示的交变电压波形，其周期Ts=1/fS，这样，就将直流电压E变成了交流电压uo。uo含有各次谐波，如果想得到正弦波电压，则可通过滤波器滤波获得。1.电压型单相半桥逆变电路电压型半桥逆变电路结构及波形：它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容C1和C2，且满足C1=C2。设感性负载连接在A、0两点间。T1和T2之间存在死区时间，以避免上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱动信号。输出的电压有效值为： 由傅里叶分析，输出电压瞬时值为: 其中， 为输出电压角频率。 图 3.1.2 单相半桥电路及波形 当 n=1时其基波分量的有效值为: 电压型半桥逆变电路工作原理在一个周期内，电力晶体管T1和T2的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。若负载为阻感负载，设t2时刻以前，T1有驱动信号导通，T2截止，则 u0=Ud/2。t2时刻关断的T1，同时给T2发出导通信号。由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，于是D2导通续流，u0=Ud /2 。t3时刻i。降至零，D2截止，T2导通，i。开始反向增大，此时仍然有u0=Ud /2 。在t4时刻关断T2，同时给T1发出导通信号，由于感性负载中的电流i。不能立即改变方向，D1先导通续流，此时仍然有u0=Ud /2 ；t5时刻 i。降至零， T1导通，u0=Ud /2 ；优点： 简单，使用器件少；缺点：1）交流电压幅值仅为Ud/2；2）直流侧需分压电容器；3）为了使负载电压接近正弦波通常在输出端要接LC滤波器，输出滤波器LC滤除逆变器输出电压中的高次谐波。 一般用于几kW以下的小功率逆变电源；2.电压型单相全桥逆变电路电路的工作过程：全控型开关器件T1和T4构成一对桥臂，T2和T3构成一对桥臂, T1和T4同时通、断；T2和T3同时通、断。T1(T)4与T2(T3)的驱动信号互补，即T1和T4有驱动信号时，T2和T3无驱动信号，反之亦然，两对桥臂各交替导通180。电路结构及波形输出方波电压瞬时值： 输出方波电压有效值： 基波分量的有效值：图 3.2.3 单相全桥电路及波形 输出方波电压瞬时值：第9页（共35页）输出方波电压有效值：基波分量的有效值：同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。在电压的利用率方面考虑，采用全桥逆变较好，故主电路采用电压型单相全桥逆变电路。3.3 调制信号选择及方案论证在逆变电源中，主要的控制部分是对逆变电路中全控型元件开关的调制，以实现输出波形的数字化频率调制。SPWM控制技术是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM控制技术，它有如下主要优点。（1） PWM实现起来比较方便，可是用模拟或数字技术来实现；（2） 可以大幅降低输出谐波含量，尤其是低频纹波，它的谐波主要集中在载波频率的K倍的位置，谐波频率较高，因此滤波器设计容易，实现成本较低；（3） 对于多电平变换器，调制比可以在所有的工作范围内变化；（4） 在载波中加入合适的零序列，可以较好的平衡重点电位。本设计的逆变电源是基于51单片机实现的，单片机可以实现数字调制SPWM波。所以采用SPWM技术既方便又有很好的效果。3.3.1 SPWM调制基本原理 SPWM法就是用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。2.SPWM的实现方法在采样控制理论中有一个重要的结论：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。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。即当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，第10页（共35页）其输出响应基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。把图2-1a的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到图2-1b所示的脉冲序列,这就是PWM波形。可以看出各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦波规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形。要改变等效输出的正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。 图3.1.2-1 用PWM波代替正弦半波 3.3.2 SPWM的实现方法SPWM波的实现方法分为计算法和调制法。一、计算法是给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，SPWM波形中各脉冲的宽度和时间间隔可以准确计算出来。按照计算的结果控制逆变电路中各个开关器件的通断，以便得到所需要的PWM波。二、调制法是把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中第11页（共35页）开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。在实际应用中可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波形。由于计算法较繁琐，计算量大，较少使用。而模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。因此，目前SPWM波形的生成和控制多用微机来实现。下面介绍几种常用的用软件生成SPWM波形的算法，并分析它们的特点。1 自然采样法在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断，称为自然采样法。正弦波在不同相位角时值不同，因而与三角波相交所得到的脉冲宽度不同。可知这种算法计算量比较大，需花费较多的时间，因而难以在微处理器中实现。2 规则采样法规则采样法分为对称规则采样法和不对称规则采样法，下面简述之。（1）对称规则采样法对称规则采样法是以每个三角波的对称轴（顶点对称轴或低点对称轴）所对应的时间作为采样时