新型智能逆变电源系统设计Word格式文档下载.docx
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从高电压、大电流的GTO到高频率、多功能的STT，其工作频率己从数千赫兹到数兆赫兹，这标志着电力电子技术已经进入高频化时代。
目前，GTO的工作频率可达2kHz，GTR可达5kHz，功率MOSFET可达数百KHZ,SIT则可达10MHz以上。
（3）全控化。
电力电子器件实现全控化，即自关断，是电力电子器件在功能上的重大突破。
无论是双极型的GTO、GTR、SITH或单极型的MOSFET、SIT以及混合型的IGBT、MCT等，都实现了全控化，从而避免了传统电力电子器件关断时所需的强迫换相电路。
（4）控制电路弱电化、控制技术数字化。
全控型器件的高频化促进了电力电子控制电路的弱电化。
PWM电路、谐振变流电路以及高频斩波电路，这些本来用于弱电领域的电路如今又成为电力电子电路的主要形式。
控制这些电路的技术也逐步数字化。
常用逆变器基本形式有以下凡种分类方法:
按照相数分类，可分为单相逆变器和三相逆变器;
按照直流侧电源性质可分为电压型逆变器和电流型逆变器;
按照输出波形可分为正弦波逆变器和非正弦波逆变器;
按照输出能量的去向可分为有源逆变和无源逆变;
按照逆变器主电路的形式可以分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变;
按控制分类，可分为调频式（PFM）逆变和调脉宽式（PWM）逆变。
有源逆变常用于直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机的串级调速和高压直流输电等方面。
无源逆变应用十分广泛，在已有的各种电源中，蓄电池、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通过无源逆变电路。
另外工业用的变频变压电源、恒频恒压电源、感应加热用交流电源中和空调、冰箱等家用电中也有广泛应用。
根据先进国家90年代的统计资料，超过60%以上的电能是经过电力电子技术处理变换后才使用的，而逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。
在将来工业高度自动化的情况下，计算机技术、自动控制技术以及以正弦波逆变为最重要部分的电力电子技术将成为最重要的技术。
1.2逆变电源的发展方向
电源系统是现代电子设备不可或缺的重要组成部分。
1969年诞生的逆变电
源可靠性高、稳定性好、调节特性优良、而且体积小、重量轻、功耗低，在电
子和电气领域得到了极其广泛的应用。
随着电力电子技术的飞速发展和各行各
业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，对电源性能的要求越来越高。
许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的交流电作为电源，而是通过各种形式对电网交流电进行交换，从而得到各自所需要的电能形式。
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，逆变电源技术均处于核心地位。
近年来，现代逆变电源技术的发展主要表现出以下几种趋势:
1.高频化
理论分析和实践经验表明:
电器产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。
所以当我们把频率从工频SDHz提高到20khz，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的其主要材料可以节约90%甚至更高，还可以节电30%甚至更多。
由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态，原材料消耗显著降低、电源装置小型化、系统的动态反应加快，更可以深刻体现技术含量的价值。
2.模块化
模块化有两方面的含义，其一是功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。
我们常见的器件模块，含有一单元，两单元，六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块（SPM）。
近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也集成到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块（IPM），不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。
有些制造商开发了“用户专用”功率模块（ASPM），它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高了系统的可靠性。
另外，大功率的开关电源，由于器件容量的限制和增加冗余、提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块电源并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其他模块再平均分担负载电力。
这样，不但提高了功率容量，在器件容量有限的情况下满足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为电源修复提供充分的时间。
3.数字化
现在数字式信号，数字电路越来越重要，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。
4.绿色化
随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色电源的呼声越来越高。
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，所以节电就可以减少对环境的污染;
其次这些电源不能对电网产生污染。
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。
5.并机冗余技术
当今对供电系统的要求趋势一个是高可靠性，一个是大功率化，这两者都与电源的并联运行控制密切相关。
并联运行主要有以下三个好处:
第一:
可以用来灵活的扩大逆变电源系统的容量:
第二，可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性;
第三，具有极高的系统可维修性能，在逆变器出现故障时，可以很方便的进行热拔更换或维修。
因为，这样的并联运行系统在各种应用领域得到了广泛的推广和应用。
当前，并联控制方式一般分为集中控制、主从控制、分散逻辑控制和无线独立控制四种方案。
1.3论文的主要内容
随着现代科技的发展，对于通信系统、信号系统、电力监控系统、计费系统、计算机网络等一类高端用电设备日益增多，这类设备对供电电源的平稳性、波形等质量要求很高，本论文就是设计这样一种新型的智能逆变电源。
第一章以概述的方式说明现代逆变电源技术发展以及现状；
第二章对逆变电源的基本原理和结构进行比较相信的阐述；
第三章对逆变电源的PWM的控制策略进行了介绍；
第四章对设计出来的逆变电源各个部分以及控制系统进行了相信分析；
第五章主要内容是控制系统的软件设计。
2逆变电源的基本原理和结构
逆变电源的构成除了包括逆变电路和控制电路外，还要有输入、输出电路，辅助电路和保护电路，基本的结构框架和关系如下。
图2.1逆变系统结构框图
2.1输入电路
逆变电源主回路输入可以是直流电或者交流电。
当输入是直流电时，一般来自直流电源、蓄电池、直流发电机等等。
如果输入的直流电波动较大，可以增加电容滤波电路或者通过电压预调整电路或者稳压等。
当输入是交流电时，除了在交流进线侧考虑EMI滤波处理外，还需要整流和滤波，以获得合适的直流电。
总之，输入回路的输出是满足一定条件的直流电。
2.2输出回路
输出回路将逆变器变换的交流电作出进一步处理，以得到谐波量小的交流输出。
该部分电路一般由低通滤波电路组成，当输出侧有变压器时，也可以利用变压器的电感进行滤波。
根据对逆变器输出地性能要求，逆变器输出有开环控制和闭环控制两类，当逆变系统是开环控制时，控制系统不对输出大小进行调节，因而不需要输出电路的反馈信号，这是其输出可能会随着负载或者输入电压的变化而变化。
而闭环系统则需要输出电路的反馈量，根据其实际输出大小和给定之间的误差来实时调节，使其输出保持稳定。
2.3控制电路
控制电路的功能是按要求调解并产生一系列控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，从而配合逆变的主电路完成逆变功能。
逆变控制电路的形式多种多样，从大的方面分为模拟电路和数字电路。
以下给出了控制系统的结构框图和某逆变器的数字控制电路基本框图。
后者是：
数字信号输入和模拟信号输入指各种反馈量，以及保护、检测量等信号，单片机检测到各种信号后根据预先设定的程序或控制策略进行计算，然后通过数模输出控制信号，经放大后控制高频电力电子电路来实现DC-AC变换，交流输出经变压器变换后即可得到所需的交流电。
Vref
DC
图2.2逆变器的数字控制电路基本框图
2.4逆变电路
这部分电路时逆变电源的主体部分，主要有各种开关器件组成，用来实现主要的DC-AC变换。
下面是一个三相三桥臂电路的基本框图。
直流输入VDC经开关器件组成的桥式逆变后输出三相交流电。
该逆变电路较适用于三相对称负荷场所。
图2.3三相逆变电路基本框图
2.5辅助和保护电路
辅助电路包括控制系统所需的各种电源、显示等电路。
保护电路的主要保护功能包括：
输入过压、欠电压保护；
输出过载、短路保护；
开关管超温保护；
完善的保护能确保逆变系统稳定、安全和可靠工作的保障。
2.6控制策略
有了控制电路和逆变电路，还需合适的控制策略来实现具体的DC-AC转换。
输入量Vi送到逆变电路后变换为输出Vo,为了保证逆变电路输出的稳定，降低输出的谐波含量，一般对逆变电路中开关管进行高频PWM控制，通过调整PWM波的占空比来进行调节输出的大小。
控制电路根据实际输出量与给定参考量的误差进行调节，控制PWM发生器的占空比，并结合保护电路对逆变电路的开关管进行控制，使输出电压达到参考电压值。
随着PWM工作频率的提高，逆变电路中的磁性元件体积会缩小，电路滤波电感和电容的参数也可以减少，因而逆变电路的功率密度会提高。
在逆变电源控制系统中的PWM调制信号一般是由三角形载波和正弦调制波经比较器比较后产生的，称为SPWM调制,其中正弦调制波的大小由参考电压Vref和输出反馈的误差信号经调节器运算后产生，驱动逆变电路的开关管工作在高频PWM状态。
采用PWM控制技术的主要目的之一是为了解决逆变电源输出地谐波问题，高频PWM控制不仅可以有效地减少输出电压的谐波含量，而且可以方便的调节输出电压的大小。
而PWM产生的方法也是多种多样的，采用模拟方式来实现PWM控制具有电路简单的优点，但控制策略不容易更改，且存在诸如受参数影响大，调节比较困难和稳定性不好等缺点。
采用单片机技术实现PWM控制则能有效的避免模拟电路的上述缺陷，比较突出的优点是：
基于单片机控制的逆变电源在控制策略的选取、更改上有较大的自由度。
通过采取适当饿控制策略，能不断提高该类逆变电源的性能，也大大延长了其生命力。
3逆变电源的PWM控制策略
随着全控型开关器件的出现并广泛应用，PWM技术就成为电力电子技术中十分重要的控制策略，PWM的产生与实现方法也层出不穷。
归纳起来，PWM的实现方法大致可以分为：
载波比较法、采样法、空间矢量法、谐波消除法等。
由于采用了PEM控制策略，故可以方便的调节逆变电源的输出电压大小，且可以以有效地减低逆变电源的输出谐波含量。
采样法常用语数字控制技术中，为了实现数字控制，必须将来内需变化的正弦波控制信号通过采样来离散化处理，使载波和控制波均处理成为数值量后再进行计算比较，产生PWM波。
采样控制理论中有一条重要结论:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节输入时，其输出效果基本相同。
这里所说的冲量是指窄脉冲的面积，俗称“伏秒积”，效果基本相同是指输出响应的波形基本相同。
把输出波形进行傅立叶变换分析，其低频段特性非常接近，仅在高频段有差异。
这个理论是PWM控制的理论基础。
把一个正弦半波分成N等份，采用规则采样法（常用的也有自然采样法等，但规则采样法更适用于数字控制，计算简便），把每一等份的正弦曲线与横轴包围的面积用与它面积相等的等高不等宽的矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合。
根据冲量相等效果相同的原理，这样的一系列矩形脉冲与正弦半波是等效的。
对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。
像这样脉冲的宽度按照正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，就是SPWM（SinusoidaPWM）控制的理论基础。
全桥逆变器的控制脉冲按SPWM调制方式，有单极性、双极性和单极性倍频调制三种。
（l）双极性SPEM调制
全桥逆变器采用双极性PWM控制方式时，见下图。
载波为全波三角波。
用正弦波与三角波进行比较，正弦波大于三角波的部分，输出为正脉冲，小于部分输出负脉冲。
在开关切换时，负载端电压极性非正即负，电流变化率较大，对外部干扰较强。
负载端电压脉冲列是由不同宽度调制的正负直流电压组成。
图3.1双极性SPEM原理波形
（2）单极性PWM调制
采用单极性控制时，在正弦波的半个周期内，其电压输出幅值为单极性，在开关状态切换时，负载端电压先变为零，负载电流在零电压卞自然续流衰减，在控制时间到时再恢复翰出直流电压，其半周期的脉冲列是由零和正（负）直流电压组成。
该控制方式的特点是功率开关管承受的电压应力较小，电流变化率小，功耗也要小，因此对系统及外部设备千扰小。
（3）单极性倍频SPWM调制
4逆变电源及其控制系统电路分析
逆变电源主电路图如
图4.1逆变电源主电路原理图
由4个IGBT开关器件组成全桥逆变电路，采用一片IR2110驱动芯片实现自举式浮充驱动方式，结合浮充电容和快速恢复二极管，可以在一个驱动电源的条件下实现同一个桥臂上两个开关管的驱动，节省驱动电源数目。
逆变器在开关管的消谐PWM控制下，低阶谐波已经得到了有效控制，在输出通过一级LC低通滤波，便可以输出较为理想的正弦波电压。
在逆变电路直流输入侧取样电压和电流信号送到控制电流，可以实现输入过电压、欠电压、输出过电流、短路等保护功能。
以单片机为主的控制系统主要用来产生全桥逆变电路中开关管的驱动信号，并通过对线路电压和电流的实时采样来实现调节和保护。
经过主电路分压获得的逆变电路直流母线侧输入电压信号，经过一级有运算放大器组成的射极跟随器后，送到窗口比较器。
与设定的上下两个窗口阈值比较，如果窗口范围内则电压正常，负责输出过电压或欠电压故障信号；
串联在直流母线上的电流采样电阻，其两端电压送运算放大器放大和抗干扰滤波处理后，与设定的过电流阈值比较，监视逆变器的输出或内部电路是否过电流。
上述几种保护信号经过逻辑处理，送到单片机的外部中断请求输入脚，无论何种方式引起的故障信号，均可以向单片机提出中断请求，单片机响应中断，通过封锁所有开关管的驱动信号来实现保护，同时给出故障信号。
本实例选择以AT89C2051为主控制芯片，AT80C2051控制芯片是20引脚的小型CPU，具有15根I/O线、两个16位定时器、2KB存储器、128BRAM，是一种成本低、集成程度高的MCU芯片。
将逆变器输出频率给定值以编码的方式输入，CPU根据读入的输出频率代码确定应选择的消谐PWM控制数据，并通过内部定时控制，按此规定的PWM控制数据对开关器进行切换，从CPU的I/O端口逆变桥开关管的驱动信号，实现消谐控制。
4.1输入滤波、整流部分
该部分电路图如下图所示。
单相电源经R13、滤波电容C19、共模滤波电感和共模滤波电容C10、C11后，至整流桥，其中R22和C19组成差模滤波电路，而共模滤波电感和C10、C11构成共模滤波电路，输出地交流电经过R22、C19、共模滤波电感、C10、C11组成的、具有一定差模和共模抑制能力的EMI滤波器。
而整流部分由整流桥和滤波电容C12、C13组成。
而整流桥可将交流输入转换为直流电压，大电容C12、C13对直流输出电压进行滤波即可获得比较平稳的直流电压，作为后级逆变电路的输入电压.
图4.2逆变电路的输入滤波、整流部分
4.2电压和电流反馈测量部分
电压测量功能用作电压分压，及测量滤波、整流部分电路所属出的直流电压。
电流测量部分是采样电阻，由该电阻的压降来反映逆变电源主回路的电流大小。
电压测量信号由BH端子给出，而电流测量信号（实际上是与电流成正比的一个输出电压）由端子Y2和Y1输出，这些测量信号输出到逆变电源的控制系统部分，为控制系统进行整个电路正常工作提供电压反馈信号。
4.3电路电源部分
该部分电路如下图。
电路包括电感、整流桥、滤波电容和稳压器件（7805）构成线性电源。
这部分电路的作用给逆变电源的数字和模拟电路提供+15V和+5V的工作电压。
图4.3逆变系统的电源部分
电感的作用是将经EMI滤波后的交流信号隔离传送到整流桥，然后得到波动较大的直流电压，经过滤波电容C8稳压后得到较为稳定的+15V直流电压;
该+15V直流电压经稳压芯片7805稳压，并经过滤波电容C6、C7整形后得到稳定的+5V直流电压。
4.4驱动电路
驱动电路是根据控制系统的逻辑控制信号输出具有足够驱动能力的开关信号，使开关器件得到可靠的驱动信号而稳定工作。
分立的电阻、电容和二极管都是集成器件IR2110的辅助元件，采用IR2110作为驱动器件的原因还在于该芯片能实现自举式浮充驱动方式，即用一个电源就能可靠驱动同一桥臂上的两个开关器件。
以下对IR2110以及其自举式浮充驱动的原理进行进行详细介绍。
（1）IR2110芯片介绍IR2110的特点：
输出驱动隔离电压可达500V；
芯片自身的门输入驱动范围位10-20V；
输入端带施密特触发器；
可实现两路分立的驱动输出，可驱动高压高频器件，如IGBT、功率MOSFET等。
（2）自举式浮充驱动的原理根据以上对IR2110芯片的描述这里对自举式浮充驱动的原理说明。
在下图中，MOS管V1-V4为IR2110中输出端的4歌驱动管。
一般情况下，要驱动同一桥臂的上下两个开关管需要两个相互隔离的电源，但使用IR2110后，只需要一个电源即可。
其基本原理是：
由于V1和V2是互补驱动的，即V1、V2的驱动信号与V3、V4的驱动信号是相反的，这个容易做到。
当给V3、V4正的驱动信号时，V3导通，V4关闭，则VCC通过V3、R2驱动V2开关管导通工作。
当给V3、V4零驱动信号时，V3关断，切断V2的门极驱动，V4导通使V2处于关断状态。
此时，VCC通过VD1给电容C充电，使电容C储存足够的电荷，为开关管V1的驱动提供足够的驱动能量。
当给V1、V2正的驱动信号时，V1导通，V关断，C此时相当于一个电压源，通过V1、R1驱动开关管V1导通；
而当给V1、V2零驱动信号时，V1关断、V2导通，开关管V1则关断。
当V1导通时，BUS线上的主电压会串接再电容C上，使电容C的电位达到主电路电源电压值，该电压必须依靠非门DN1来阻断，因此二极管的反向耐压值高于主电路的直流母线电压。
图4.4IR2110的自举式浮充驱动的原理图
由此可知，自举电路必须在IR2110输人信号不断的高低电平变化中，且自举电容反复充、放电时，才能起到正常的自举作用，而当IR2110的输人信号是直流电平信号时，自举电容将不能完成电荷的储存，即不能得到正常的充电，因此也不能为高端二极管提供驱动信号。
如果不解决IR2110此功能的不足，则当电机负载实际工作在占空比为1，负载两端电压为零时，电机将停止工作；
同时也会给功率开关管带来很大的电流变化率，从而影响功率管的使用寿命和长期可靠性。
4.5逆变主电路
该部分电路如下图所示，主要实现DC-AC变换功能，电路包括：
开关器件V5、V8，二极管VD4-VD6、电阻R2、R3、VD8、VD10-VD12、电容C4-C6、C7、C9和主回路的电感L2和电容C18。
L2和C5是滤波电路。
另外每个开关器件都与一个由二极管、电阻和电容组成的缓冲电路并联，该缓冲电路是比较典型的RCD缓冲网络，实现逆变电路主开关管开关过程的缓冲。
图4.5逆变电路控制系统电路原理图
逆变电源主电路中的控制信号来自控制系统电路，包括UP和DN信号；
而主电路也产生一些反馈信号提供给控制电路，包括信号BH，与主电路电流成正比的电压信号Y1和Y2。
（1）单片机部分这部分电路是整个逆变电源的核心控制部分，包括单片机T1，晶振Y1和电容C7，该部分主要根据逆变电源主电路中的UP和DN反馈信号来控制整个逆变电源的工作。
该控制系统工作时，单片机由P3.0输出地的信号作为硬件“看门狗”芯片输入，在规定时间内，该信号必须变化一次，才恩能够保证“看门狗”芯片不会输出复位信号；
如果CPU因干扰或其他原因造成死机，P3.0的输出信号将不会变化，那么看门狗芯片将产生复位信号，使CPU重新恢复运行。
逆变电路的消谐PWM信号由P1.7输出，经过逻辑处理和死区延迟后，变为两个互补导通、且具有一定死区时间的驱动信号，送IR2110驱动芯片，控制逆变电路开关管的通断。
而IR2110芯片的SD位由P3.7控制，当P3.7位位“1”时，IR2110封锁驱动，逆变开关管不工作；
只有在该位信号位“0”时才运行驱动信号输出。
P1.0-P3.0定义为输入口，作为频率编码输入信号。
P1.4输出经反向后作为驱动封锁信号，当CPU在初始复位状态时，由于P1口为高电平，从而使驱动信号得以封锁，避免4个驱动信号出现全“1”而使开关管全导通造成的短路故障。
由故障监视电路获得的输入过电压、欠电压、输出过电流、短路等故障经过逻辑与后，送CPU的外部中断请求引脚INTO，向单片机发生中断申请。
（2）“看门狗”部分这部分电路包括电阻R13、R14，一级集成看门狗单元U6。
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