西華師范大學(xué)電子信息工程學(xué)院 黃福香 陳元莉

微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)

西華師范大學(xué)電子信息工程學(xué)院 黃福香 陳元莉

本系統(tǒng)是一種采用STC15F2K60S2單片機(jī)為核心的SPWM逆變電源，由單片機(jī)內(nèi)部的3路硬件PWM模塊生成3路SPWM脈沖信號(hào)，具體采用的是自然數(shù)查表的控制方法，而這里驅(qū)動(dòng)三相全橋逆變電路采用的是雙極性調(diào)制方案，將輸出經(jīng)過LC濾波器濾波后在負(fù)載上得到穩(wěn)定的三相對(duì)稱正弦波交流電。其正弦波輸出頻率由單片機(jī)內(nèi)部程序控制調(diào)節(jié)。

SPWM；雙極性調(diào)制；三相逆變；STC單片機(jī)

逆變電源的發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展密切相關(guān)，上世紀(jì)60年代逆變電源就已經(jīng)產(chǎn)生了，迄今為止，逆變電源經(jīng)過了三代的發(fā)展，逆變技術(shù)不斷被更新和完善，其運(yùn)用也越來越廣泛。本設(shè)計(jì)采用了SPWM控制方式對(duì)逆變橋進(jìn)行調(diào)制，通過軟件控制位移，最后經(jīng)電容、電感過濾得到理想的三相對(duì)稱的正弦波，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 逆變器的基本概念與工作原理

圖1 逆變器的基本工作原理

如圖1所示，首先采用電容進(jìn)行濾波,濾波器的作用是將波動(dòng)的直流量過濾成平穩(wěn)的直流量。逆變器采用三相橋式逆變電路,用單片機(jī)輸出SPWM波來控制調(diào)節(jié)輸出電壓頻率的大小，逆變器的作用就是把直流信號(hào)轉(zhuǎn)化為交流信號(hào)。經(jīng)過逆變器后還不能得到理想的正弦波，所以還需要經(jīng)過濾波器濾除交流輸出信號(hào)的高次諧波后得到正弦波才能供給負(fù)載。

圖2 雙極性調(diào)制等效正弦波的SPWM波圖

1.2 PWM控制技術(shù)

PWM控制技術(shù)也就是脈寬調(diào)制技術(shù)，其原理是假如有一系列的脈沖想要變成需要的波形，那么就可以通過面積等效法對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行改變來獲得需要的波形，波形包含形狀和幅值，這種控制的想法來源于通信技術(shù)。

PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)就是面積等效法，而面積等效法的核心思想就是把一系列具有相同沖量但是形狀不一的窄脈沖施加在一個(gè)具有慣性的環(huán)節(jié)上，那么它們的效果就基本上是一樣的，本文采用的等效方式是雙極性調(diào)制，如圖2所示。

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體原理圖

本系統(tǒng)主要采用單片機(jī)及外圍電路、IR2104驅(qū)動(dòng)電路、三相全橋逆變電路、LC濾波器等組成，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 三相逆變電路

三相逆變電路具體組成如圖4所示，在逆變的部分用了6個(gè)IRF3205MOS管組成一個(gè)三相橋式逆變電路，輸出的三路SPWM波形通過LC濾波器來濾除高次諧波，最后在負(fù)載就能獲得三相的純正弦波交流電壓輸出。從理論上來講是Q值越大越好，但是實(shí)際上需要考慮電路結(jié)構(gòu)和成本，這里所采用的電感和電容值的實(shí)際大小如圖4所示。

圖4 三相逆變電路

圖5 IR2104驅(qū)動(dòng)電路

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

本全橋驅(qū)動(dòng)電路采用IR2104作為它的驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片可以自行控制死區(qū)，降低了軟件設(shè)計(jì)難度。同時(shí)此電路還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、并且能夠提升電路的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1 SPWM波形表

每個(gè)脈沖的寬度和他們之間的間隔是根據(jù)正弦波的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計(jì)算而得出來的，否則不能正?？刂崎_關(guān)器件的通斷得到想要的波形。本設(shè)計(jì)將一個(gè)正弦波按照相同的相位平均分成300等分然后計(jì)算余弦數(shù)值得到300個(gè)數(shù)據(jù)，再把這些數(shù)據(jù)做成程序列表，由單片機(jī)的ROM來儲(chǔ)存，用于后續(xù)查表。

圖6 程序流程圖

3.2 系統(tǒng)主程序流程

在定時(shí)器中斷程序中，通過查表的方式來得到想要的SPWM波形。具體而言，是先設(shè)定好50HZ輸出正弦波輸出頻率，本設(shè)計(jì)中一個(gè)正弦波分辨率為300，它們對(duì)應(yīng)的是正弦波中的SPWM波的占空比。每一個(gè)占空比需要保持的時(shí)間必須通過計(jì)算求得，為（1/50/300）66.666us。則定時(shí)器就設(shè)置為每66.666us進(jìn)入一次中斷，由此計(jì)算出定時(shí)器的初值。每次中斷就將此時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)組里面的數(shù)據(jù)賦給硬件PWM，同時(shí)把SPWM控制信號(hào)輸入IR2104芯片，如果中斷次數(shù)達(dá)到299，則數(shù)組又回到第一個(gè)，如此循環(huán)下去，這里三路都需要分別如此執(zhí)行（只是起始數(shù)值不一樣，也就是0，100，200）。這樣就得到3個(gè)完整的、相移為120°的SPWM波形，程序流程圖如圖6所示。

4.結(jié)論

測(cè)試時(shí)負(fù)載采用星（Y）形連接然后用示波器觀察三相輸出的波形。通過測(cè)試結(jié)果可以看出，該逆變器可以輸出三相對(duì)稱的50HZ的正弦波電流，其相電壓可調(diào)，有效值為24V時(shí)，誤差小于0.1V。該系統(tǒng)具有過流保護(hù)功能，可以在輸出大于2A電流的情況下切斷交流輸出，大大增加了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。同時(shí)，并網(wǎng)也可以增加電路的可靠性，并網(wǎng)時(shí)需加保護(hù)繼電器保護(hù)電路。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，為二次開發(fā)提供了非常便利的條件。

[1]宋淑蘋．基于SPWM技術(shù)的獨(dú)立逆變電源設(shè)計(jì)[D]．保定：河北大學(xué),2011．

[2]童詩白,華成英．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社,2006,5．

[3]洪峰．雙降壓式半橋逆變器及輸出并聯(lián)型組合變換器研究[D]．南京：航空航天大學(xué),2008．

[4]許翏,王淑英．電氣控制與PLC控制技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005．

黃福香（1995—），女，四川中江人，大學(xué)本科，主要從事電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的研究。

陳元莉（1966—），女，四川南部人，碩士研究生，副教授，主要從事電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的研究。