微电网模拟系统&三相逆变资料大全(上)

admin · 发表于 2019-10-15 10:40

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文 / 薄浩楠（营长）
本文选自电源网论坛—【风采汇】+2017年电赛电源组微电网模拟系统&三相逆变资料大全（包括电路程序和并联运行）

三相逆变并联供电系统的设计资料

主电路如下图所示包括主电路和控制电路

本次采用STC15F2K60S2单片机为核心的SPWM逆变电源，单片机通过自然数查表法控制内部的3路硬件PWM模块生成SPWM脉冲信号，采用双极性调制方案驱动三相全桥逆变电路，输出经LC低通滤波器滤波，最后在负载上得到稳定的正弦波交流电。其正弦波输出频率由单片机内部程序控制调节。另外本系统外接按键，按键能设定开始与停止。

逆变电源的发展与和电力电子器件的发展息息相关，可以说电力电子器件器件的发展引导着逆变电源的发展。上世纪60年代正是电力电子技术飞速发展的时期，逆变电源就是在这个时期产生的，直到现在，逆变电源已经经过了三代的发展。

最初的逆变电源用的是晶闸管作为逆它的开关器件，称为可控硅逆变电源，但是因为早期晶闸管没有自关断的能力，即使增加了换流电路使其拥有了这种能力，但换流电路的复杂结构和极低的效率等原因却使逆变电源下一步的发展进退维谷。

从上世纪70年代末开始，许多自关断器件相继被发明出来，例如可关断晶闸管、电力晶体管等，这也促进了逆变电源的发展，于是使用自关断器件作为开关器件的逆变器产生了，这就是第二代逆变电源，使用了自关断器件的逆变器它逆变电源的性能获得了极大的提升，使用了自关断器件的逆变器与初代逆变器相比有了许多优点，首先因为有了自关断功能，所以不再需要换流电路，这样使主电路得到简化以至于降低了成本；其次由于逆变器使用了自关断器件，以至于其性能相比初代得到了极大的提升。这一代的逆变电源通常采用带输出电压有效值反馈的SPWM控制技术来控制。这一代的逆变器拥有简单的结构和容易实现的优点，但也并不意味这他没有缺点，由于它没有考虑信号传输过程中开关点的变化及负载的影响，所以还是有不少的缺点的，首先它如果负载是非线性的就没有良好的适应能力，非线性的负载会使输出电压的波形发生畸变；其次因为没有瞬时值的反馈所以它的动态特性也不好；最后因为有控制不到的时间域，同样会使输出的电压波形发生畸变。这些缺点使得第二代逆变电源依然不够完善。

随着近十年来新型电源控制技术的蓬勃发展，针对第二点逆变电源的缺点发明了实时反馈控制技术这也使得第三代逆变电源应运而生，三代逆变电源使用了这种技术又一次使逆变电源的性能提高了，同时还弥补了第二代的缺点，这种技术到目前为止还在不断地被完善，实时反馈控制技术拥有许多种，基于对动态性能和适应性等方面的考虑目前被广泛采用的技术是带电流内环的电压瞬时值反馈控制。

正弦逆变电源作为一种可将直流电能有效地转换为交流电能的电能变换装置被广泛地应用于国民经济生产生活中，其中有：针对计算机等重要负载进行断电保护的交流不间断电源UPS（Uninterruptle Power Supply）针对交流异步电动机变频调速控制的变频调速器;针对智能楼宇消防与安防的应急电源EPS（Emergence Power Supply）针对船舶工业用电的岸电电源SPS（Shore Power Supply）还有针对风力发电、太阳能发电等而开发的特种逆变电源等等。随着控制理论的发展与电力电子器件的不断革新，特别是以绝缘栅极双极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）为代表的自关断可控型功率半导体器件出现，大大简化了正弦逆变电源的换相问题，为各种PWM型逆变控制技术的实现提供了新的实现方法，从而进一步简化了正弦逆变系统的结构与控制。

正因为逆变电源技术的核心部分是逆变器和其控制部分，所以选择逆变器的设计作为研究课题可以慢慢跨入逆变电源的行业中去深入发展。众所周知，虽然自关断器件的产生简化了逆变主电路，但它的开关频率和功率仍受一定的限制，于是逆变电源输出波形正弦度仍不是很理想。虽然在控制方法上已经趋于成熟，但有些控制方法实现起来仍很困难。随着开关频率的提高，会引起开关损耗的增加，逆变效率和直流利用率的降低，因此，对逆变电源技术进行深入地研究有很大的现实意义。

逆变电源的发展与和电力电子器件的发展息息相关，可以说电力电子器件器件的发展引导着逆变电源的发展。上世纪60年代正是电力电子技术飞速发展的时期，逆变电源就是在这个时期产生的，直到现在，逆变电源已经经过了三代的发展。

掌握正弦波逆变器的电路的组成，需要重点明白其中中各元器件的原理及用处，对正弦波逆变电路在电阻负载、电阻电感负载是的工作情况及其波形作全面分析，并研究工作频率对电路工作波形的影响。采用SPWM控制方式对逆变桥进行调制，最后经电容、电感过滤实现正弦波逆变的目的。

正弦波逆变器的电路构成如图

如图所示，本电路由两部分组成,将交流转化为直流的这个部分属于整流,整流器的作用是把交流电转化为直流电，这个过程可以是不可控的，也可以是可控的，这部分采用不可控的二极管将交流变成直流。整流之后采用用电容进行滤波,滤波器的作用是将波动的直流量过滤成平展稳定的直流量,整个过程无论是从结构上还是性能上都能满足实验要要。最后直流变交流的部分为逆变部分,逆变器的作用是将直流电转化为交流电经过电感滤波后然后供给负载,这里的LC滤波是为了滤除高次谐波，得到到正弦波，而逆变器因为它输出的电压和频率与输入的交流电源无关所以为称为无源逆变器，它是正弦波逆变电路的核心，这里采用采用三相桥式逆变电路,用PWM控制调节输出电压及频率的大小。

脉宽调制的大概理论

PWM控制技术就是脉冲宽度调制技术。他的原理是可以通过等效法对脉冲宽度进行改变来获得一系列的脉冲想要变成需要的波形。波形包含形状和幅值。

PWM控制技术核心就是面积等效法。即相同的冲量其实就是相同的面积。原理图如图。

在正弦波的负半周上使用等面积法依旧可得到PWM波形，所以在一个完的整周期内正弦波的等效PWM波如图所示。

采用一定方法对脉冲宽度进行改变。从而使得输出脉冲列在周期内的时间相对于均值按正弦的规律变化，这就是SPWM。传统的SPWM方法，是从电源角度出发，通过正弦波控制信号与三角载波的交点产生触发脉冲。从而产生开关动作，经过滤波生成可以调频调压的正弦波。在这里采用了双极性PWM调制技术的方法，它的原理如图所示。

在采用双极性PWM调制技术时候，把信号波用这种方法得到的交流正弦输出波替代同时把载波用三角波替代，将这二者进行对比，各开关的通断在这两种波的交点时刻进行改变，由此可以看出在信号波的一个周期内，无论是载波还是调制来的输出波形都是正负皆有，所以它其输出波形具有±Ud两种电平，把信号波和载波分别用ur和uc来表示，当信号波大于载波的时刻,同时施加开通和关断信号，其中开通信号给V1和V4关断信号给V2和V3，此时如果io是大于零的那么V1和V4开通反之则是VD1和VD4开通，但是它们的电压输出都是uo等于Ud。同理当载波大于信号波的时候，那么用同样的方法可以得到V2和V3或着VD2和VD3开通的结果，不同的是它们的电压输出却是uo等于负的Ud。

SPWM逆变器的主题思路就是有一个逆变器，希望它输出的电压波形是正弦的，因为至今为止以现在的技术造出的可以改变频率和电压的逆变器无法像正弦波逆变器那样的小体积大功率且输出波形光滑。

现在的SPWM逆变器都采用的是等效原理实现的，即让逆变器输出的波形是一系列的和正弦波一样效果的虽不等宽但等幅的矩阵脉冲波形，它的主题思想方法就是等面积法。

如图所示，本电路由两部分组成,将交流转化为直流的这个部分属于整流，整流器的作用是把交流电转化为直流电，这个过程可以是不可控的，也可以是可控的，这部分采用不可控的二极管将交流变成直流。整流之后采用用电容进行滤波,滤波器的作用是将波动的直流量过滤成平展稳定的直流量，整个过程无论是从结构上还是性能上都能满足实验要要。最后直流变交流的部分为逆变部分，逆变器的作用是将直流电转化为交流电经过电感滤波后然后供给负载,这里的LC滤波是为了滤除高次谐波，得到到正弦波，而逆变器因为它输出的电压和频率与输入的交流电源无关所以为称为无源逆变器，它是正弦波逆变电路的核心，这里采用采用三相桥式逆变电路,用PWM控制调节输出电压及频率的大小。

常用的逆变器调压方法：

可控整流器调压：通过负载对电压的要求，使用可控的整流器来完成对逆变器输出电压的调节。

直流斩波器调压：在确定逆变器的电源侧有较高功率的情况下，通过不可控整流器可以在直流环节中通过设置改变直流斩波器来进行对电压的调节。
逆变器自身调压：在采用不可控整流器的前提下逆变器能用自身的电子开关进行斩波控制，这样就可以得到脉冲列，通过改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，就可达对输出的电压进行调节，这种方法被称为脉宽调制（PWM）。

由于需要功率不大而且需要对电压进行斩波控制因此选用第三个方案。

总体原理图

本系统主要采用的硬件滤波电路、三相全桥逆变电路、LC滤波器、单片机、按键设置电路、显示模块、电压检测电流，电流检测电路以及一些外围电路，具体系统框图如图所示。

主回路原理说明

从图中可以看出，直流电输入后，先通过2个电容串联构成的滤波电路，得到输入电压的一半作为中点电位，作为三相输出的参考地。在逆变的部分采用了6个金属氧化物半导体管（即MOS管）组成了一个三相桥式逆变电路，最后使用用双极性的调制方式进行调制，输出的SPWM波形过经电感、电容组成的LC滤波器滤除高次谐波，最后在负载就能获得三相的纯正弦波交流电压输出。

负载是星型接线，需要有中性线回路。

本正弦波逆变器主要用的是SPWM控制技术，整体的电路具有简单的结构而且在机械特性方面也表现良好同时价格也比较低廉，这样的设计能完美达到题目的需求并且已经在各种相关的行业里被普遍采用。
如果是直流输入端滤波器，那么它可以分为两种，分别是电流型和电压型，其中电流型逆变器它的中间部分采用的是大电感进行滤波，这样的输入电流的特点是具有阻抗大电流平，就仿佛似电流源，而电压型逆变器的中间部分则采用大电容进行滤波，这样的逆变器的输入电压的特点是阻抗小且电压平直，就仿佛电压源。而如果按电子开关的频率进行区别则同样可分为两种分别是120°的导电型逆变器和180°的导电型逆变器。
本系统主要采用的硬件滤波电路、三相全桥逆变电路、LC滤波器、单片机、按键设置电路、显示模块、电压检测电流，电流检测电路以及一些外围电路，具体系统框图如图所示。

滤波电路的简要说明

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滤波电路的作用是把直流电压过滤，过滤掉其中不平整的脉动，这样的目的是确保之后的电路环节能得到优秀质量的电压或电流，本电路的滤波电路部分采用的是电容滤波电路。虽然从理论上来讲只要电容值越大那么过滤的效果就越好，但是出于对实际的考虑无论结构上还是价值上都不能这样，所以要计算电容的实际大小。

通过2个电容串联构成的滤波电路，得到输入电压的一半作为中点电位，作为三相输出的参考地。

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