逆變電源的設(shè)計(jì)精選(九篇)

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第1篇：逆變電源的設(shè)計(jì)范文

引言

本文所描述的交流穩(wěn)流逆變電源應(yīng)用于低壓電器長(zhǎng)延時(shí)熱脫扣試驗(yàn)，適用于對(duì)斷路器、熱繼電器等低壓電器作長(zhǎng)延時(shí)特性的校驗(yàn)和測(cè)試。為保證溫升試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，測(cè)試正弦電流必須穩(wěn)定、精確。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB14048.2－94要求，長(zhǎng)延時(shí)熱脫扣試驗(yàn)的電流誤差≤±2％，正弦波失真度<5％。

    目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)采用的長(zhǎng)延時(shí)熱脫扣試驗(yàn)方案是通過(guò)變壓器直接對(duì)斷路器施加一個(gè)電壓以獲得測(cè)試電流[1]。在測(cè)試過(guò)程中，由于電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、載流電路中引線電阻變化、負(fù)載本身電阻發(fā)熱變化，使測(cè)試電流隨之變動(dòng)，難以滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。本文介紹了一種新型的交流穩(wěn)流逆變測(cè)試電源，具有工作穩(wěn)定可靠、輸入功率因數(shù)高、輸出精度高、波形失真度小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。

1 交流穩(wěn)流逆變電源體系結(jié)構(gòu)

功率主電路采用AC/DC/AC結(jié)構(gòu)，如圖1所示。前級(jí)為功率因數(shù)校正（PFC）電路，由Boost變換器構(gòu)成，用于提高網(wǎng)測(cè)功率因數(shù)、降低網(wǎng)側(cè)電流的THD值，并為逆變部分提供一個(gè)合適的直流母線電壓。后級(jí)的全橋逆變電路完成正弦波逆變、快速調(diào)壓穩(wěn)流功能。逆變輸出的高頻SPWM波經(jīng)過(guò)LC濾波，得到平滑正弦波。由于負(fù)載電阻小，電壓低，電流大（15～160A連續(xù)可調(diào)），采用升流變壓器進(jìn)行降壓增流，可以使逆變電路主開(kāi)關(guān)管的選取容易許多。由圖1中可以看出，該逆變器實(shí)際上是一個(gè)電壓型電流源，即通過(guò)對(duì)逆變橋輸出電壓的快速調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流輸出。

    交流穩(wěn)流源采用全橋SPWM逆變電路，并工作于倍頻單極性模式下，這樣逆變橋在不增加開(kāi)關(guān)損耗的情況下，其輸出電壓的頻率比開(kāi)關(guān)頻率再提高一倍，而且諧波含量較小，可以簡(jiǎn)化輸出LC濾波電路，也有利于減小波形的失真度。

    數(shù)字部分由MCS－51單片機(jī)電路組成，具有兩個(gè)功能：其一，作為人機(jī)接口界面，帶有鍵盤(pán)輸入和液晶顯示模塊，實(shí)現(xiàn)給定值設(shè)定、負(fù)載電流顯示等功能；其二，單片機(jī)與控制電路接口，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正弦波的給定、逆變電路的軟啟動(dòng)、電路時(shí)序控制、負(fù)載檢測(cè)等諸多功能。

2 逆變電路控制系統(tǒng)的建模與分析

交流穩(wěn)流逆變器的負(fù)載是純阻性負(fù)載，增流變壓器和負(fù)載可視為一等效電阻R。則逆變器輸出濾波電感L、濾波電容C和R構(gòu)成二階振蕩環(huán)節(jié)，其阻尼比為

滿(mǎn)載時(shí)R最大，ξ最小，系統(tǒng)最不穩(wěn)定；而輕載時(shí)R變小，ξ變大，系統(tǒng)較易穩(wěn)定；所以，閉環(huán)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)主要考慮R較大時(shí)的情況。

本文中采用了帶有電感電流瞬時(shí)值反饋的雙環(huán)控制策略，這是因?yàn)殡姼须娏鞯扔陔娙蓦娏髋c負(fù)載電流之和，一方面可對(duì)輸出電壓進(jìn)行超前控制，以取得比較好的動(dòng)態(tài)特性；另一方面電感電流中包含了負(fù)載電流，在輸出負(fù)載極小的情況下，也能對(duì)輸出電流進(jìn)行有效控制[2][3]。穩(wěn)流源逆變器的控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示，由小信號(hào)模型獲得的傳遞函數(shù)框圖如圖3所示。

由圖3可知，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

則開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的零、極點(diǎn)分布為

式中：R為等效負(fù)載電阻；

KiR為外環(huán)反饋系數(shù)；

KiL為內(nèi)環(huán)反饋系數(shù)；

n為輸出變壓器原副邊變比；

Km為全橋逆變電路放大系數(shù)；

Ka為內(nèi)環(huán)比例補(bǔ)償增益；

Kp＋1/τs為外環(huán)PI補(bǔ)償傳遞函數(shù)。

由式（6）可知，當(dāng)R<L/(KiLKaKmC＋)，（此式可通過(guò)設(shè)計(jì)保證）時(shí)，此時(shí)等效負(fù)載電阻R較小，系統(tǒng)極點(diǎn)sp2,3分布在負(fù)實(shí)軸上，系統(tǒng)的根軌跡如圖4所示（R1，R2對(duì)應(yīng)的根軌跡）；當(dāng)R>L/(KiLKaKmC＋時(shí)，此時(shí)等效負(fù)載R較大，系統(tǒng)極點(diǎn)sp2,3為一對(duì)共軛復(fù)數(shù)，系統(tǒng)根軌跡如圖4所示（R3，R4對(duì)應(yīng)的根軌跡）。根軌跡的漸近線σa=。對(duì)于無(wú)電感電流瞬時(shí)值反饋的系統(tǒng)，其根軌跡如圖5所示?？梢钥闯?，根軌跡以虛軸為漸近線趨向于±∝，相應(yīng)在控制上必會(huì)引起輸出電流的振蕩，系統(tǒng)不易穩(wěn)定。而引入電感電流反饋后，根軌跡如圖4所示，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能也得以提高。

在不同負(fù)載條件下式（2）和式（3）對(duì)應(yīng)的波特圖分別如圖6和圖7所示。由圖6可以看出，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，并且系統(tǒng)的相位余量>50°。由圖7可以看出，系統(tǒng)的幅值響應(yīng)接近1/KiR，在50Hz的頻率處，輸出電流和給定電流信號(hào)之間的相移幾乎為零，因此，輸出電流能很好地跟隨參考信號(hào)。高的轉(zhuǎn)折頻率和寬的頻帶能保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

3 一些其它的設(shè)計(jì)考慮

作為電流源必須考慮輸出開(kāi)路的情況。由于本文中的交流穩(wěn)流源實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電壓型電流源，即通過(guò)快速調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)流。當(dāng)輸出開(kāi)路時(shí)，輸出電壓會(huì)迅速上升到到直流母線電壓附近，而不會(huì)像電流型電流源那樣升得很高。盡管如此，負(fù)載開(kāi)路時(shí)，輸出電壓仍會(huì)迅速上升，并引起輸出電壓以LC諧振頻率進(jìn)行振蕩，這兩者均會(huì)導(dǎo)致輸出波形嚴(yán)重畸變；此外，當(dāng)輸出負(fù)載重新接上時(shí)會(huì)引起輸出瞬態(tài)過(guò)流。因此，系統(tǒng)必須進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，當(dāng)輸出電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)迅速切斷逆變器輸出。

圖8

    眾所周知，在SPWM全橋逆變器中必然存在著直流偏磁，會(huì)導(dǎo)致鐵心飽和，不僅加大了變壓器的損耗，降低了效率，增大了噪聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流迅速增大，使功率開(kāi)關(guān)管因過(guò)流而損壞。本文采用如圖8所示的糾偏電路來(lái)抑制直流偏磁，即由LEM器件采樣逆變輸出濾波電感電流，檢出直流電流分量，與零電壓比較得到誤差，積分后疊加到正弦給定上，實(shí)時(shí)校正變壓器的直流偏磁。其優(yōu)點(diǎn)在于與電感電流反饋共用一個(gè)檢測(cè)器件，節(jié)省費(fèi)用；當(dāng)發(fā)生直流偏磁時(shí)，變壓器勵(lì)磁電流以指數(shù)規(guī)律迅速增大，比檢測(cè)電壓糾偏的方法靈敏。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

交流穩(wěn)流逆變電源的規(guī)格和控制電路參數(shù)如表1所列。逆變器最大輸出電流20A，經(jīng)輸出變壓器增流后可達(dá)200A，以滿(mǎn)足對(duì)低壓電器的大電流測(cè)試要求。

表1 穩(wěn)流逆變電源的規(guī)格和參數(shù)

參數(shù)

數(shù)值

輸入電壓Vd

380V

輸出電流io（可調(diào)）

0～20A

最高輸出電壓Vom

250V

滿(mǎn)載功率

5000W

輸出頻率

50Hz

開(kāi)關(guān)頻率

20kHz

S1～S4

1MB150N－060

變比n

10

L

5mH

C

5μF

KiL

0.2

KiR

0.025

Ka

3

Kp

5

Km

100

τ

第2篇：逆變電源的設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：礦用；三相逆變；SPWM

中圖分類(lèi)號(hào)：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0102-03

1 概述

煤礦井下施工過(guò)程中，經(jīng)常需要進(jìn)行設(shè)備的拆裝、搬運(yùn)、檢修、維護(hù)，需要臨時(shí)用電。然而，煤礦井下的供電通常是由井下中央變電所通過(guò)敷設(shè)輸電線路供給電能的方式實(shí)現(xiàn)，這種供電方式只適用于設(shè)施固定、長(zhǎng)期運(yùn)行的場(chǎng)所。因此，煤礦井下迫切需要一種無(wú)需敷設(shè)供電線路的移動(dòng)逆變電源，能夠滿(mǎn)足臨時(shí)工作場(chǎng)所的照明和電動(dòng)工具的使用。本文設(shè)計(jì)了一款礦用移動(dòng)式三相逆變電源，可以提供容量2KVA的三相交流50Hz、127V電源，能夠應(yīng)用于井下部分區(qū)域的照明和煤電鉆用電，為井下施工及意外事故提供臨時(shí)用電，彌補(bǔ)了當(dāng)前井下集中供電方式的輸電線路長(zhǎng)、安裝周期長(zhǎng)等不足。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

礦用移動(dòng)式三相逆變電源的電路構(gòu)成如圖1所示，由大容量鋰電池模塊組、三相逆變主電路、逆變控制電路、人機(jī)界面和電池電壓檢測(cè)、交流輸出檢測(cè)電路組成。

鋰電池選用磷酸鐵鋰電池模塊，標(biāo)稱(chēng)電壓48V，標(biāo)稱(chēng)容量100Ah。5組電池組模塊串聯(lián)連接，鋰電池組總輸出直流電壓為240V，作為三相逆變主電路的輸入。

逆變主電路使用智能功率模塊IPM，選用FUJI electric的IGBT-IPM模塊6MBP30RH060，這款I(lǐng)PM模塊內(nèi)部集成6組絕緣柵雙極型晶體管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor）及其驅(qū)動(dòng)電路，額定電流30A，耐壓600V，內(nèi)部集成了過(guò)電流保護(hù)（OC）、短路保護(hù)（SC）、控制電源欠壓保護(hù)（UV）、過(guò)熱保護(hù)（管殼過(guò)熱TcOH、芯片過(guò)熱TjOH）等保護(hù)電路，且可通過(guò)向IPM相連的MCU輸出報(bào)警信號(hào)（ALM），確保系統(tǒng)停止工作。

逆變控制電路采用低功耗單片機(jī)作為控制核心，檢測(cè)鋰電池組電壓和三相逆變主電路輸出的電壓、電流，運(yùn)行PID調(diào)節(jié)算法程序，控制三相純正弦波逆變器專(zhuān)用芯片EG8030的輸出SPWM，對(duì)三相逆變主電路的逆變過(guò)程實(shí)施控制，得到符合要求的三相交流電。

3 EG8030的特性

3.1 EG8030性能特點(diǎn)

EG8030 是一款功能完善的自帶死區(qū)控制的三相純正弦波逆變發(fā)生器芯片，采用CMOS 工藝，+5V單電源供電，外接16MHz晶體振蕩器，可選四種載波頻率，能產(chǎn)生高精度、失真和諧波都很小的三相SPWM信號(hào)。芯片具備完善的采樣機(jī)構(gòu)，能夠采集電流信號(hào)、溫度信號(hào)、三相電壓信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，還具有死區(qū)時(shí)間控制、軟啟動(dòng)、相序反轉(zhuǎn)、相序清零等功能以及過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路、過(guò)熱等保護(hù)功能。

3.2 EG8030的引腳功能

引腳如圖2所示：

3.3 EG8030的工作模式

EG8030具有四種工作模式：分別是三相同步開(kāi)環(huán)調(diào)壓模式、三相同步閉環(huán)穩(wěn)壓模式、三相獨(dú)立開(kāi)環(huán)調(diào)壓模式和三相獨(dú)立閉環(huán)穩(wěn)壓模式。其中三相獨(dú)立閉環(huán)穩(wěn)壓模式是EG8030的一種測(cè)試模式。

三相同步開(kāi)環(huán)調(diào)壓模式是EG8030最簡(jiǎn)單的一個(gè)工作模式。只需提供一個(gè)比較穩(wěn)定的高壓直流電源和一個(gè)三相輸出濾波器，即可調(diào)節(jié)VOLADJ 腳上的電壓使輸出電壓達(dá)到目標(biāo)值。

三相同步閉環(huán)穩(wěn)壓模式是EG8030的推薦應(yīng)用模式，適用于對(duì)輸出電壓有精度要求的場(chǎng)合。在這種工作模式下，芯片采樣AVFB、BVFB、CVFB腳上的反饋信號(hào)并取平均值得到當(dāng)前三相的平均反饋電壓，再經(jīng)過(guò)內(nèi)部PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算得到三相SPWM的調(diào)制深度MA、MB、MC，且MA=MB=MC，同步調(diào)節(jié)三相輸出。

三相獨(dú)立開(kāi)環(huán)調(diào)壓模式EG8030的另外一種開(kāi)環(huán)工作模式。用戶(hù)通過(guò)調(diào)節(jié)AVFB、BVFB、CVFB腳上的電壓獨(dú)立控制三相SPWM的調(diào)制深度MA、MB、MC。

4 移動(dòng)式三相逆變電源的電路設(shè)計(jì)

4.1 逆變主電路

逆變主電路選用的6MBP30RH060型IGBT-IPM智能功率模塊，內(nèi)部集成6組IGBT器件及其驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。直流輸入端口與鋰電池模塊組連接，上橋臂驅(qū)動(dòng)電路電源為三組獨(dú)立的+15V DC隔離電源，下橋臂驅(qū)動(dòng)電路共用一組+15V DC隔離電源；上、下橋臂PWM輸入端與逆變控制電路的6路SPWM脈沖信號(hào)接入；報(bào)警輸出端口經(jīng)光電隔離后與逆變控制電路的通用輸入/輸出接口相連。

4.2 逆變控制電路

本設(shè)計(jì)中，采用EG8030的三相同步開(kāi)環(huán)調(diào)壓模式，由單片機(jī)通過(guò)D/A輸出，控制調(diào)制深度控制引腳（Pin8：VOLADJ），D/A輸出的0～5V直流電壓線性對(duì)應(yīng)著0～100%的SPWM波的調(diào)制深度，調(diào)制深度的數(shù)值大小影響著逆變器的交流輸出電壓。如式（1）所示：m代表調(diào)制深度，VACRMS代表逆變器輸出交流電壓的有效值，VDC代表電池組的直流電壓。

單片機(jī)采用NXP公司的P89V51RD2，運(yùn)行速度達(dá)36MHz，支持12時(shí)鐘或6時(shí)鐘模式，片上集成1kB SRAM和64kBFlashROM，擁有4個(gè)8位并行通用輸入輸出口、3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器。該款單片機(jī)無(wú)模擬量輸入輸出功能，本設(shè)計(jì)通過(guò)I2C總線外接擴(kuò)展芯片PCF8591。PCF8591是一款8位A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片，采用2.5V～6V單電源供電，采樣速率取決于I2C總線的傳輸速率，支持最多4路A/D通道和1路D/A通道，模擬輸入可配置成4路單端輸入、3路關(guān)聯(lián)的差分輸入、2路單端和1路差分輸入、2路差分輸入等四種模式。

P89V51RD2檢測(cè)鋰電池組直流電壓，逆變器輸出的交流電流、電壓，運(yùn)行PID算法程序，根據(jù)結(jié)果調(diào)節(jié)D/A輸出電壓，從而改變SPWM波調(diào)制深度，得到穩(wěn)定的逆變?nèi)嘟涣麟娸敵觥?/p>

4.3 光電隔離與驅(qū)動(dòng)電路

EG8030的SPWM脈沖輸出為推挽式輸出端口，其灌電流能力達(dá)20mA，拉電流能力僅為5mA。接線時(shí)將SPWM脈沖輸出引腳與光電耦合器一次側(cè)發(fā)光二極管的陰極相連，SPWM脈沖電流由電源流出經(jīng)發(fā)光二極管灌入EG8030。光電耦合器的輸入側(cè)提供的正向電流If足夠大，降低了光電耦合器輸出側(cè)出現(xiàn)誤動(dòng)作的可能性。

5 逆變器軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖5所示。

本設(shè)計(jì)的SPWM脈沖序列由專(zhuān)用三相逆變控制芯片EG8030自主生成的，單片機(jī)無(wú)需參與。逆變控制電路中單片機(jī)的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)檢測(cè)鋰電池組電壓、逆變主電路輸出的交流電流和電壓，動(dòng)態(tài)計(jì)算調(diào)制深度參數(shù)，進(jìn)而設(shè)定EG8030的運(yùn)行特征數(shù)據(jù)，維持和保障整個(gè)三相逆變器的正常工作。

6 結(jié)束語(yǔ)

按照上述方案設(shè)計(jì)的三相逆變電源，集成化程度高、電路簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，與當(dāng)前IGBT+驅(qū)動(dòng)電路+數(shù)字信號(hào)處理器DSP的逆變器設(shè)計(jì)相比較，硬件電路和軟件編程得以大大簡(jiǎn)化。該逆變器作為井下臨時(shí)施工的便攜電源、應(yīng)急場(chǎng)合的備用電源進(jìn)行了測(cè)試并取得良好效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳海東，任曉明，蒲強(qiáng)，等.基于SPWM控制的三相逆變器電路設(shè)計(jì)[J].電器與能效管理技術(shù)，2015（8）：43-45.

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第3篇：逆變電源的設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞： ATmega8； TL494； 逆變器； 正弦波

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34； TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）08?0149?04

0 引 言

在風(fēng)電行業(yè)中，經(jīng)常需要在野外對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行維修，這時(shí)必須為各類(lèi)維修工具和儀器進(jìn)行供電。因此，設(shè)計(jì)一種便攜式、低功耗、智能化的正弦逆變電源來(lái)為這些設(shè)備供電是十分必要的，可大大提高維修風(fēng)機(jī)的效率。本文正是基于這種情況下而設(shè)計(jì)的一種基于單片機(jī)的智能化正弦逆變電源。

1 正弦逆變電源的設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的逆變器是一種能夠?qū)?DC 12 V直流電轉(zhuǎn)換成 220 V 正弦交流電壓，并可以提供給一般電器使用的便攜式電源轉(zhuǎn)換器。目前，低壓小功率逆變電源已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域。特別是在交通運(yùn)輸、野外測(cè)控作業(yè)、機(jī)電工程修理等無(wú)法直接使用市電之處，低壓小功率逆變電源便成為必備的工具之一，它只需要具有一塊功率足夠的電池與它連接，便能產(chǎn)生一般電器所需要的交流電壓。由于低壓小功率逆變電源所處的工作環(huán)境，都是在荒郊野外或環(huán)境惡劣、干擾多的地方，所以對(duì)它的設(shè)計(jì)要求就相對(duì)很高，因此它必須具備體積小、重量輕、成本低、可靠性高、抗干擾強(qiáng)、電氣性能好等特點(diǎn)。

針對(duì)這些特點(diǎn)和要求，研究一種簡(jiǎn)單實(shí)用的正弦波逆變電源，以低價(jià)實(shí)惠而又簡(jiǎn)單的元器件組成電路來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際要求，定會(huì)受到市場(chǎng)的普遍歡迎。當(dāng)前，設(shè)計(jì)低功率逆變電源有多種方案，早期的設(shè)計(jì)方案是直接將直流電壓用關(guān)管進(jìn)行控制，在50 Hz方波的作用下，產(chǎn)生220 V的方波逆變電壓。

但隨著用電設(shè)備對(duì)逆變電源性能的要求不斷的提高，方波逆變電源在多數(shù)場(chǎng)合已被淘汰，而正弦波逆變器的應(yīng)用已成為必然趨勢(shì)?，F(xiàn)在，市場(chǎng)上低功率正弦波逆變電源的主要設(shè)計(jì)方案有3種。

1.1 一次逆變的正弦波逆變電源

該方案也是將要逆變的直流電壓直接加到關(guān)管上，然后采用數(shù)十倍于50 Hz的正弦化脈沖寬度調(diào)制脈沖串對(duì)開(kāi)關(guān)管直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，之后對(duì)輸出的電壓實(shí)行“平滑”處理，進(jìn)而獲得類(lèi)似于正弦波的連續(xù)變化的波形，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路一次逆變，高效而簡(jiǎn)單、但變壓器過(guò)于笨重，沒(méi)辦法滿(mǎn)足體積小，重量輕的要求。

1.2 多重逆變的正弦波逆變電源

該方案是將驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的50 Hz信號(hào)，分成若干相位不同而頻率相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)各自的開(kāi)關(guān)管，使得各自的輸出電壓也錯(cuò)開(kāi)一定的相位，然后再進(jìn)行疊加處理，輸出多階梯的階梯波再進(jìn)行濾波就能輸出所需的正弦波電壓。此種方案電路較為復(fù)雜，一旦有一組開(kāi)關(guān)管失效，輸出的波形就有很大的失真。

1.3 二次逆變的正弦波逆變電源

隨著高頻開(kāi)關(guān)管技術(shù)的日趨成熟，逆變電源的電路設(shè)計(jì)趨向于先變壓，后變頻，即先將直流電壓轉(zhuǎn)為高頻交流電，再將高頻交流電轉(zhuǎn)換為50 Hz的正弦交流電源，其原理框圖如圖1所示。

由于開(kāi)關(guān)管的價(jià)格低廉，因此組成圖1的單元電路性?xún)r(jià)比高，當(dāng)前市場(chǎng)上以此種設(shè)計(jì)方案來(lái)生產(chǎn)低功率逆變電源的居多[1]。

2 基于單片機(jī)控制的正弦波逆變電源

在以上列舉的三種逆變電源設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，以二次逆變的正弦波逆變電源為佳。按照這種思路，早期的具體電路解決方案多采用PWM控制芯片如TL494，SG3524，SG3525A等，以固定的頻率去控制DC?DC和DC?AC部分的開(kāi)關(guān)管，并采用修正電路對(duì)輸出的波形進(jìn)行修正，以期達(dá)到正弦波的要求。但這種純PWM芯片控制的電路，對(duì)于元件的老化、發(fā)熱、受到干擾等情況無(wú)法自動(dòng)加以修正，或者修正能力差，往往使得在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中經(jīng)常出現(xiàn)電路故障。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員不斷想將單片機(jī)引入到正弦逆變電源的控制當(dāng)中，但對(duì)于高頻部分的控制，低成本的單片機(jī)完成不了這個(gè)功能，高成本的單片機(jī)又會(huì)降低性?xún)r(jià)比，故本文提出了另外一種設(shè)計(jì)方案，就是采用低廉的ATmega8單片機(jī)，配合TL494，IR2110和開(kāi)關(guān)管，構(gòu)成一個(gè)體積小，成本低，控制能力強(qiáng)的正弦波逆變電源，其方框圖如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，整個(gè)系統(tǒng)主要由ATmega8單片機(jī)進(jìn)行控制，TL494和IR2110是否工作，全由單片機(jī)根據(jù)反饋信號(hào)作出調(diào)整。高頻開(kāi)關(guān)管及驅(qū)動(dòng)輸出部分采用單相全橋逆變電路構(gòu)成。具體工作原理是采用ATmega8單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心，利用TL494能產(chǎn)生高頻PWM信號(hào)的功能，通過(guò)單片機(jī)對(duì)其脈沖寬度進(jìn)行控制并輸出，以控制高頻開(kāi)關(guān)管組成的全相逆變電路，將低直流電壓逆變成為高壓方波，并通過(guò)整流濾波之后，送到驅(qū)動(dòng)輸出全橋逆變電路，由單片機(jī)控制IR2110輸出工頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制輸出驅(qū)動(dòng)電路輸出50 Hz，220 V的正弦交流電壓[2]。

3 主要電路的具體設(shè)計(jì)

整個(gè)逆變系統(tǒng)的核心主要由單片機(jī)控制電路與檢測(cè)電路、DC/DC變換電路、DC/AC輸出電路組成。

3.1 DC/DC變換電路

如圖3所示，由TL494組成了高頻脈沖輸出電路，該電路采用了性能優(yōu)良的脈寬調(diào)制控制器TL494集成塊。該集成塊內(nèi)含+5 V基準(zhǔn)電源、誤差放大器，頻率可變鋸齒波振蕩器、PWM比較器、觸發(fā)器、輸出控制電路、輸出晶體管及死區(qū)時(shí)間控制電路等。該集成塊的第5、6腳分別外接了C1和R6組成了RC振蕩電路，可促使TL494輸出頻率為100 kΩ左右的高頻脈沖方波信號(hào)，并由單片機(jī)的PD7引腳對(duì)圖中的DCDC端進(jìn)行控制。通過(guò)控制第4腳的死區(qū)時(shí)間控制端，可調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的占空比在0～49%之間變化，從而控制輸出端Q1PWM、Q2PWM的輸出，而P端、VCC端和VFB端則分別接收來(lái)自負(fù)載，高頻逆變輸出電壓、輸入電壓的反饋信號(hào)，與TL494內(nèi)部的電路組成過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)電路，形成逆變器的第一級(jí)安全保護(hù)網(wǎng)[3?4]。

如圖4所示為高頻電壓逆變電路，由4只IRF3205管構(gòu)成全橋逆變電路，IRF3205采用先進(jìn)的工藝技術(shù)制造，具有極低的導(dǎo)通阻抗，加上具有快速的轉(zhuǎn)換速率和以堅(jiān)固耐用著稱(chēng)的HEXFET設(shè)計(jì)，使得IRF3205成為極其高效可靠的逆變管。從輸入端Q1PWM，Q2PWM輸入的高頻脈沖串控制這4個(gè)管兩兩導(dǎo)通，對(duì)VIN輸入的直流低壓進(jìn)行斬波，然后經(jīng)升壓變壓器后，逆變成高頻交流方波，此時(shí)流通的電流為磁化電流，所以選取Philips公司生產(chǎn)的BYV26C超快軟恢復(fù)二極管組成了全橋整流電路，該管子重復(fù)峰值電壓為600 V，正向?qū)娏鳛? A，其反向恢復(fù)時(shí)間30 ns，可以滿(mǎn)足電路的參數(shù)需求，整流后的電壓經(jīng)濾波電路后輸出直流電壓260 V，送往DC/AC逆變電路，另外260 VDC經(jīng)降壓處理后作為作為反饋信號(hào)輸入圖3中的VFB端，作為高頻逆變電壓的反饋信號(hào)。

3.2 DC/AC輸出電路的設(shè)計(jì)

DC/AC變換輸出電路采用全橋逆變單相輸出，其驅(qū)動(dòng)輸入波形則由單片機(jī)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)半橋驅(qū)動(dòng)器IR2110輸出工頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)編程可調(diào)節(jié)該輸出驅(qū)動(dòng)波形的D

IR2110是IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET和IGBT專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)集成電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還具有快速完整的保護(hù)功能，因此它可以提高控制系統(tǒng)的可靠性，減少電路的復(fù)雜程度。如圖6所示，HIN和LIN為逆變橋中同一橋臂上下兩個(gè)功率MOS的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)輸入端。SD為保護(hù)信號(hào)輸入端，當(dāng)該腳接高電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)全被封鎖，其對(duì)應(yīng)的輸出端恒為低電平；而當(dāng)該腳接低電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)跟隨HIN和LIN而變化，因此，在本系統(tǒng)中，兩片IR2110芯片的SD端共同接到單片機(jī)的PB0引腳，用于實(shí)時(shí)控制IR2110是否處于保護(hù)狀態(tài)。IR2110的VB和VS之間的自舉電容較難選擇，因此直接提供了15 V恒壓，使其能正常工作。

逆變正弦電壓輸出電路有兩種調(diào)制方式，一種為單極性調(diào)制方式，其特點(diǎn)是在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)兩只功率管以較高的開(kāi)關(guān)頻率互補(bǔ)開(kāi)關(guān)，保證可以得到理想的正弦輸出電壓，另兩只功率管以較低的輸出電壓基波頻率工作，從而在很大程度上減小了開(kāi)關(guān)損耗，但又不是固定其中一個(gè)橋臂始終為低頻（輸出基頻），另一個(gè)橋臂始終為高頻（載波頻率），而是每半個(gè)輸出電壓周期切換工作，即同一個(gè)橋臂在前半個(gè)周期工作在低頻，而在后半周則工作在高頻，這樣可以使兩個(gè)橋臂的功率管工作狀態(tài)均衡，對(duì)于選用同樣的功率管時(shí)，使其使用壽命均衡，對(duì)增加可靠性有利。另一種為雙極性調(diào)制方式，其特點(diǎn)是4個(gè)功率管都工作在較高頻率（載波頻率），雖然能得到正弦輸出電壓波形，但其代價(jià)是產(chǎn)生了較大的開(kāi)關(guān)損耗[1，5]。如圖6所示，本文的逆變輸出電路采用了單極性調(diào)制方式，這樣可以提高波形的平滑度，增加電路的可靠性。圖6中的PWM1～PWM2分別接收來(lái)自圖5的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)由4個(gè)具有500 V耐壓值的IRF840開(kāi)關(guān)管組成的橋式逆變電路，將260 VDC逆變成220 V，50 Hz的交流電，經(jīng)LC濾波后供給負(fù)載。圖6中的IFB端和ACV端，分別和為電流和電壓的采樣，送到單片機(jī)的PC4和PC5引腳進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)將轉(zhuǎn)換果用于功率計(jì)算和電路保護(hù)之用[1，6]。

3.3 單片機(jī)電路及編程

本文采用的是Atmel公司生產(chǎn)的ATmega8單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制的，它的工作電壓范圍寬，抗干擾能力強(qiáng)，具有預(yù)取指令功能。這使得其理速度快，引腳輸出電流大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，輸出的脈沖信號(hào)無(wú)需放大可直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，端口全內(nèi)置上拉電阻，均可作為輸入或輸出，具體情況通過(guò)編程靈活配置，基于以上優(yōu)點(diǎn)，選擇ATmega8L單片機(jī)作為控制器，不僅可提高系統(tǒng)整體性能，也可簡(jiǎn)化電路。

本文主要將它應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)， 溫度檢測(cè)，風(fēng)扇控制，安全保護(hù)，數(shù)據(jù)顯示等。ATmega8單片機(jī)分別采集來(lái)自系統(tǒng)電路的溫度、電流、電壓，并根據(jù)這三個(gè)參數(shù)的情況分別控制啟動(dòng)風(fēng)扇散熱，控制是否輸出報(bào)警信號(hào)，控制SD端和DCDC端是否使系統(tǒng)處于保護(hù)狀態(tài)，QA1～QA4則是輸出50 Hz的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，具體的編程控制如圖7所示。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，單片機(jī)先檢查系統(tǒng)的溫度環(huán)境是否正常，不正常則啟動(dòng)報(bào)警，并提示出錯(cuò)代碼，如果正常則啟動(dòng)高頻逆變電路工作，并檢測(cè)260 VDC是否正常，不正常則報(bào)警，正常則啟動(dòng)正弦逆變電路工作，并一直檢測(cè)輸出的電壓電流是否正常，正常則輸出，不正常則報(bào)警。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，基于ATmega8單片機(jī)控制的正弦波逆變電源的整體設(shè)計(jì)方案，可高效、便捷的為野外作業(yè)提供所需的交流電源，該電路目前已實(shí)驗(yàn)成功并投入到實(shí)際的使用當(dāng)中。實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)出來(lái)的逆變電源具有體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠的性能。

參考文獻(xiàn)

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第4篇：逆變電源的設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)輛；輔助電源；節(jié)能

輔助電源系統(tǒng)是車(chē)輛牽引控制系統(tǒng)的重要組成部分。SIV為車(chē)輛客室空調(diào)機(jī)組及通風(fēng)裝置、空壓機(jī)、電加熱器、交流照明等交流負(fù)載提供三相與單相交流電源；充電機(jī)為車(chē)載各系統(tǒng)控制電路、直流照明、電動(dòng)車(chē)門(mén)及車(chē)載信號(hào)與通信設(shè)備提供直流電源并給蓄電池組充電。輔助電源系統(tǒng)工作的安全性、可靠性對(duì)車(chē)輛正常運(yùn)營(yíng)具有重要影響。在車(chē)輛設(shè)計(jì)的前期就需要對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成、容量范圍、功能與性能要求等進(jìn)行計(jì)算、分析和對(duì)比，選擇合適的系統(tǒng)及設(shè)備、合適的參數(shù)來(lái)構(gòu)成最優(yōu)的輔助供電系統(tǒng)，滿(mǎn)足車(chē)輛運(yùn)營(yíng)要求、降低系統(tǒng)的全壽命周期成本。

1、直接逆變方式

直接逆變輔助電源電路結(jié)構(gòu)原理是地鐵車(chē)輛輔助逆變電源最簡(jiǎn)單的基本電路結(jié)構(gòu)形式。開(kāi)關(guān)元器件通常可采用大功率GTO，IGBT或IPM。輔助逆變電源采用直接從第三供電軌受流方式，逆變器按V/f等于常數(shù)的控制方式，輸出三相脈寬調(diào)制電壓向負(fù)載供電。這種電路的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件使用數(shù)量少、控制方便，但缺點(diǎn)是逆變器電源輸出電壓容易受電網(wǎng)輸入電壓的波動(dòng)影響，輸入與輸出不隔離，輸出的電壓品質(zhì)因數(shù)差、諧波含量大、負(fù)載使用效率低。

2、斬波降壓逆變方式

斬波降壓加逆變方式的輔助電源電路結(jié)構(gòu)主要由單管DC/DC斬波器、二點(diǎn)式逆變器、三相濾波器、隔離變壓器和整流電路組成。逆變器輸出經(jīng)過(guò)三相濾波后，輸出穩(wěn)定的正弦三相交流電壓，作為驅(qū)動(dòng)空調(diào)機(jī)、風(fēng)機(jī)等三相交流負(fù)載電源，同時(shí)三相交流電壓經(jīng)變壓器和整流后，可實(shí)現(xiàn)電源的多路直流輸出。其特點(diǎn)如下。三相逆變器輸出電壓不受輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，DC/DC斬波的閉環(huán)控制可以保持逆變器輸入電壓的恒定。每臺(tái)輔助逆變電源斬波器只需一只大功率高壓IGBT元件，逆變器可以采用較低電壓的IGPT元件。由于逆變器輸入電壓恒定，對(duì)于只要求#+#，控制的逆變器來(lái)說(shuō)，只需要一定數(shù)量的梯波輸出，即可保證逆變器輸出穩(wěn)定的脈寬調(diào)制電壓，諧波含量小于5%。斬波器分散布置在每臺(tái)車(chē)的電源上，機(jī)組結(jié)構(gòu)統(tǒng)一。對(duì)于供電網(wǎng)，雖然每臺(tái)電源斬波的開(kāi)關(guān)頻率相同，但它們之間的斬波相位差是隨機(jī)的，同樣可實(shí)現(xiàn)斬波器多相多重?cái)夭ㄗ饔谩８綦x變壓器的使用實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)輸入與輸出負(fù)載之間的電氣隔離。（圖一）

3、兩重?cái)夭ń祲耗孀兎绞?/p>

與單管直接DC/DC斬波降壓逆變方式的輔助電源電路基本相同，兩重?cái)夭ㄆ魈娲薉C/DC單管斬波器，開(kāi)關(guān)元器件可采用GTO或IGBT。其特點(diǎn)是采用兩重?cái)夭ㄆ?，?dāng)上、下兩個(gè)斬波器控制相位互相錯(cuò)開(kāi)180°時(shí)，可以使斬波器的開(kāi)關(guān)頻率相應(yīng)提高一倍，因而可大大減小濾波裝置的體積和重量，降低逆變器中間直流環(huán)節(jié)電壓的脈動(dòng)量，提高輔助逆變電源的抗干擾能力。兩重?cái)夭ㄆ鏖]環(huán)控制起到了穩(wěn)壓和變壓作用，因此可提高逆變器的輸出效率。兩重DC/DC斬波器與單管斬波器相比，開(kāi)關(guān)元器件和斬波器的附件多了一倍，但管子的耐壓可降低一半，提高了元件的使用裕度和設(shè)備的安全可靠性。直流供電網(wǎng)與負(fù)載之間的變壓器隔離以及相應(yīng)設(shè)計(jì)的濾波器，可以保證逆變器輸出的三相交流電壓諧波最小，且可降低對(duì)負(fù)載過(guò)充電壓的影響，提高負(fù)載的使用壽命。

4、升降壓斬波逆變方式

升降壓斬波加逆變的地鐵輔助電源的前級(jí)斬波是由一個(gè)平波電抗器及兩個(gè)開(kāi)關(guān)管、二極管和儲(chǔ)能電抗器構(gòu)成，升降壓斬波器本質(zhì)上相當(dāng)于兩相DC/DC直流變換器，控制系統(tǒng)采用PWM控制方式。兩個(gè)開(kāi)關(guān)管交替通斷，按輸出電壓適當(dāng)?shù)乜刂泼}沖寬度，可以獲得與輸入電壓相反的恒定直流輸出電壓。后級(jí)逆變輸出由兩點(diǎn)式三相逆變器和三相濾波器組成。斬波器和逆變器開(kāi)關(guān)元器件可采用GTO或IGBT，IPM等。此電路的特點(diǎn)是：電網(wǎng)電壓的波動(dòng)不影響斬波器輸出電壓的恒定穩(wěn)定，當(dāng)電網(wǎng)電壓高于斬波器輸出電壓時(shí)，斬波器按降壓斬波控制方式工作；當(dāng)電網(wǎng)電壓低于斬波器輸出電壓時(shí)，斬波器按升壓斬波控制方式工作。兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的交替導(dǎo)通和關(guān)斷，提高了斬波開(kāi)關(guān)頻率，降低了儲(chǔ)能電抗器體積和容量以及開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力，減小了輸出電壓的脈動(dòng)量。

綜上所述，采用靜止輔助逆變電源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流發(fā)電機(jī)組供電裝置，已是地鐵與輕軌城市軌道交通發(fā)展的必然趨勢(shì)。靜止輔助逆變電源方案的選擇，應(yīng)結(jié)合國(guó)內(nèi)電力電子技術(shù)的發(fā)展、元器件的使用水平以及國(guó)外地鐵電動(dòng)車(chē)組輔助逆變電源的發(fā)展方向，研制和開(kāi)發(fā)出適合我國(guó)城市軌道交通地鐵和輕軌車(chē)輛的輔助逆變供電系統(tǒng)。地鐵靜止輔助逆變電源的研制成功標(biāo)志著我們已具備了開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)國(guó)產(chǎn)化地鐵輔助電源的能力。

參考文獻(xiàn)：

第5篇：逆變電源的設(shè)計(jì)范文

【關(guān)鍵詞】通信設(shè)備；電源；改造；可靠性

1改造背景

揚(yáng)州地區(qū)電力通信網(wǎng)經(jīng)過(guò)多年來(lái)不斷的建設(shè)與發(fā)展，已經(jīng)形成了光纖通信和微波通信為主要通信方式的一個(gè)綜合數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，承載著信息管理系統(tǒng)、調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)、保護(hù)安控系統(tǒng)、可視會(huì)議系統(tǒng)、行政、調(diào)度交換機(jī)系統(tǒng)等多種業(yè)務(wù)。擔(dān)負(fù)著揚(yáng)州轄區(qū)內(nèi)三級(jí)以上的通信設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)工作，以及揚(yáng)州地區(qū)市到縣通信網(wǎng)和城區(qū)網(wǎng)的運(yùn)維工作。

圖1為早期的通信機(jī)房電源系統(tǒng)框圖，從中可以看出，直流負(fù)載由于有蓄電池組作為后備電源，在市電供電異常的情況下，能保持穩(wěn)定工作。但交流負(fù)載卻會(huì)有斷電情況的發(fā)生，因?yàn)椴还苁亲詣?dòng)還是手動(dòng)切換，只要是機(jī)械切換方式，交流無(wú)輸出的時(shí)間段足以引起交流負(fù)載復(fù)位。好在時(shí)間比較短，通信設(shè)備恢復(fù)起來(lái)也比較快，而且這種現(xiàn)象的發(fā)生也比較偶然，所以也能接受。

通過(guò)增加1套并聯(lián)式逆變電源系統(tǒng)，可有效避免了交流負(fù)載斷電情況的發(fā)生，做到了同直流負(fù)載一樣不受市電輸入切換的影響。

該逆變電源系統(tǒng)的工作原理是：正常情況下有-48V直流供電，逆變后產(chǎn)生220V交流電，經(jīng)配電后供交流負(fù)載。當(dāng)-48V直流供電異?；蛐枰獧z修時(shí)，可通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)自動(dòng)或手動(dòng)切換到交流供電，正常后可手動(dòng)恢復(fù)到逆變工作狀態(tài)。在切換過(guò)程中，交流輸出不會(huì)中斷。

整流通信電源的負(fù)載率越來(lái)越大，越來(lái)越有必要切斷逆變電源的供電，這樣才能使整流通信電源的負(fù)載率處于合理的范圍內(nèi)。同時(shí)也是考慮到當(dāng)發(fā)生斷電時(shí)，按當(dāng)初負(fù)載容量配置的后備蓄電池組同時(shí)供不斷增大的交流負(fù)載和直流負(fù)載持續(xù)穩(wěn)定的供電時(shí)間會(huì)大打折扣，出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題的概率有明顯的上升，這些不得不防范。

原有的的逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量偏小，只能負(fù)載容量為40A以下的通信設(shè)備，隨著公司的電網(wǎng)的大力發(fā)展，負(fù)載容量已接近極限，擴(kuò)容勢(shì)在必行。

交流負(fù)載接線有待完善，先有不少具有雙交流輸入電源模塊的服務(wù)器設(shè)備，雖然有了冗余功能，但卻是單電源引入，萬(wàn)一該路斷電，還是造成設(shè)備停止工作，沒(méi)有更好地發(fā)揮該設(shè)備的雙電源冗余功能。

2改造方案

在STS屏內(nèi)采用了3只單相輸入的STS靜態(tài)切換裝置，而不是采用1只三相靜態(tài)切換裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)兩路三相輸入電源的切換。這樣進(jìn)一步縮小了因STS故障對(duì)負(fù)載影響的范圍。為完全避免此類(lèi)問(wèn)題，今后隨著技術(shù)發(fā)展，可采用模塊化的帶熱插拔功能的STS裝置進(jìn)行STS分配電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3改造過(guò)程

3.1UPS交流分配屏安裝

直接拆除原先的-48V直流輸入，220交流輸出的逆變電源系統(tǒng)，利用大容量UPS電源系統(tǒng)作為主備輸入。具體實(shí)施過(guò)程如下：

（1）將UPS交流分配屏安裝在原先的容量為40A的逆變電源屏旁邊。

第6篇：逆變電源的設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；Matlab；正弦波逆變器；脈寬調(diào)制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-373X(2009)04-001-03

Simulation Research of Switching Power Supply Based on PWM

WANG Bing,ZHANG Runhe,SUN Yanxia

(Information Engineering College,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot,010051,China)

Abstract：The switching power-supply system can be symbolized by mathematical model or nonlinear control model.A discrete and nonlinear simulation model of switching power supply is established by Matlab,it is used in the simulation of the 220V high frequency switching power supply.The simulation analyzes the working process and dynamic characteristics of inverter,as well as the input voltage,spectrum and THD (Total Harmonic Distortion) of inverter.The waveform of output voltage is analyzed and conclusion is drawn.The results indicate that:its harmonic content is quite few and the stable state performance is good.

Keywords：switching power supply;Matlab;sine wave inverter;pulse width modulation

0 引 言

通過(guò)數(shù)學(xué)的方法，把小功率開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)表示成數(shù)學(xué)模型和非線性控制模型，建立一種開(kāi)關(guān)電源全系統(tǒng)的仿真模型，提高了仿真速度。Matlab是一個(gè)高級(jí)的數(shù)學(xué)分析軟件，Simulink是運(yùn)行在Matlab環(huán)境下，用于建模、仿真和分析動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性及非線性系統(tǒng)。

在Matlab 5.2中推出了電力系統(tǒng)工具箱，該工具箱可以與Simulink配合使用，能夠更方便地對(duì)電力電子系統(tǒng)進(jìn)行仿真。隨著電源技術(shù)的發(fā)展，PWM控制的開(kāi)關(guān)電源得到了廣泛的研究和應(yīng)用，如通信電源，機(jī)車(chē)電源等。這里以220 V高頻開(kāi)關(guān)電源為研究對(duì)象，建立模型。該電源采用脈寬調(diào)制控制方式，實(shí)現(xiàn)了減輕重量、縮小體積、提高精度等多項(xiàng)指標(biāo)要求，在開(kāi)關(guān)電源的系統(tǒng)模型研究中極具代表性。主回路采用DC-HFAC-DC-LFAC結(jié)構(gòu)［1］，并利用Matlab建立一個(gè)離散的、非線性的模型。分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)環(huán)和閉環(huán)仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較與分析。

1 電路原理圖

電路原理如圖1所示。

圖1 逆變電源原理圖

2 仿真電路

圖2中各子模塊的仿真模型如圖3～圖10所示。該系統(tǒng)的仿真參數(shù)為：直流升壓電路仿真參數(shù)設(shè)置：工作頻率f=20 kHz；變壓器變比k=13；輸出濾波L=8 μH,C=300 μF。全橋逆變電路仿真參數(shù)設(shè)置：工作頻率f=25 kHz，輸出濾波L=80 mH,C=100 μF。這里設(shè)置相應(yīng)仿真參數(shù)進(jìn)行仿真調(diào)試。

圖2 逆變電源Simulink仿真模型

2.1 輸入回路的建模

使用電力系統(tǒng)工具箱的電源模塊以及電阻電容模塊可以很便捷地建立輸入回路的仿真模型。輸入采用兩級(jí)LC直流輸入濾波技術(shù)［2］，在保證穩(wěn)態(tài)濾波效果的同時(shí)，限制了瞬態(tài)諧振峰值，具有無(wú)功耗，高衰減，可控諧振峰值等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 輸入模塊仿真模型

2.2 DC-DC回路的建模

由圖1可知，輸出回路中的整流二極管不能流過(guò)反向電流，這也是一個(gè)非線性環(huán)節(jié)，建立非線性的數(shù)學(xué)模型。

2.2.1 DC-DC主電路的建模

根據(jù)圖1可知，濾波電感中電流為：

IL=1L∫ULdt=1L∫(Ui－UF)dt（1）

式中：Ui為不控整流的輸出電壓；UF為負(fù)載電壓；UL為電感電壓；負(fù)載電壓為：

UF=UC=1C∫ICdt=1C∫(IL－IF)dt（2）

式中：UC電容電壓；IL為電感電流；IC為電容電流；IF為負(fù)載電流。

圖4 DC-DC升壓電路仿真模型

2.2.2 PI調(diào)節(jié)器的建模

比例積分調(diào)節(jié)器仿真模型（PI）如圖5所示。

PI調(diào)節(jié)器的輸出波形如圖6所示。

2.2.3 PWM控制器的建模

仿真利用積分關(guān)系來(lái)產(chǎn)生三角波，Simulink中Sources有脈沖發(fā)生器(Pulse Generator)，使其產(chǎn)生頻率為20 kHz，幅值為4×104，占空比為50%的信號(hào)。

圖5 比例積分調(diào)節(jié)器仿真模型（PI）

圖6 PI調(diào)節(jié)器的輸出波形

圖7 脈沖寬度調(diào)制模型仿真模塊（PWM）

圖8 三角波與脈沖波的仿真結(jié)果

2.3 逆變電路的建模

逆變電路仿真模型（Inverter）如圖9所示。

2.3.1 PI調(diào)節(jié)器的建模

比例積分調(diào)節(jié)器仿真模型（PI1）如圖10所示,其輸出波形如圖11所示。

2.3.2 SPWM的建模

正弦寬度調(diào)制模型仿真模塊（SPWM）如圖12所示。

圖9 逆變電路仿真模型

圖10 比例積分調(diào)節(jié)器仿真模型（PI1）

圖11 PI1調(diào)節(jié)器的輸出波形

圖12 正弦寬度調(diào)制模型仿真模塊（SPWM）

2.4 輸出回路的建模

輸出及顯示模塊仿真模型（output）如圖13所示。

圖13 輸出及顯示模塊仿真模型（output）

3 仿真結(jié)果

建立Simulink系統(tǒng)仿真模型，仿真模型設(shè)置仿真時(shí)間0.3 s，并選擇變步長(zhǎng)的ode15算法，在輸入電壓為48 V，負(fù)載為額定負(fù)載情況下，啟動(dòng)仿真可得其輸出波形，輸出電壓波形圖和THD頻譜圖如圖14和圖15所示。

3.1 開(kāi)環(huán)仿真

開(kāi)環(huán)仿真如圖14所示。

3.2 閉環(huán)仿真

閉環(huán)仿真如圖15所示。

圖14 開(kāi)環(huán)仿真圖

圖15 閉環(huán)仿真圖

從頻譜分析上可以看出，開(kāi)環(huán)時(shí)，總諧波系數(shù)（THD）為3.02％，且三次諧波含量比較大。閉環(huán)時(shí)，總諧波系數(shù)（THD）為0.07％，諧波含量非常少。

從電壓波形上可以看出，開(kāi)環(huán)時(shí)電壓輸出波形在第3個(gè)周期才達(dá)到穩(wěn)定，而閉環(huán)時(shí)在第2個(gè)周期就達(dá)到了穩(wěn)定，所以閉環(huán)時(shí)電壓達(dá)到穩(wěn)定值的速度比開(kāi)環(huán)時(shí)要快。

4 結(jié) 語(yǔ)

該模型不僅可用于來(lái)考查系統(tǒng)內(nèi)部主要狀態(tài)的瞬態(tài)變化過(guò)程，還可用于來(lái)對(duì)控制回路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。這對(duì)于提高控制系統(tǒng)的性能具有現(xiàn)實(shí)意義和研究?jī)r(jià)值。用數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的建模，選擇仿真時(shí)間為0.3 s，完成仿真只要40 s左右，不僅避免了其他工具的極慢仿真速度，還提高了仿真的可靠性。Simulink是控制系統(tǒng)仿真的一種功能完善、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制容易、構(gòu)造模型簡(jiǎn)單的強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)仿真工具。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 王 冰 男，1983年出生，山東菏澤人，碩士研究生。研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

張潤(rùn)和 男，1960年出生，內(nèi)蒙古人，副教授。主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

第7篇：逆變電源的設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：PIC單片機(jī)；正弦脈寬調(diào)制；逆變電源；仿真

作者簡(jiǎn)介：賀輝（1963-），男，山東聊城人，河北省精密數(shù)控專(zhuān)用設(shè)備工程技術(shù)研究中心，工程師。（河北 保定 071000）馬t明（1991-），女，河北保定人，燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院本科生。（河北 秦皇島 066004）

基金項(xiàng)目：本文系河北省重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目資助課題（課題編號(hào)：122121012）的研究成果。

中圖分類(lèi)號(hào)：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）02-0227-02

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電源質(zhì)量越來(lái)越成為各種電氣設(shè)備正常和良好工作的基礎(chǔ)。電源技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)持續(xù)的研究課題即是研究作為電子信息產(chǎn)業(yè)命脈的電源的可靠性和穩(wěn)定性。而逆變器作為電源的核心部分，其調(diào)制技術(shù)很大程度上決定了電源輸出電壓的質(zhì)量。目前最常用的調(diào)制技術(shù)是正弦脈寬調(diào)制（SPWM）。隨著單片機(jī)的出現(xiàn)及其廣泛應(yīng)用，智能化控制方法已經(jīng)逐漸替代傳統(tǒng)的分立元件電路產(chǎn)生方法或是專(zhuān)用芯片產(chǎn)生方法。智能化逆變電源的優(yōu)勢(shì)在于它不僅能實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的輸出，還為系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)的監(jiān)控、處理及顯示提供接口。同時(shí)它與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)更好地結(jié)合產(chǎn)生了故障自診斷和自我保護(hù)功能，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在充分考慮工業(yè)控制成本及穩(wěn)定性要求的前提下，本設(shè)計(jì)采用PIC單片機(jī)作為控制核心，再輔助相關(guān)外部電路，組成一個(gè)具有穩(wěn)定和智能化等優(yōu)點(diǎn)的逆變電源控制系統(tǒng)。

一、具體電路設(shè)計(jì)

單相橋式逆變電路如圖1所示。[1]電路正常工作情況下，兩對(duì)開(kāi)關(guān)管需要兩組相位相反的驅(qū)動(dòng)脈沖分別控制，使VT1、VT4同時(shí)通斷和VT2、VT3同時(shí)通斷。輸入直流電壓為220VAC，逆變器的負(fù)載為R。當(dāng)開(kāi)關(guān)VT1、VT4接通，VT2、VT3斷開(kāi)時(shí)時(shí)，電流流過(guò)VT1、R和VT4，負(fù)載上的電壓極性是左正右負(fù)；當(dāng)開(kāi)關(guān)VT1、VT4斷開(kāi)，VT2、VT3接通時(shí)，電流流過(guò)VT2、R和VT3，負(fù)載上的電壓極性反向，直流電即轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姟Ｈ粢淖冚敵鼋涣麟婎l率，改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率即可，繼而得到正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)的交流方波電壓。負(fù)載為純阻型時(shí)，負(fù)載電流電壓波形相同，相位也相同；負(fù)載為感性時(shí)，電流滯后于電壓，二者波形不同。輸出為相當(dāng)于三個(gè)差120°相位的單相逆變電路的疊加，即三相逆變，其原理不再贅述。

二、產(chǎn)生PWM波芯片選擇

本設(shè)計(jì)電路為單相全橋逆變電路，其主電路是典型的DC-AC逆變電路。由單片機(jī)對(duì)LC濾波后的電壓進(jìn)行AD采樣，把所得的數(shù)據(jù)輸入到PIC16F873單片機(jī)，由PIC16F873單片機(jī)芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并輸出相應(yīng)的SPWM信號(hào)給IR2136驅(qū)動(dòng)電路，控制逆變電路的開(kāi)關(guān)管通斷，從而控制逆變器的輸出，調(diào)節(jié)電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作溫度，保護(hù)控制系統(tǒng)電路。另設(shè)有鍵盤(pán)、控制頻率及幅值，同時(shí)顯示模塊，用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

PIC16F873單片機(jī)電路是此系統(tǒng)的控制核心電路，主要發(fā)揮以下兩個(gè)方面的作用：為驅(qū)動(dòng)電路提供SPWM控制信號(hào)，控制逆變橋的通斷；對(duì)輸出電壓進(jìn)行AD采樣。

集成電路IR2136芯片主要作用是產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)電平來(lái)控制逆變電路的開(kāi)關(guān)管通斷，從而控制逆變器的輸出。除此以外，由于系統(tǒng)輸出的不僅有SPWM波，還包含低次以及高次諧波。本設(shè)計(jì)采用了LC濾波電路以達(dá)到最終輸入標(biāo)準(zhǔn)正弦波的目的。[2]ω=2R/L為其截止角頻率，R為公稱(chēng)阻抗，設(shè)截止頻率為fc，則有：

L=2R/w= （1）

C=L/R2= （2）

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的核心部分是SPWM信號(hào)的產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)采用三角波作為載波、正弦波作調(diào)制波的對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法較為經(jīng)典，得到一系列幅值相等但寬度不等的矩形波。然后使用在線計(jì)算的方法計(jì)算矩形波的占空比：[3]

設(shè)N為載波調(diào)制波比，即有N=fc/fr。其中fc為載波頻率，fr為調(diào)制波頻率。本系統(tǒng)的SPWM信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，故載波頻率可由下式計(jì)算：

fc=fOC1BPFCPWM= （3）

其中，變量N代表分頻因子（1、8、64、256或1024），fclki/o是MCU時(shí)鐘。

設(shè)M=UR/UC，為調(diào)制深度，其一般取值范圍為0～1，其中UC為載波幅值，UR為調(diào)制波幅值。改變調(diào)制波的幅值就能使輸出的基波電壓幅值發(fā)生變化。

根據(jù)規(guī)則采樣法的原理，假設(shè)一個(gè)周期內(nèi)有N個(gè)矩形波，則第i個(gè)矩形波的占空比Di為：

Di=0.5+0.5Msin （4）

通過(guò)設(shè)置單片機(jī)，利用上述公式計(jì)算出占空比使之與計(jì)數(shù)器的TOP值相乘形成一個(gè)正弦表。然后將數(shù)據(jù)送到比較寄存器中，配置單片機(jī)I/O口寄存器，在PD4口輸出SPWM信號(hào)。整個(gè)SPWM產(chǎn)生程序流程圖及實(shí)時(shí)反饋圖如圖2：

常用的正弦調(diào)制法分為同步調(diào)制法和異步調(diào)制法。同步調(diào)制法在調(diào)制波的頻率很低時(shí)，容易產(chǎn)生不易濾掉的諧波，而當(dāng)調(diào)制波頻率過(guò)高時(shí)，開(kāi)關(guān)元件又難以承受；異步調(diào)制法的輸出波形對(duì)稱(chēng)性差，脈沖相位和個(gè)數(shù)不固定。本軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用了分段同步調(diào)制法，[4-6]吸收上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，且很好地克服各自的缺點(diǎn)，得到特性較好的正弦波。其具體操作為：把調(diào)制波頻率分為幾個(gè)載波比不相同的頻段，在各個(gè)頻段內(nèi)保持載波比恒定，通過(guò)配置單片機(jī)內(nèi)部的載波頻率實(shí)現(xiàn)輸出基波頻率的變化，即改變計(jì)數(shù)器的TOP值，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功能。選取的原則為：輸出頻率高的頻段采用低載波比，輸出頻率低的頻段采用高載波比。同時(shí)，載波比選取為3的倍數(shù)以得到嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)的雙極性SPWM信號(hào)。本系統(tǒng)中將頻段分成五段，具體見(jiàn)表1：

對(duì)輸出電壓的實(shí)時(shí)反饋是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。電網(wǎng)的波動(dòng)或是負(fù)載的變化可能導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定，因此為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性，在系統(tǒng)中加入PID增量數(shù)字閉環(huán)控制，公式如下：

（5）

根據(jù)單片機(jī)編程需要，將上式做如下改變：

（6）

其中Kp=1/σ是比例系數(shù)，Kl=KpT/Tl是積分系數(shù)，Kl=KpTD/T是微分系數(shù)。結(jié)合單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換功能模塊與PID閉環(huán)控制，可以很好地修正各開(kāi)關(guān)周期的脈寬，達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的目的。

四、逆變仿真結(jié)果

在逆變部分的仿真中，本系統(tǒng)使用的是MATLAB中的SIMULINK組件。電路原理為利用PIC16F873單片機(jī)輸出PWM波控制IR2136進(jìn)而控制晶閘管的柵極導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)幅。

在此三相逆變電路中，運(yùn)用三相全橋進(jìn)行LC濾波之后得到輸出。同時(shí)，該系統(tǒng)中還包括一個(gè)電壓負(fù)反饋和一個(gè)電流負(fù)反饋系統(tǒng)。這樣的設(shè)計(jì)可以對(duì)一些擾動(dòng)起到一定的抵抗作用，使得輸出的三相電壓較為穩(wěn)定，有較好的相角裕度和一定的幅值裕度，但在實(shí)際的逆變過(guò)程中可能出現(xiàn)同一橋臂的兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通所導(dǎo)致的短路現(xiàn)象?？紤]上述情況后，對(duì)上述電路原理圖進(jìn)行了改進(jìn)，如下圖3所示，加入了死區(qū)，其仿真結(jié)果如圖4所示：

在圖4中波形在下波峰處發(fā)生畸變，這是由于在下橋臂上引入了死區(qū)非線性所導(dǎo)致的結(jié)果，屬于附加畸變。

五、結(jié)論

上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，工業(yè)條件下對(duì)于電源的要求可通過(guò)利用PIC16F873單片機(jī)輸出PWM波控制IR2136進(jìn)而控制晶閘管的柵極導(dǎo)通的方法實(shí)現(xiàn)，且該方法具有諧波較小、濾波電路較為簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。因此，它在高性能中變頻調(diào)速、直流并網(wǎng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，采用單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生SPWM信號(hào)有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，是智能化電源領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳東升.基于DSP的數(shù)字式正弦波逆變電源的研究與設(shè)計(jì)[J].電氣技術(shù)，2006，（11）：22-24，27.

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第8篇：逆變電源的設(shè)計(jì)范文

【關(guān)鍵詞】交直流一體化；電源；系統(tǒng)智能化

1 傳統(tǒng)變電所站用電源分散設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

一直以來(lái)，變電站站用電源包括交流電源系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)、UPS不間斷電源系統(tǒng)、通信電源系統(tǒng)等，每個(gè)系統(tǒng)采用分散設(shè)計(jì)，獨(dú)立組屏，不同設(shè)備由不同的供應(yīng)商生產(chǎn)、安裝、調(diào)試，各個(gè)供電子系統(tǒng)也分配不同的專(zhuān)業(yè)人員管理。這種分散設(shè)計(jì)與管理，存在著諸多問(wèn)題：

1）站用變電源難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)管理

由于交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等設(shè)備由不同廠家提供，所以通信規(guī)約一般不兼容，很難實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)管理，自動(dòng)化程度低。由于沒(méi)有統(tǒng)一的監(jiān)控設(shè)備對(duì)整個(gè)站用電源進(jìn)行管理，不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，無(wú)法進(jìn)行站用電源協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)、狀態(tài)檢修等深層次開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

2）設(shè)備管理的可靠性降低

由于占用所有設(shè)備的信息不能網(wǎng)絡(luò)共享，對(duì)于一些設(shè)備的故障和報(bào)警不能夠綜合分析和管理，不同專(zhuān)業(yè)的巡檢人員分別管理各個(gè)電源子系統(tǒng)，缺乏對(duì)系統(tǒng)的綜合分析判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患。

3）重復(fù)運(yùn)用、經(jīng)濟(jì)性較差

站用變中各系統(tǒng)設(shè)備由不同供應(yīng)商提供，缺乏綜合性考慮，造成配置重復(fù)使用，一次性投資顯著增加。如：直流電源，UPS不間斷電源、通訊電源分別配置獨(dú)立的蓄電池，浪費(fèi)嚴(yán)重；交流系統(tǒng)配置電源自動(dòng)切換設(shè)備（ATS），充電模塊的交流輸入側(cè)又重復(fù)配置，既浪費(fèi)又影響設(shè)備之間協(xié)調(diào)運(yùn)行。

4）設(shè)備維護(hù)不方便，增加成本

由于供應(yīng)商之間利益與管理的差異性比較大，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，各個(gè)廠家到現(xiàn)場(chǎng)處理問(wèn)題的速度不同，缺乏統(tǒng)一性的溝通，使處理問(wèn)題的效率降低。

站用變的所有設(shè)備分配不同專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行管理：交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)由變電人員進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)，UPS由自動(dòng)化人員進(jìn)行維護(hù)，通信電源由通信人員維護(hù)。人力資源不能總體調(diào)配，通信電源、UPS等也沒(méi)有納入變電嚴(yán)格的巡檢范圍，可靠性得不到保障。

2 智能一體化電源設(shè)計(jì)方案及特點(diǎn)

圖1 一體化電源一次原理圖

通過(guò)上述對(duì)站用變?cè)O(shè)備分散設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，針對(duì)性提出了智能交直流一體化電源的設(shè)計(jì)思路，來(lái)實(shí)現(xiàn)：第一，建立站用電源統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)智能平臺(tái)；第二，消除站用電源隱患；第三，提高站用電源管理水平；第四，進(jìn)行深層次開(kāi)發(fā)，提高站用電源安全與智能化水平。

1）智能交直流一體電源的定義

站用交直流一體化電源系統(tǒng)是指：將站用交流電源系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)、逆變電源系統(tǒng)、通信電源系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試、售后服務(wù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信、設(shè)計(jì)優(yōu)化、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)方法，實(shí)現(xiàn)站用電源安全化、網(wǎng)絡(luò)智能化設(shè)計(jì)，達(dá)到效益最大化目標(biāo)。

智能站用電源交直流一體化系統(tǒng)包括：交流電源子系統(tǒng)、直流電源子系統(tǒng)、逆變電源子系統(tǒng)、通信電源子系統(tǒng)、一體化監(jiān)控子系統(tǒng)。

2）技術(shù)優(yōu)勢(shì)

智能交直流一體化電源系并不是對(duì)交流、直流等子系統(tǒng)的簡(jiǎn)單拼裝，其主要技術(shù)特征表現(xiàn)在：

（1）網(wǎng)絡(luò)智能化設(shè)計(jì)：通過(guò)一體化監(jiān)控器對(duì)站用交流電源、直流電源、逆變電源、通信電源進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，建立統(tǒng)一的信息共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化。支持61850通訊規(guī)約。

（2）對(duì)交流子系統(tǒng)進(jìn)行安全、智能化設(shè)計(jì)：①進(jìn)線采用ATS自動(dòng)轉(zhuǎn)化開(kāi)關(guān)、實(shí)現(xiàn)電氣與機(jī)械雙閉鎖；②饋線采用固定式安裝技術(shù)；③統(tǒng)一監(jiān)控管理，實(shí)現(xiàn)“四遙”功能等。

（3）優(yōu)化蓄電池配置：①可取消UPS，使用逆變器直接掛于直流母線代替；②取消通信蓄電池組及充電設(shè)備，使用DC/DC變換器直接掛于直流母線代替。

3） 智能交直流一體化電源的特點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)站用電源網(wǎng)絡(luò)化、智能化、一體化程度的提高

對(duì)站用電源中的交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、逆變電源系統(tǒng)、通信進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控和管理，能夠合理解決原有廠家分散設(shè)計(jì)造成的通訊規(guī)約不兼容等問(wèn)題，提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化程度。

①各個(gè)子系統(tǒng)智能監(jiān)控機(jī)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)連接到一體化總監(jiān)控，一體化監(jiān)控器1個(gè)通信口、一種規(guī)約接入綜自/調(diào)度系統(tǒng)；

②在一體化電源的總監(jiān)控就可以查看各子系統(tǒng)的電壓、電流、開(kāi)關(guān)量等數(shù)據(jù)，通過(guò)修改系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)行方式、遙控開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)站用電源“四遙”功能；

③統(tǒng)一的信息共享平臺(tái)，可以提高站用電源綜合自動(dòng)化應(yīng)用水平。

（2）提高站用電源的安全性、可靠性

所有設(shè)備均采用成熟可靠技術(shù)，其本身不存在任何技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)一體化設(shè)計(jì)可以有效避免站用電源的安全隱患。

①蓄電池一體化設(shè)計(jì)，避免了UPS蓄電池與通信電源蓄電池維護(hù)不精細(xì)、損壞不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

②對(duì)站用變電源出現(xiàn)的某一處故障進(jìn)行綜合分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題；

（3）提高站用電源管理水平

一體化電源便于集中管理全站電源系統(tǒng)，提高站用電源的整體管理水平。由固定維護(hù)人員同時(shí)管理、維護(hù)全站電源，便于統(tǒng)一調(diào)配人力資源；將通信電源、UPS等納入到整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，便于對(duì)信息的進(jìn)行綜合分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患。

【參考文獻(xiàn)】

第9篇：逆變電源的設(shè)計(jì)范文

【關(guān)鍵詞】模塊化UPS；逆變器并聯(lián)；下垂控制；無(wú)互聯(lián)線控制

不間斷電源UPS（Uninterrupted Power Supply）出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代，它解決了傳統(tǒng)市電直接供電模式下電能質(zhì)量差、可靠性低等問(wèn)題，并開(kāi)始為重要負(fù)載提供電能保障。隨著用電負(fù)載對(duì)供電容量、可靠性方面越來(lái)越高的要求，傳統(tǒng)UPS暴露出了諸如擴(kuò)容難、維修性差不足。為解決這些問(wèn)題并進(jìn)一步滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)電能的質(zhì)量和可靠性要求，基于高頻鏈的模塊化UPS技術(shù)正被廣泛關(guān)注和研究。模塊化UPS采用N+X冗余供電，在擴(kuò)展性、可靠性和維修性方面較傳統(tǒng)UPS有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，成為未來(lái)UPS發(fā)展的一個(gè)重要方向。實(shí)現(xiàn)模塊化的關(guān)鍵是逆變模塊之間的并聯(lián)均流控制，要求各個(gè)模塊同步輸出，即同幅、同頻、同相，否則在逆變器間將會(huì)產(chǎn)生很大的環(huán)流，對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)造成不良影響甚至崩潰。

近年來(lái)隨著數(shù)字信號(hào)處理器的廣泛應(yīng)用，極大地推進(jìn)了UPS逆變模塊并聯(lián)均流控制技術(shù)的發(fā)展。實(shí)現(xiàn)逆變器并聯(lián)均流控制的方法很多，就模塊間有無(wú)控制連線而言，逆變器并聯(lián)控制技術(shù)可分為有互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制和無(wú)互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制兩大類(lèi)。有互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制的主要思想是從傳統(tǒng)直流電源的并聯(lián)技術(shù)而來(lái)，是一種主動(dòng)負(fù)載均分技術(shù)，使用較多的主要有集中控制、主從控制、分散邏輯控制。其中集中控制和主從控制在任意時(shí)刻都依靠于一個(gè)控制單元；分散邏輯控制是獨(dú)立控制方式，可實(shí)現(xiàn)模塊自我控制。盡管使用這些控制技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，并且在輸出電壓調(diào)節(jié)和模塊均流方面都取得了不錯(cuò)的效果，但是模塊間不可或缺的信號(hào)連線卻始終制約著有互聯(lián)線逆變器控制技術(shù)的發(fā)展，并極大地降低了系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性。無(wú)互聯(lián)線逆變器控制的主要思想來(lái)源于下垂特性理論。針對(duì)逆變器輸出的有功功率及無(wú)功功率，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值及頻率，實(shí)現(xiàn)逆變模塊間均流控制，相比有互聯(lián)線控制，由于無(wú)互聯(lián)線控制中逆變模塊之間沒(méi)有互聯(lián)線，每個(gè)模塊只需檢測(cè)本模塊輸出信息，通過(guò)解耦計(jì)算就可直接得到控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的控制，所以基于下垂法的無(wú)互聯(lián)線控制具有很高的可靠性和靈活性。

1.環(huán)流分析

理想U(xiǎn)PS中每個(gè)逆變模塊的輸出電流應(yīng)相等以實(shí)現(xiàn)輸出功率的均分，然而實(shí)際制作中每個(gè)逆變器模塊的參數(shù)無(wú)法完全一致，加之線路阻抗的不同，使得各逆變模塊輸出電壓的幅值和相位無(wú)法在任意時(shí)刻精確相等，導(dǎo)致各逆變模塊間輸出功率均分和電流無(wú)法精確均分，這將引起逆變器模塊間的環(huán)流，對(duì)設(shè)備造成極大傷害，尤其是在系統(tǒng)空載或者輕載的情況之下甚至損壞系統(tǒng)，因?yàn)楫?dāng)模塊間出現(xiàn)環(huán)流時(shí)，有的模塊將吸收有功功率，從而運(yùn)行在整流模式，這將導(dǎo)致直流側(cè)電壓上升，并對(duì)直流側(cè)電容造成損壞。

因此對(duì)逆變器間環(huán)流進(jìn)行分析十分重要，為此我們建立如圖1所示的兩臺(tái)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)等效模型：

設(shè)E1∠φ1、E2∠φ2分別為逆變器1和逆變器2的出電壓；r1+jX1和r2+jX2分別為逆變器1和2的輸出阻抗和導(dǎo)線阻抗之和，負(fù)載為R，且負(fù)載電壓為V

根據(jù)歐姆定律可以得到：

（1）

（2）

（3）

將式（1）、（2）帶入式（3）中，并假設(shè)在并聯(lián)系統(tǒng)中輸出阻抗和線路阻抗中的阻性成份r1=r2≈0；系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，逆變器間的輸出電壓相位差別很小，使得sinφi=φi，cosφi=1；逆變器模塊組成部分參數(shù)差異不大，近似認(rèn)為X1=X2=X。

得到經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的有功功率和無(wú)功功率為：

（4）

（5）

對(duì)式（4）兩邊同時(shí)微分可得：

（6）

由于φ《E，所以ΔE×φ《E×Δφ，且ΔE×Δφ的值很小，故簡(jiǎn)化得到：

（7）

同理可得：

（8）

由此可知，在實(shí)際系統(tǒng)中由于每臺(tái)逆變器模塊的輸出阻抗不同，導(dǎo)致逆變器模塊間輸出電壓產(chǎn)生幅值差和相位差，使得各逆變器輸出有功無(wú)功不均，形成環(huán)流。然而可以通過(guò)對(duì)輸出電壓的幅值和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功無(wú)功的控制。為了避免環(huán)流的產(chǎn)生，人們提出了許多控制策略，但就并聯(lián)UPS模塊間有無(wú)互聯(lián)線而言，可分為兩大類(lèi)，即有互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制和無(wú)互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制。下面將對(duì)這兩類(lèi)控制方式依次介紹。

2.有互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制

2.1 集中控制

集中控制思想為建立一個(gè)控制中心，對(duì)各模塊輸出電壓電流信息統(tǒng)一收集并處理，且所有逆變模塊的控制指令由控制模塊統(tǒng)一下達(dá)。其原理框圖如圖2所示，假設(shè)各單元中電流差是由電壓幅值不一致造成的，直接把電流差作為電壓指令的補(bǔ)償量以消除電流的不平衡。

圖2 集中控制原理框圖

如圖2所示，并聯(lián)控制單元首先檢測(cè)交流母線電壓的頻率和相位，以此為基準(zhǔn)，得到輸出電壓參考頻率f*，通過(guò)每個(gè)逆變模塊中的鎖相環(huán)PLL（PhaseLockLoop）進(jìn)行鎖相，使得每個(gè)逆變器輸出電壓頻率一致；然后檢測(cè)負(fù)載電流iL，iL除以并聯(lián)模塊數(shù)N后得到參考電流iref，用本模塊輸出電流i減去參考電流iref后得到的Δi作為輸出電壓補(bǔ)償量，計(jì)算得到輸出電壓參考值V*；最后用V*與f*合成參考電壓Vref，實(shí)現(xiàn)輸出功率和電流的均分。

集中控制是最早出現(xiàn)的控制方法，其原理相對(duì)單且易于實(shí)現(xiàn)，但是由于系統(tǒng)共用一個(gè)集中控制中心，一方面使得并聯(lián)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)真正的模塊化，另一方面如果該控制單元出現(xiàn)故障，則整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓，無(wú)法運(yùn)用到大型分布式系統(tǒng)之中。

2.2 主從控制

人們?yōu)榱私鉀Q集中控制下由于控制中心唯一造成的系統(tǒng)可靠性較差問(wèn)題，開(kāi)始將控制單元做到每臺(tái)逆變電源中，運(yùn)行時(shí)選擇一臺(tái)主控逆變電源負(fù)責(zé)完成并聯(lián)控制功能，其他逆變電源做從機(jī)，這就是主從控制基本思想。傳統(tǒng)主從控制主要分為三類(lèi)：?jiǎn)沃鳈C(jī)模式、輪流主機(jī)模式和最大電流主機(jī)模式。并聯(lián)系統(tǒng)工作時(shí)首先起動(dòng)的逆變電源為主機(jī)，行使控制功能，其他逆變電源則為從機(jī)，依照主機(jī)給出的同步基準(zhǔn)信號(hào)工作。這種方式克服了集中控制下控制單元出現(xiàn)故障逆變電源就不能運(yùn)行的缺陷，只要仍有逆變電源正常工作，就可切換主機(jī)并繼續(xù)運(yùn)行。圖3給出了主從控制原理框圖。

圖3 主從控制原理框圖

主從控制系統(tǒng)中增加了并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的傳輸信號(hào)線BL、反映模塊狀態(tài)的主從標(biāo)志MI以及可控開(kāi)關(guān)K，若一個(gè)模塊被選為主模塊，則該模塊將向網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信號(hào)線發(fā)出信號(hào)，標(biāo)志此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)已有主機(jī)，同時(shí)閉合開(kāi)關(guān)K，將本模塊計(jì)算得到的控制信號(hào)通過(guò)公共同步基準(zhǔn)信號(hào)線傳遞給其余從模塊；對(duì)于其余從模塊而言，啟動(dòng)時(shí)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)線BL=1，說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)有主機(jī)，則開(kāi)始接收主模塊傳遞的控制信號(hào)對(duì)本模塊進(jìn)行控制。

這樣，主模塊以電壓源逆變器運(yùn)行，而從模塊以電流源逆變器運(yùn)行。主從控制較集中控制的可靠性有所提高，當(dāng)主模塊失效時(shí)，系統(tǒng)中任意一個(gè)從模塊將會(huì)取代主模塊的角色為整個(gè)系統(tǒng)提供輸出電流參考信號(hào)，以避免整個(gè)系統(tǒng)的失效。然而從主模塊故障，到從模塊切換為主模塊過(guò)程中系統(tǒng)可能因失去同步而出現(xiàn)大規(guī)模失效，同時(shí)各模塊的控制邏輯判斷電路復(fù)雜，故可靠性不高。

2.3 分散邏輯控制

從集中控制發(fā)展到主從控制，都未能解決系統(tǒng)在任意時(shí)刻需要一個(gè)控制單元而造成的穩(wěn)定性和可靠性差的問(wèn)題。人們?cè)O(shè)計(jì)出一種不依賴(lài)于集中控制單元或某個(gè)主模塊的控制策略，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立檢測(cè)、控制本模塊工作狀態(tài)并合理分配模塊間的輸出功率、抑制環(huán)流的方法，稱(chēng)為“獨(dú)立并聯(lián)控制技術(shù)”。如圖4所示為分散邏輯控制原理框圖。

圖4 分散邏輯控制原理框圖

如圖4所示，單個(gè)逆變模塊通過(guò)信號(hào)總線接收其余各模塊輸出信息，計(jì)算后得到輸出電流平均值I/n作為本模塊的參考輸出電流，模塊實(shí)際輸出電流與參考輸出電流之差ΔI經(jīng)過(guò)電流環(huán)后得到輸出電壓參考幅值U*，輸出電壓參考頻率f*則通過(guò)鎖相環(huán)對(duì)交流母線電壓鎖相后得到，最后合成輸出電壓參考Uref，實(shí)現(xiàn)模塊間的均流控制。

分散邏輯控制綜合系統(tǒng)中各逆變器輸出信號(hào)，計(jì)算并得出控制信號(hào)，這種方式可實(shí)現(xiàn)真正的N+1并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)模塊故障退出時(shí)，并不影響其他模塊的并聯(lián)運(yùn)行。相對(duì)于集中控制和主從控制，分散邏輯控制去掉了集中控制單元，更容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容和冗余，可靠性也得到提高，但是作為有互聯(lián)線控制策略的一種，各逆變模塊之間仍存在控制互聯(lián)線，使得整個(gè)系統(tǒng)會(huì)變得復(fù)雜，可靠性低。

3.無(wú)互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制

綜上所述，可以看出隨著有互聯(lián)線控制策略的發(fā)展，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性和冗余性有了很大提高，但正是模塊間互聯(lián)線的存在，系統(tǒng)不僅可靠性和靈活性仍然受到很大制約，且干擾嚴(yán)重，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代電源從傳統(tǒng)集中式供電到分布式供電的轉(zhuǎn)變，因此人們開(kāi)始探索一種取消模塊間互聯(lián)線的控制方式，即無(wú)互連線并聯(lián)控制。

3.1 無(wú)互聯(lián)線并聯(lián)控制基本思路

在有的文獻(xiàn)當(dāng)中，無(wú)互聯(lián)線控制技術(shù)又被稱(chēng)作獨(dú)立控制和下垂控制，其核心思想來(lái)源于大型交流發(fā)電機(jī)實(shí)際工作中輸出電壓頻率隨著輸出功率增加而下降這一現(xiàn)象。無(wú)互聯(lián)線控制下模塊檢測(cè)自身輸出電壓和電流，通過(guò)計(jì)算得到本模塊控制信號(hào)并進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)均流。其理論依據(jù)為：如式（7）、（8）推導(dǎo)，通過(guò)利用逆變器輸出有功與輸出電壓頻率、輸出無(wú)功與輸出電壓幅值之間存在下垂關(guān)系，通過(guò)控制輸出電壓的幅值與頻率，調(diào)節(jié)模塊輸出有功無(wú)功。

如圖5所示為無(wú)互聯(lián)線控制原理框圖，使用無(wú)互聯(lián)線控制每個(gè)模塊僅采集本模塊輸出量信息，經(jīng)過(guò)一定算法的計(jì)算后就可以形成控制信號(hào)，不再需要收集其余逆變模塊狀態(tài)信息，真正實(shí)現(xiàn)了模塊間的電氣隔離，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和靈活性得到了很大提高，無(wú)互聯(lián)線控制的優(yōu)點(diǎn)有：系統(tǒng)中模塊完全獨(dú)立，易實(shí)現(xiàn)冗余系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠度；系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)安裝和擴(kuò)容；系統(tǒng)抗外界干擾能力加強(qiáng)。但是，無(wú)互聯(lián)線控制也存在控制方式復(fù)雜，難于實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字化等不足。

圖5 無(wú)互聯(lián)線控制原理框圖

3.2 基于電力線通信的無(wú)互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制

電力線通信并聯(lián)基本思想和分散邏輯控制相同，只不過(guò)是通過(guò)擴(kuò)頻芯片將逆變器模塊的信息疊加到交流母線上進(jìn)行傳播，當(dāng)信號(hào)傳輸?shù)狡溆嗄孀兡K時(shí)，再通過(guò)信號(hào)解調(diào)芯片將信號(hào)分離出來(lái)供各逆變器模塊所共享。相對(duì)于有連線控制的并聯(lián)系統(tǒng)，電力線通信控制的并聯(lián)系統(tǒng)確實(shí)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以獲得較好的均流效果，但是由于采用了信號(hào)調(diào)制和解調(diào)芯片，一方面增加了成本，另一方面由于在輸出交流母線上疊加了高頻信號(hào)，不僅降低了輸出電壓波形的質(zhì)量，而且控制系統(tǒng)易受到電磁信號(hào)的干擾，因此系統(tǒng)的電磁兼容性較差。

4.結(jié)論

本文介紹了幾種逆變器并聯(lián)的主要方法，隨著供電模式的改變和用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，UPS模塊化已成為UPS的發(fā)展方向，而UPS逆變器并聯(lián)控制技術(shù)也成為實(shí)現(xiàn)UPS模塊化的核心技術(shù)，縱向比較有互聯(lián)線控制和無(wú)互聯(lián)線控制可知道，有互聯(lián)線控制相對(duì)比較成熟，但是受到互聯(lián)線的制約，發(fā)展前景極為有限；相反由于模塊間無(wú)互聯(lián)線，模塊真正意義上實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，無(wú)互聯(lián)線控制必將成為未來(lái)UPS逆變器并聯(lián)控制技術(shù)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1]段善旭.模塊化逆變電源全數(shù)字化并聯(lián)控制技術(shù)研究[D].武漢：華中理工大學(xué)，1999.