逆變器的設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u6216逆變器的設(shè)計案例 1101561.1PWM逆變器的原理 1288071.1.1逆變電路及其控制方式 1293911.1.2PWM逆變器的基本原理和PWM波的產(chǎn)生方法 2203811.2UPS逆變器主回路設(shè)計 3245001.2.1PWM型三相橋式IGBT逆變電路 319531.2.2逆變器輸出變壓器 6256501.2.3逆變器主回路電路 6313981.3UPS逆變器控制電路設(shè)計 6305341.4UPS逆變器控制軟件設(shè)計 91.1PWM逆變器的原理1.1.1逆變電路及其控制方式1.三相橋式逆變電路逆變中最根本的一種電路是橋型。三相橋式逆變電路的原理電路結(jié)構(gòu)框圖如下圖1.1。其中的S1~S6開關(guān)代表了在實際應(yīng)用電路中使用的是開關(guān)元件。只要這些開關(guān)按一定的方式進行斷開或者閉合，它們都可以把直流電轉(zhuǎn)換成交流電。圖1.1三相橋式逆變電路原理圖在設(shè)計中，逆變器的直流電源輸入側(cè)主要是由電源整流器的直接的輸出或者是經(jīng)由蓄電池的直流直接輸出，歸在電壓源門類之中，因此設(shè)計系統(tǒng)所需要設(shè)計的這個逆變電路主要指的是一種歸在電壓型門類中的逆變電路。它一般情況是在一個工作的周期內(nèi)選擇采用每個電動臂導(dǎo)電通過180°。2.控制方式電壓類型逆變電路中的兩種最常見的控制模式是相控和PWM控。采用相控這個控制模式其實輸出的電壓是一個矩形波，其中包括了較多的不好的諧波，對于負(fù)載具有不利的影響；且由于功率因數(shù)值不高，在調(diào)整時動態(tài)響應(yīng)緩慢。采用PWM控制方式能夠較好地克服上述缺點。PWM調(diào)制其實也就是控制電路當(dāng)中的逆變電路中的那些開關(guān)元件的開通與閉合，進而脈沖寬度涉及相關(guān)量的變化對其進行有效的反映，起到了調(diào)制控制的作用，不一樣指標(biāo)的脈沖被用來直接代替所想要得到的波形。改變脈沖的寬度大小，可以有效地得到想要的逆變輸出的不同規(guī)格的電壓或者頻率。抑制電路中的諧波干擾，PWM通過調(diào)制控制逆變的電路起到了重要的作用。特點還具備：(1)逆變輸出波形接近正弦波(2)動態(tài)響應(yīng)快(3)功率因數(shù)高1.1.2PWM逆變器的基本原理和PWM波的產(chǎn)生方法1.PWM控制的基本原理擁有慣性的各種環(huán)節(jié)之上添加上窄脈沖——沖量的大小是相同的但外部形狀有所不一樣，這些實驗的所得到的結(jié)果基本一樣，從另個角度反映出了各個環(huán)節(jié)加上具有條件的窄脈沖后得到的輸出波形也差不多一個樣。這個結(jié)論出自采樣的控制理論當(dāng)中，同時也為PWM控制打下重要的基礎(chǔ)。圖1.2PWM控制的基本原理示意圖2.利用80C196MC單片機產(chǎn)生SPWM波形根據(jù)上述詳細(xì)解析的基本工作過程原理，我們可以選擇80C196MC單片機來進行設(shè)計進而使其產(chǎn)生所需的SPWM波形。下面對在單片機內(nèi)部所擁有的PWM的波形發(fā)生器的WFG的具體工作過程原理和應(yīng)用怎樣才能直接產(chǎn)生一個SPWM的波形進行實例分析。圖1.3給出了WFG的主要工作電路原理框圖。圖1.380C196MC產(chǎn)生SPWM波形原理框圖1.2UPS逆變器主回路設(shè)計在UPS逆變器的設(shè)計中，主控制回路為三相高頻橋式直流逆變集成電路，構(gòu)成電路的器件是IGBT。SPWM調(diào)制作為控制方式靈活的應(yīng)用在設(shè)計之中。1.2.1PWM型三相橋式IGBT逆變電路1.電路結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計需求，采用了三相橋梁式逆變器集成電路。2.控制方式按照UPS輸出信號波形的特點，設(shè)計過程中為了得到所需的正弦波而使用SPWM進行控制。3.逆變器件的選擇本次逆變電路中各種逆變元件均采用了復(fù)合式器件，最主要的就是絕緣柵雙極晶體管IGBT，這主要是基于以下幾個原因進行考慮的：(1)器件本身的特點(2)逆變電路功率和控制的需要1.IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計基于IGBT在PWM控制的逆變器電路中可以直接工作在高速和大功率的開關(guān)運行狀態(tài)，所處的工作頻率不低，并且要結(jié)合逆變器件自身的性能和特點，設(shè)計它們所需要的驅(qū)動電路時就必須充分考慮以下幾個因素：(1)柵極正向驅(qū)動電壓要正確選擇(2)IGBT的關(guān)斷電壓選取要合適(3)柵極串聯(lián)電阻的取值要適當(dāng)(4)合適的柵源電阻和穩(wěn)壓管(5)確保驅(qū)動電路和整個控制器之間有一個嚴(yán)密的電位區(qū)分(6)內(nèi)部所具有的門極驅(qū)動電路簡單而廣泛應(yīng)用，且它自身具有防止IGBT的出現(xiàn)故障和較好的抗干擾性能根據(jù)以上的技術(shù)要求，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)如下圖的IGBT專用驅(qū)動控制電路。圖1.5利用EXB841組成IGBT驅(qū)動電路EXB841的14和15腳進行輸入PWM脈寬信號調(diào)制載波。EXB841的內(nèi)部的高速率的光耦合對信號進行隔離后進行所需的放大。3腳進行輸出經(jīng)過IGBT的內(nèi)部PWM所帶的驅(qū)動調(diào)制信號。2腳主要是用于EXB841的電源工作回路+20V的電源接入線一腳。1腳給IGBT輸送-5V的相反的方向進行關(guān)斷的電壓。電容器其目的是去消除通過電源接線阻抗所引發(fā)導(dǎo)致的供電回路電壓值的變化。R3R4RG6腳是過流檢測輸出腳，一旦出現(xiàn)超過已定的流量現(xiàn)象，它就會自動通過迅速關(guān)斷恢復(fù)二極管來使D1快速地自動關(guān)斷安全驅(qū)動保護信號，實現(xiàn)對整體IGBT的安全保護。同時，EXB841內(nèi)部的過載電流阻止輸出的電路在5腳上同時輸出過載電流的信號，可以通過隔離裝置對其傳遞出過載電流信號進行報警。EXB841的直流工作回路電源電壓輸出電流范圍一般為+20V，鑒于在EXB841模塊中擁有隔離系統(tǒng)驅(qū)動這種考慮，因此每個EXB841的模塊工作臺電源都必須保證是獨立的，不能同時共用。5.IGBT的保護電路設(shè)計IGBT能不能正常運行和工作，緊接著就會影響到逆變器的表現(xiàn)。IGBT在逆變器中的地位極其重要，它要是破壞了，致命性的擊垮逆變器，所以我們必須注意保護IGBT。一般對IGBT的保護要從過流、過壓、過熱等幾個方面進行入手，設(shè)計出了相應(yīng)的保護電路并且要采用相應(yīng)的防護措施以達到對IGBT的控制。(1)在上述驅(qū)動電路的設(shè)計中，EXB841具有過流自動檢測的功能。保護工作的原理就是通過檢測超過一定量度的過電流，切斷閥門控信號與此同時進行報警。這其中包含一個識別的時間，也就是說允許短路通過電流的時間需要遠遠超過切斷門控信號的時間。在控制管理系統(tǒng)和應(yīng)用軟件設(shè)計中，通過自動測量來源于逆變器所改變后的輸出的電流，對IGBT是不是存在有過流的現(xiàn)象進行分析，對其得到的結(jié)果進行保護。(2)由于在超過電流的情況下，電流的幅值非常大?？焖偃ネ５簦鶗霈F(xiàn)過大的電流的變化量，而且會形成極高的尖峰電壓，易使IGBT和其它元件受到損害。所以在過流時IGBT的斷掉必須要取緩慢速進行。(3)通常是通過阻容緩沖和吸收電路等方式抑制電壓過高和抑制過大的電壓變化量。圖1.6IGBT緩沖電路設(shè)計1.2.2逆變器輸出變壓器經(jīng)過調(diào)制后的SPWM波形需要進行濾波處理才能獲得正弦波。同時為了隔離UPS的輸入和電源的輸出，使它們之間沒有直接的關(guān)于電的連接，從而能夠減小彼此之間的相互干擾，在逆變電路的輸出端連接到工頻隔離變壓器上，接法為三角型和星型。而且隔離式變壓器本身就體現(xiàn)出來一定的漏感、漏阻及其他分布式的電容，這樣就使得變壓器成為了一個自然而然地低通濾波器，使我們完全省去體積巨大的輸出濾波器，并且所過濾出來的正弦波對其失真程度很小。1.2.3逆變器主回路電路綜上所述，可得到UPS中逆變器的主回路電路，如圖1.7所示。I-LEM為霍爾電流傳感器。V-LEM為霍爾電壓傳感器。T1為工頻隔離變壓器。兩個特定單元的IGBT的模塊一起構(gòu)造成逆變的開關(guān)元件。靜態(tài)電源開關(guān)通常是由一個相反方向且并聯(lián)的高速晶閘管構(gòu)造成的。圖1.7逆變器主電路圖1.3UPS逆變器控制電路設(shè)計對逆變器控制電路的基本設(shè)計要求及其功能如下：(1)輸出三相互補的SPWM正弦脈寬調(diào)制脈沖。(2)它可以自動根據(jù)需要對逆變器本身輸出的電壓和頻率進行調(diào)控。(3)保持輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。(4)逆變器所要啟動的時間想要得到控制，啟動的電流想要受到管制，這個時候就需要對逆變器進行特殊的軟啟動。(5)輸出的電壓和市用電網(wǎng)所擁有的電壓鎖相同步。UPS智能逆變器的控制電路總體結(jié)構(gòu)框圖如下圖1.8。圖1.8逆變器控制框圖需要特別注意的一點就是，雖然目前采用單片機的這種可編程方式用來同時產(chǎn)生三相互相修補的PWM脈寬調(diào)制脈沖波，但是由于單片機的每個I/O口徑的驅(qū)動性較弱，單片機所發(fā)送的信號是不能夠與逆變器當(dāng)中的IGBT單元模塊進行互相交流的。逆變器的工作主要集中在很高的電壓，很大的電流這類具有強磁場的情景之下，若單片機和逆變器直接進行對接工作的時候，強磁環(huán)境就可能會影響波及到整個弱電單片機的正常工作運行。所以在PWM所產(chǎn)生的信號被電路接入使用前必須對其電路進行嚴(yán)密的中間電位信號的分離。1.測量和信號采集電路設(shè)計測量包括相位測量、頻率測量、電壓變送器測量、電流變送器測量等。圖1.9頻率和相位測量電路此種方波頻率跳變檢測中斷電路的主要工作基本原理主要功能是將一個傳感器前端輸入的正弦波捕捉信號進行轉(zhuǎn)化而成為方波捕捉信號，再送至單片機的EPA這個具有捕捉信號功能的輸入口，利用方波捕捉信號的那些跳變性的邊沿將引起觸發(fā)由單片機內(nèi)部所產(chǎn)生的中斷，隨后單片機根據(jù)兩次測量信號之間的連續(xù)時刻所存在的誤差進而可以確定所有的需要連續(xù)測量的兩次信號連續(xù)周期，從而所需要的頻率就可以確定。R1，R2，R3，R4和C1及運放A1直接構(gòu)成了一個有源的濾波控制電路。R5，R6及C2，C3直接構(gòu)成了一個帶通的濾波控制電路，通過分別選取合適的濾波參數(shù)，可使帶通濾波器在每個通帶的頻率中心濾波頻率范圍達到非常接近于額定工頻50Hz。運放A2設(shè)計成為過零式的電壓類型的比較器這種接線形式，采用正反饋這種接線方式主要設(shè)計目的也就是為了達到更好地能夠保證比較器的測量性能穩(wěn)定，并且能夠滿足某些特殊的測量精確性設(shè)計要求。一個對低壓信號進行采集處理的電路是通過電壓、電流變送器（PT、CT）以及霍爾電流式的傳感器（LEM）等這些器件，對主電路的很大的電壓、很大的電流進行消減，隨著對它們進行隔離操作，最后送至單片機電路之中進行處理解決。2.信號輸出電路設(shè)計信號輸出電路由一些開關(guān)量的輸出（需要通過光電隔離的元件、驅(qū)動的電路才可進入到輸出的電路之中）以及一些狀態(tài)控制信號的輸出構(gòu)造而成。標(biāo)準(zhǔn)的I/O口輸出是通過單片機的P5口及其他的部分接口算起來共10路組成。3.電壓反饋與逆變器穩(wěn)壓電路設(shè)計對不間斷UPS裝置的特殊性要求如下：不但必須能夠做到不間斷地給負(fù)載提供電力，而且還必須要求其在負(fù)載或者交流輸入電源發(fā)生變動時，應(yīng)該保證具有穩(wěn)定的輸出電壓。但是因為以整流器的輸出來作為逆變的輸入，是經(jīng)常產(chǎn)生一些變化，與此同時，負(fù)載的更換變化使得逆變輸出會呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。只要通過改變調(diào)制深度的系數(shù)，就可以調(diào)節(jié)逆變器的輸出基波幅值。逆變器控制的操作系統(tǒng)，再一次添加了一個由輸出電壓進行負(fù)向的反饋環(huán)節(jié)組合而成閉環(huán)形式的控制系統(tǒng)，通過對正弦波的脈寬調(diào)制進行SPWM的自動調(diào)制相應(yīng)的深度系數(shù)的值進行自動調(diào)整，從而基本實現(xiàn)了控制輸出電壓的穩(wěn)定。緊接著使用PID控制算法來進行計算控制，即將逆變輸出與其已知給定的參考值的相差數(shù)值作為一個可以調(diào)節(jié)的變量，通過逆變電路輸出來的電壓值發(fā)生變化的不同，采用各個比例、積分、微分系數(shù)進行多種搭配計算從而最終達到穩(wěn)定輸出的設(shè)計目標(biāo)。除了這些基本的控制電路設(shè)計模塊外，還包括了同步鎖相控制電路、顯示器顯示電路、通信接口控制電路、系統(tǒng)工作電源等。1.4UPS逆變器控制軟件設(shè)計UPS逆變器控制系統(tǒng)的軟件是一種采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的方法，即程序由一個主程序和幾組子程序兩大模塊共同組成，各個子程序兩兩模塊沒有任何聯(lián)系，相互獨立。這樣的模塊化設(shè)計為程序編寫及其功能擴充提供了方便。主程序負(fù)責(zé)處理整個UPS逆變器的控制工作流程及各個子程序受到它的編程調(diào)用。子程序功能模塊應(yīng)用可以直接完成對整個移動設(shè)備的不同應(yīng)用功能模塊進行獨立實現(xiàn)。初始化管理模塊的主要工作功能之一就是為了正確完成對一個單片機的所有各個有關(guān)通信進行初始化的設(shè)置有關(guān)通信進行初始化的設(shè)置，這部分涵蓋了有關(guān)通信端口的選擇通斷、功能的選擇、通訊工作模式及波特率值的設(shè)定，以及對所有中斷源的允許等等。顯示功能模塊的信息顯示功能主要特點是實時地準(zhǔn)確顯示了UPS的所有輸入和每個輸出工作電流、電壓值，以及其它工作狀態(tài)相關(guān)信息和安全措施保護相關(guān)信息等，并和顯示按鈕以及鍵盤相互操作配套，實現(xiàn)了安全保護專用設(shè)備的一種人機交互操作界面。數(shù)據(jù)采集處理模塊的主要作用之一就是讓它可以直接實現(xiàn)針對八路被測器檢測數(shù)據(jù)信號的不間斷地進行循環(huán)數(shù)據(jù)采樣。數(shù)據(jù)處理控制模塊的主要技術(shù)功能之一也就是根據(jù)某些特殊的邏輯算法，對需要采樣的有用數(shù)據(jù)信號進行邏輯分析和數(shù)據(jù)處理，從而快速確定被檢測器收到的信號的基波有效檢測值，作為其它的過程控制和設(shè)備維修進行保護的技術(shù)基礎(chǔ)。SPWM脈寬調(diào)制模塊波形的基本生成，這個模塊的主要作用就是讓它可以有效生成三相互相補充的正弦PWM調(diào)制波。穩(wěn)壓電路穩(wěn)頻控制模塊的最大特點之一就是它不