單相雙極性SPWM逆變器的設計

1、LOGO指導教師：彭華指導教師：彭華單相雙極性單相雙極性SPWMSPWM調(diào)制器的設計調(diào)制器的設計n學院學院：信息科學與工程學院：信息科學與工程學院n學生學生：彭華：彭華n學號學號：09090824150909082415u 近年來，隨著能源危機的日趨嚴重，電氣工程師一直致力改善供近年來，隨著能源危機的日趨嚴重，電氣工程師一直致力改善供電質(zhì)量，歐美約有電質(zhì)量，歐美約有70%的電能經(jīng)電力電子裝置處理后使用，節(jié)約能源的電能經(jīng)電力電子裝置處理后使用，節(jié)約能源20%。到。到2000年處理后使用的能源已達到年處理后使用的能源已達到90%。目前，世界上的幾個。目前，世界上的幾個主要的大電氣公司所生產(chǎn)的逆變器

2、主要的大電氣公司所生產(chǎn)的逆變器.基本上都是采用基本上都是采用PWM調(diào)制技術(shù)，調(diào)制技術(shù)，而在大功率方面，考慮到開關(guān)損耗的原因，基本上采用階梯波疊加的而在大功率方面，考慮到開關(guān)損耗的原因，基本上采用階梯波疊加的調(diào)制技術(shù)。調(diào)制技術(shù)。u 8080年代后期，電力電子技術(shù)在國內(nèi)開始使用，隨著改革開放的步年代后期，電力電子技術(shù)在國內(nèi)開始使用，隨著改革開放的步伐加速，技術(shù)也越來越成熟，盡管如此，我國經(jīng)電力電子技術(shù)處理后伐加速，技術(shù)也越來越成熟，盡管如此，我國經(jīng)電力電子技術(shù)處理后使用的電能不足使用的電能不足30%，普及率遠低于國外，而其中的梯形波，普及率遠低于國外，而其中的梯形波PWM技技術(shù)雖有相關(guān)應用，卻也未

3、大范圍推廣。術(shù)雖有相關(guān)應用，卻也未大范圍推廣。系統(tǒng)的背景及意義系統(tǒng)的背景及意義u 本文提出的本文提出的PWM型逆變器用梯形波代替正弦波調(diào)制信號型逆變器用梯形波代替正弦波調(diào)制信號,是一種是一種新型脈寬調(diào)制技術(shù)新型脈寬調(diào)制技術(shù), 梯形波作為調(diào)制信號，三角波為載波，以兩波的梯形波作為調(diào)制信號，三角波為載波，以兩波的交點時刻控制開關(guān)器件的通斷實現(xiàn)交點時刻控制開關(guān)器件的通斷實現(xiàn)PWM控制控制。u 正弦正弦PWMPWM逆變主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，忽視了直逆變主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的，忽視了直流電壓的利用率，其直流電壓利用率在最理想的條件下僅為流電壓的利用率，其直流電壓利用率在最理

4、想的條件下僅為86.6%86.6%，實際應用中更低。梯形波作調(diào)制信號與用正弦波作調(diào)制信號相比較，實際應用中更低。梯形波作調(diào)制信號與用正弦波作調(diào)制信號相比較，它能使逆變器輸出的它能使逆變器輸出的PWMPWM波形中基波分量幅值高，可以有效地提高直波形中基波分量幅值高，可以有效地提高直流電壓利用率。在電機傳動領(lǐng)域中我國電機每年要消耗流電壓利用率。在電機傳動領(lǐng)域中我國電機每年要消耗62%62%的電能。的電能。而利用梯形脈寬調(diào)制技術(shù)不僅能給電機提供良好的調(diào)速性能，還能大而利用梯形脈寬調(diào)制技術(shù)不僅能給電機提供良好的調(diào)速性能，還能大大節(jié)約能源，在我國有著廣闊的市場前景，對于目前國家提出的節(jié)能大節(jié)約能源，在我

5、國有著廣闊的市場前景，對于目前國家提出的節(jié)能減排具有積極意義。減排具有積極意義。系統(tǒng)的背景及意義系統(tǒng)的背景及意義論文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容論文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容u第一部分第一部分n單相逆變器單相逆變器SPWMSPWM調(diào)制電路的基本結(jié)構(gòu)圖調(diào)制電路的基本結(jié)構(gòu)圖nPWMPWM調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)及及雙極性調(diào)制雙極性調(diào)制u第二部分第二部分n硬件設計硬件設計n單片機的最小系統(tǒng)設計單片機的最小系統(tǒng)設計n驅(qū)動電路設計驅(qū)動電路設計n顯示電路設計顯示電路設計論文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容論文的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容u第第三三部分部分n雙極性調(diào)制算法雙極性調(diào)制算法n算法子程序設計算法子程序設計n顯示子程序設計顯示子程序設計n主程序設計主程序設

6、計u第第四四部分部分n數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析n總結(jié)總結(jié)SPWMSPWM逆變電路及其原理分析逆變電路及其原理分析 工作時上下管通斷互補。工作時上下管通斷互補。單相橋式單相橋式PWMPWM逆變電路逆變電路調(diào)制控制信號的產(chǎn)生一般調(diào)制控制信號的產(chǎn)生一般常采用指令電壓與三角波比常采用指令電壓與三角波比較獲得。較獲得。根據(jù)對根據(jù)對IGBTIGBT在一個開關(guān)周在一個開關(guān)周期調(diào)制控制的方法不同，輸期調(diào)制控制的方法不同，輸出電壓具有不同的電平形式出電壓具有不同的電平形式。指令信號電壓指令信號電壓UrUr稱為稱為調(diào)制信號電壓調(diào)制信號電壓（波），它的頻率決定了輸出電壓、（波），它的頻率決定了輸出電壓、電流的基波頻率。電流

7、的基波頻率。三角波信號電壓三角波信號電壓U Uc c稱為稱為載波電壓載波電壓，它的頻率決定了功率管的調(diào)制開關(guān)它的頻率決定了功率管的調(diào)制開關(guān)頻率。頻率。單極性單極性SPWMSPWM控制方式（單相橋逆變）控制方式（單相橋逆變）負載電流為負的區(qū)間，負載電流為負的區(qū)間， V V1 1、V V4 4門門極正，但極正，但i io o為負，為負，i io o從從VDVD1 1和和VDVD4 4流過，流過，V V1 1V V4 4承受反壓，無電流；承受反壓，無電流；u uo o= =U Ud d 。V V4 4關(guān)斷關(guān)斷V V3 3開通后，開通后，i io o從從V V3 3和和VDVD1 1續(xù)續(xù)流，流，u u

8、o o=0=0。 u uo o總可得到總可得到U Ud d和零兩種和零兩種電平。電平。u uo o負半周，讓負半周，讓V V2 2保持通，保持通，V V1 1保持斷，保持斷，V3V3和和V4V4交替通斷，交替通斷，u uo o可得可得- -U Ud d和零兩種電平。和零兩種電平。u ur ru uc cu uO Ow wt tO Ow wt tu uo ou uofofu uo oU Ud d- -U Ud d在在u ur r和和u uc c的交點時刻控制的交點時刻控制V V3 3/V/V4 4的通斷。的通斷。u ur r正半周，正半周，V V1 1保持通，保持通，V V2 2保持斷。保持斷。

9、表示表示u uo o的基波分量的基波分量雙極性雙極性PWMPWM控制方式（單相橋逆變）控制方式（單相橋逆變）u ur r半周期內(nèi)，三角波正負對稱，輸出半周期內(nèi)，三角波正負對稱，輸出PWMPWM波有正波有正有負，其幅值有有負，其幅值有U Ud d兩種極性的電平。兩種極性的電平。u ur r正負半周，各器件的控制規(guī)律相同。正負半周，各器件的控制規(guī)律相同。u ur r u uc c時，時，V V1 1和和V V4 4正驅(qū)動，正驅(qū)動，V V2 2和和V V3 3關(guān)斷。關(guān)斷。如如i io o00，V V1 1和和V V4 4通，如通，如i io o00，VDVD1 1和和VDVD4 4通，通， u uo

10、 o= =U Ud d 。u ur r u uc c時，時，V V2 2和和V V3 3正驅(qū)動，正驅(qū)動，V V1 1和和V V4 4關(guān)斷。關(guān)斷。如如i io o000，VDVD2 2和和VDVD3 3通，通，u uo o=-=-U Ud d 。一周期內(nèi)輸出平均電壓為一周期內(nèi)輸出平均電壓為(2a-1)U(2a-1)Ud d。a=0.5a=0.5時輸出電壓平均值為時輸出電壓平均值為0 0。圖圖7-6 7-6 雙極性雙極性PWMPWM控制方式波形控制方式波形u ur ru uc cu uO Ow wt tO Ow wt tu uo ou uofofu uo oU Ud d- -U Ud d單、雙極式

11、控制方式的比較單、雙極式控制方式的比較對照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也對照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制，由于對開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們可采用雙極性調(diào)制，由于對開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。的輸出波形也有較大的差別。載波載波雙極性對稱三角波三角波 uc，頻率fc調(diào)制波調(diào)制波 正弦波正弦波ur,頻率f調(diào)制比頻率比 脈寬隨時間按正弦規(guī)律變化 0tucuru00 tu01Ud1i0CCit0ABCDT13D24T24D13Idi irmCmUmUcfNfffc0tucuru00 tu01Ud1i0CCi

12、t0ABCDT13D24T24D13Idi irmCmUmUcfNfffc輸出電壓基波阻感性負載電流基波滯后1，4驅(qū)動，2，3關(guān)斷，U00電流負，二極管續(xù)流，1，4管雖有驅(qū)動但被反壓嵌位不導通電感釋放能量，電流幅值下降2，3驅(qū)動，1，4關(guān)斷，U00二極管1，4續(xù)流直到負電流降為0。V1，4負嵌位解除，轉(zhuǎn)入導通，電流變正上升。電源端輸出電流為負，吸收回饋能量電源輸出正電流，向逆變器輸送能量載波載波雙極性對稱三角波三角波 uc，頻率fc調(diào)制波調(diào)制波 正弦波正弦波ur,頻率f調(diào)制比頻率比 脈寬隨時間按正弦規(guī)律變化 單片機最小系統(tǒng)設計單片機最小系統(tǒng)設計u 本設計采用本設計采用STC12C5A60S2S

13、TC12C5A60S2單片機作為主控芯片，容易實單片機作為主控芯片，容易實現(xiàn)系統(tǒng)擴展，能有效輸出兩路現(xiàn)系統(tǒng)擴展，能有效輸出兩路PWMPWM波形，通過軟硬件設計，波形，通過軟硬件設計，實現(xiàn)多功能的電機控制。實現(xiàn)多功能的電機控制。u STC12C5A60S2STC12C5A60S2單片機有單片機有60K60K的的FlashFlash程序存儲字節(jié)，程序存儲字節(jié)，3636個個I/OI/O口，具有兩路口，具有兩路PWMPWM輸出、輸出、8 8路路1010位位ADCADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、每個模數(shù)轉(zhuǎn)換、每個I/OI/O能設置成弱上拉、強上拉、高阻、開漏模式，能設置成弱上拉、強上拉、高阻、開漏模式，I/OI/O在弱

14、上拉在弱上拉時輸出電流為時輸出電流為0.150.25mA0.150.25mA。該單片機內(nèi)置上電復位電路，。該單片機內(nèi)置上電復位電路，性 價 比 高 ， 抗 靜 電 ， 抗 干 擾 ， 低 功 耗 ， 低 成 本 。性 價 比 高 ， 抗 靜 電 ， 抗 干 擾 ， 低 功 耗 ， 低 成 本 。STC12C5A60S2STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)如圖單片機最小系統(tǒng)如圖6 6所示：所示：STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)主程序設計主程序設計u STC12C5A60S2STC12C5A60S2單片機的端口、單片機的端口、SPWM輸出的占空比、輸出的占空比、ADC、160

15、2液晶顯示屏都經(jīng)過初始化后，繼電器會延時一液晶顯示屏都經(jīng)過初始化后，繼電器會延時一秒合上，經(jīng)過數(shù)字平均濾波，會檢測電流值，當電流值大秒合上，經(jīng)過數(shù)字平均濾波，會檢測電流值，當電流值大于于2A時，將會關(guān)閉所有時，將會關(guān)閉所有MOS管，保護調(diào)制器不被燒壞。管，保護調(diào)制器不被燒壞。當流值在正常值時，會根據(jù)當流值在正常值時，會根據(jù)ADC3的值輸出與之成正比的的值輸出與之成正比的SPWM波形。主程序流程圖如下圖所示：波形。主程序流程圖如下圖所示：主程序主程序主程序流程圖主程序流程圖設計設計開始單片機端口、PWM、ADC、1602初始化繼電器延時1秒查詢通道0、3的ADC值數(shù)字濾波關(guān)斷所有MOS管ADC0

16、12(電流大于2A)根據(jù)ADC3的數(shù)字輸出與之成正比的SPWM1602顯示當前頻率1602顯示錯誤信息NOYES數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析u 單片機輸出單片機輸出SPWM波形波形50HZ時測試結(jié)果如下圖所示。時測試結(jié)果如下圖所示。算法計算頻率為算法計算頻率為50HZ,實際實驗結(jié)果頻率為實際實驗結(jié)果頻率為50.1337HZ,計算計算值與實際值偏差不大。值與實際值偏差不大。數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析u 單片機輸出單片機輸出SPWM波形波形20HZ時測試結(jié)果如下圖所示。時測試結(jié)果如下圖所示。算法計算頻率為算法計算頻率為20HZ,實際實驗結(jié)果頻率為實際實驗結(jié)果頻率為20.8572HZ,計算計算值與實際值偏差不大。值與實際

17、值偏差不大。數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析u 單片機輸出單片機輸出SPWM波形波形97HZ時測試結(jié)果如下圖所示。時測試結(jié)果如下圖所示。算法計算頻率為算法計算頻率為97HZ,實際實驗結(jié)果頻率為實際實驗結(jié)果頻率為96.7070HZ,計算計算值與實際值偏差不大。值與實際值偏差不大。系統(tǒng)仿真結(jié)論系統(tǒng)仿真結(jié)論u 多方測試結(jié)果可以看出，該調(diào)制器能輸出多方測試結(jié)果可以看出，該調(diào)制器能輸出20100HZ的正的正弦波電流。并且實際值與理論值偏差非常小，說明單相雙極弦波電流。并且實際值與理論值偏差非常小，說明單相雙極性性SPWM調(diào)制器的性能指標達到了預期的要求。另外本調(diào)制調(diào)制器的性能指標達到了預期的要求。另外本調(diào)制器外接器外接

18、LCD顯示及按鍵，可手動調(diào)節(jié)頻率，并顯示。同時該顯示及按鍵，可手動調(diào)節(jié)頻率，并顯示。同時該系統(tǒng)具有過流保護功能，可以在輸出大于系統(tǒng)具有過流保護功能，可以在輸出大于2A電流的情況下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。切斷交流輸出，大大增加了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。論文結(jié)論論文結(jié)論u 該調(diào)制器的設計全面闡述了逆變器的基本結(jié)構(gòu)、驅(qū)動原理以及軟硬該調(diào)制器的設計全面闡述了逆變器的基本結(jié)構(gòu)、驅(qū)動原理以及軟硬件的設計。本文所設計的基于件的設計。本文所設計的基于STC12C5A60S2單片機的調(diào)制器具有硬件單片機的調(diào)制器具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、保護功能完善等特點。主要實現(xiàn)了如下功能：結(jié)構(gòu)簡單、保護功能完善等特點。主要實現(xiàn)了如下功能：u (1)(1)采用采用STC12C5A60S2作為控制核心，加強智能控制；作為控制核心，加強智能控制； u (2)(2)安全控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的過流保護；安全控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的過流保護；u (3)(3)設計了驅(qū)動電路、控制電路的設計，提高系統(tǒng)的可靠性：設計了驅(qū)動電路、控制電路的