一种高效率逆变器的设计与实现-solarbe文库

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收稿日期 2004 - 09 - 12作者简介陈耀军 1977～ , 男 , 湖北人 , 硕士 , 助教 .文章编号 100124217 2005 04200502 05一种高效率逆变器的设计与实现陈耀军 , 钟炎平空军雷达学院 , 湖北武汉 430019摘要针对太阳能逆变器高效率的要求 , 提出单相三阶半周 SPWM 技术 , 并以 PIC16F876单片机为控制核心 , 电路简单可靠 , 在一个正弦周期内开关损耗比常规 SPWM 技术降低一半 , 整机效率最大达到 91 .关键词单相三阶半周 SPWM; 单片机 ; 逆变器中图分类号 TM 464 文献标识码 A0 引言能源问题将成为 21 世纪的突出问题 , 太阳能、风能、地热能等清洁能源逐渐受到人类的重视 . 在我国广大农村 , 特别是在大西北、内蒙古、西藏等远离电网的地区 , 积极推广太阳能供电可谓是一项有意义的工作 . 家用太阳能供电系统 , 一般是将太阳能电池所发的电通过充电控制器存在蓄电池中额定电压通常为 12 V , 再通过逆变器逆变成220V/ 50 Hz 的正弦电压 . 对逆变器的要求是可靠、高效、输出电压谐波含量低 . 针对这一要求 , 本文提出新颖的单相三阶半周 SPWM 技术 , 在一个正弦周期内 , 开关损耗比常规 SPWM 技术降低一半 , 且控制电路以 PIC16F876单片机为核心 , 该芯片内置 8 kflash存储器、 368 字节 RAM、 256 字节 EEROM、 5 路 10 位 AD 、二路 PWM 发生器 [1 ] , 功耗低 , 抗干扰能力强 . 它使得电路设计大为简化 , 降低了功耗 , 提高了系统的可靠性 .1 系统基本结构及工作流程系统框图如图 1 所示 . PIC16F876单片机完成单相三阶半周 SPWM 波形的产生、输入输出电压检测、温度测量、故障判断及稳压等功能 . 单片机产生的两路单相三阶半周SPWM 波经 H 桥驱动芯片 HIP4081产生两队互补的 SPWM 波去控制开关管的通断 , 在桥中点便得到等幅不等宽的调制波 , 经滤波变压网络 , 便可得到 50 Hz 正弦电压 . 图中V T1～ VT4组成全桥 , 它们是由 8 片低导通电阻 MOSFET两两并联组成 . HIP4081 为专用2005 年 11 月Nov. 2005汕头大学学报自然科学版 Journal of Shantou University Natural Science第 20 卷第 4 期Vol120 No14MOSFET全桥驱动芯片 , 最大输出电流 215 A , 采用充电泵技术将上管驱动电源电压升至高于桥中点电压 12 V 以驱动上管 .图 1 系统框图2 单相三阶半周 SPWM 技术原理及其实现211 单相三阶半周 SPWM 技术原理单相 SPWM 的产生方法一般是将两相位相差 180° 的正弦波与三角波比较 , 所得的波形去控制全桥开关管的通断 , 根据三角波的极性 , 可以在桥中点得到二阶 E 和 - E 两种电平 SPWM 和三阶 E、 0、 - E 三种电平 SPWM[2 ] , 在一个正弦周期内 ,四个开关管都在进行开关工作 , 损耗大 .在分析单相全桥逆变器工作特点的基础上 , 我们对传统的三阶 SPWM技术进行改进 , 提出了单相三阶半周SPWM 技术 , 该技术兼有三阶 SPWM谐波幅值小的优点 , 又大大降低了损耗 .单相三阶半周 SPWM 实现原理如图 2 所示 , 它是将两相位相差 180° 的半波正弦另半周为零分别与单极性三角波比较 , 得到单相三阶半周 SP2WM 波作为单相全桥逆变器的控制信号 . 图 2a 所示为 ug2 / ug1 的波形 ,图 2 单相三阶 SPM 原理及采样示意图15第 4 期陈耀军等一种高效率逆变器的设计与实现图 2 b 所示为 ug4 / ug3 的波形 ug1～ ug4分别为开关管 VT1～ VT4的驱动信号 , / ug1和 / ug3为ug1和 ug3的反向波形 , 主电路拓扑见图 1 虚框内所示 , 虚线为基波分量 . 它们只有半个周期的正弦调制波 , 另半周期为低电平 , 在相位上相差 180° . 图 2 c 所示为桥中点间电压 U ab的波形 , 它是一个完整的正弦脉宽调制波形 .仔细研究波形可以发现 , 在一个正弦周期内 , VT2 、 V T4分别在半周期内截止 , V T1 、V T3分别在半周期内是全导通的 , 没有进行开关操作 . 因此 , 相比较传统的 SPWM 技术 ,单相半周调制 SPWM 技术使开关管的开关次数减少了 50 .212 单相三阶半周 SPWM 的实现方法单相三阶半周 SPWM 实现的核心是如何计算半周正弦调制时的脉宽值 . 为了计算方便 , 采用单极性规则采样法来产生 SPWM 波 . 图 3 所示为单极性规则采样示意图 . 正弦波与三角波同极性 , tb 、 td 为采样时刻 , t 1～ t4 为时间间隔。根据三角形相似原理可得 masinω t bt3/ 2 1Tc/ 2 , 即 t3 ma Tc sinω t b ma Tc sin[2π nTc Tc/ 2 / Ts] ma Tc sin[π 2 n 1 / N ] ma Xn , 图 3 单极性规则采样示意图式中 Tc 为三角波周期 , Ts 为正弦波周期 , N 为载波比 , ma 为幅度调制比 , ω 为调制波角频率 , Xn Tcsin[π 2 n 1 / N ] , 当前采样时刻 n 0～ N - 1.为方便编程 , 可将 ta～ te 看成一个开关周期 . 当 N 很大时 , 此开关周期内的关断时间为 t2 t4≈ t2 t1 Tc - t 3.PIC16F876单片机内置两路 10 位 PWM 发生器 , 当用 20 MHz 晶振时分辨率为 50 ns ,编程时 , 只需设置好周期寄存器 PR2 载波周期和工作循环周期寄存器 CCPR1L 或CCPR2L 脉宽值 , 单片机通过定时器 T2 定时便可自动产生 PWM 信号 , 实时修改CCPR1L 或 CCPR2L 的值 , 便可得到可变脉宽的 PWM 信号 . 在产生单相三阶半周 SPWM时 , 编程前 , 先将 X n 的值算好存在单片机的 FlashROM内 , 定时器溢出中断时 , 读出Xn , 乘以 ma , 所得的值放入单片机的工作循环周期寄存器 CCPR1L 中若左半桥处于正弦调制阶段即可 , 而 CCPR2L 赋 0 值 .3 硬件电路设计311 功率检测电路设计功率检测电路也是本电源的特色之一 , 本文没有采用传统的电流取样法 , 而取的是直流母线上的纹波 . 实验发现 , 逆变器工作时 , 直流母线上叠加频率为 50 Hz 的纹波 , 该25 汕头大学学报自然科学版第 20 卷纹波峰值与输出功率成正比 . 因此只需检测直流母线上的纹波峰值便可以算出输出功率的大小 , 也可以估算出输入输出电流的大小 . 检测电路如图 4所示 , 直流母线上的纹波经 C18隔直 ,放大器放大后 , 叠加在 215 V 的直流电压上送往单片机的 ADC3, 单片机经 AD采样 , 检测出电压峰值 , 乘以适当的系数 , 便可计算出输出功率 .312 滤波变压网络设计滤波变压网络如图 5 所示 , 滤波电感 L 和滤波电容 C 分别置于变压器的初次级 , 其输入阻抗 Zi jω ′ L 1/ jω ′ n2 C ,式中 ω ′ 为信号角频率 , 也就是说次级的电容 C 等效为在初级并了一个 n2 C的电容 , 电容的滤波效果提高了 n2倍 . 由于该逆变器中变压器的变比 n较大 , 所以 C 太大会在初级产生较大的无功电流 , L 太大则会增大损耗 ,实际设计中 L 取 10μ H , C取 1μ F , 开关频率为 20 kHz , 效果良好 .图 4 功率检测电路图 5 滤波变压网络4 系统软件设计软件是工作的核心 , 主要完成单相三阶半周 SPWM 的产生、系统的闭环控制、故障检测等功能 . 主程序框图如图 6 所示 . 程序初始化后开始检测是否有负载定时输出窄脉冲 , 判定是否有功率输出 , 若输出接有 5 W 以上负载 , 则逆变器正常输出 . AD 采样包括输入输出电压采样、功率检测、温度测量采样温度传感器 LM 35 的输出电压等 . 故障判断包括过压、欠压、过热、过载、短路判断 , 若系统正常便进入 PI 调节子程序 , 进行稳压处理 . SPWM 数据计算在 T2 定时器中图 6 主程序断中完成 , 如图 7 所示 .35第 4 期陈耀军等一种高效率逆变器的设计与实现5 结语根据上述方法我们设计了一台 400 W 的样机 ,实测在输出功率为 100W 时效率达到 91 , 电压谐波含量小于 5 , 过载 20 , 延时 2 min 保护 ,50 立即保护 , 操作简单 , 安全可靠 , 完全合民用 . 相信此电源有着良好的应用前景 .参考文献 [1 ] 何信龙 , 李雪银 . PIC16F87X 快速上手 [ M] . 北京清华大学出版社 , 2002.[2 ] 刘凤君 . 正弦波逆变器 [M]. 北京科学技术出版社 , 2002.图 7 波形产生子程序Design and Realization of Inverter with High EfficiencyCHEN Yao2jun , ZHONG Yan2pingAir Force RadarAcademy, Wuhan 430019, Hubei , ChinaAbstract Aiming at the high efficiencyof the solar inverter , a techniqueis proposedin this paperwith single2phasethree2stagehalf cycle SPWM , witch reducesthe lossof switch by a factor of 2. Byusing the PIC16F876single2chip microprocessor as the key control unit , the inverter circuit is sim2ple , reliable , and of high efficiency up to 91 .Key words single2phasethree2stagehalf cycle SPWM ; single2chip microprocessor ; inverter简讯近日 , 汕头大学海洋生物南澳试验站又一新品种华贵栉孔扇贝在南澳海域育苗成功 , 育苗技术规程通过审查并颁布实施 .华贵栉孔扇贝 Chlamys nobilis 属于暖水性贝类 , 其肉质鲜嫩、营养丰富 ,其闭壳肌制成的“ 干贝”是名贵的海产品 . 扇贝养殖技术可操作性强 , 容易推广 , 采用延绳浮式笼养方式较于牡蛎养殖具有抗台风能力强等特点 , 可以减少台风等自然灾害所造成的损失 ; 其成品贝价格远高于牡蛎 , 有广泛的市场前景 . 海洋生物南澳试验站经过潜心研究和试验 , 攻克了华贵栉孔扇贝的人工育苗技术 , 成功育苗 100 多亩 , 并已完成了幼苗海区标粗、养殖模式等试验工作 ; 同时 , 由科研人员将育苗技术编制成广东省地方农业标准 , 并由汕头市质量技术监督局颁布实施 , 通过向社会大力推广扇贝养殖技术 , 以期能调整海水养殖结构 , 提高经济效益 , 更好地推动地方经济发展 .45 汕头大学学报自然科学版第 20 卷