基于单片机控制新型逆变稳压电源.docx

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基于单片机控制新型逆变稳压电源

基于单片机控制新型逆变稳压电源

电力电子技术是利用半导体功率电力电子器件、电力电子技术和控制技术，对电气负载进行功率变换。

电力电子技术对工业发展产生了巨大的推动作用，被各国专家称为继计算机之后的第二次电子革命。

电源是电力电子技术的主战场，随着新的电子元器件，变换技术和控制技术的出现与应用，逆变技术得到了很大的应用。

电力电子技术经历了若干阶段，由可控硅整流式到发展逆变式，使电源技术得到了很大的应用。

一、可灵活调节输出电压或电流幅值和频率来控制回路，根据单片机设定程序来调节幅值和频率，从而改善负载功率需求。

二．可将蓄电池的直流电转换为交流电或其他直流电，

三、变压采用变压器，体积和重量占有很大比重。

当采用电力电子技术时，则改善了器件的体积和重量问题。

四、采用逆变技术电源具有高效节能性，如下情况：

）在应用交流电动机的场合，电动机负载变化，以往的调节方式是调节电动机的通电时间所占的比重，这样交流电动机就会出现制动、起动间断变换。

这样起动、制动消耗能量会变得很大。

但是如果使用变频电源来调节电动机所需的电源类型，则可节约传统电源很大的一部分能量。

二）采用逆变电源，是传统的所谓变压器形式的体积和重量大大减小。

变压器本身的损耗包括原、副边铜耗和铁心损耗，使铜耗和铁耗大大减小。

因此，采用逆变技术大大提高变压器的工作频率，是节能效率变得更高。

三）传统的变压器效率不高，功率因数在较低，电流谐波成分和相移角较大。

在逆变电源中，可使用功率因数校正技术，则提高功率因数，提高节能效果。

五、动态响应，控制效果好，变频器的工作频率高，则大大改善电气性能指标。

六、由于逆变器工作频率高，增加了系统的可靠性。

电力系统仿真工具的应用和意义

为了提高设计逆变电源的效率，首先提出理论算法，对其进行仿真以验证该理论是否可行，观察是否能够达到预期的效果。

如果仿真可行，在进行硬件实验。

可以大大提高实验的成功率。

计算机仿真技术为现代工业产品设计带来了很大的帮助，其作用有：

减轻重复性劳动和劳动强度，用仿真的技术来提高实验实现的成功率。

提高分析速度，用理论的探究更容易排查系统的可行性和各种问题所在。

设计实物前先做仿真，进行充分可行性论证后再订购硬件，可以节省资金缩短开发周期，提高产品质量。

通过仿真，进行细致的考察，故障检验，大大减小元器件的损坏程度。

减小初投资，在做实物前，通过仿真来提高实物实验的成功率。

本课题完成的主要任务

了解并掌握电力电子器件的工作原理和应用，应用电源逆变技术来实现微机控制的逆变稳压电源。

用仿真软件可以先试探系统的可行性。

基本工作原理

绝缘栅双极性晶体管等效结构具有晶体管模式。

IGBT综合了MOS和GTR的优点，其导通电阻小，开关时间容量小。

2.1.1IGBT原理

在N沟道MOSFET漏极N层上附加一层P层的四层结构。

IGBT比VDMOSFET多一层P注入区，使IGBT导通时由P注入区向N基区发射少子，使得IGBT的阻抗变小，流通能力增强。

2.IGBT工作原理

N沟道IGBT在栅极-发射级加上正的开启电压，则会在栅极下方生成反型层，P沟道。

该电子为晶体管的少数载流子，进行电导调制效应，可以降低级间的饱和电压。

可能存在寄生晶体管工作。

为了抑制其工作，尽量缩小放大系数来解决闭锁状态。

应使电流放大系数保持在0.5以下

导通：

输入电压大于开启电压时，MOSFET形成导通沟道，IGBT导通。

导通压降：

电导调制效应使导通等效电阻变小，IGBT通态压降变小。

2.1.2IGBT的参数特性

它反映了栅极-发射极级间电压和导通电流之间的关系。

阈值电压越大，导通电流越大

IGBT的参数特点

（1）IGBT开关速度越快，则开关特性越好。

开关时间就越短

IGBT开通过程是从正向阻断到正向导通的状态。

开通时间为从驱动电压的脉冲前沿上升至最大电压的10%所对应的时间起至集电极上升最大值90%所需要的时间。

IGBT的关断过程为从正向导通状态到阻断的过程。

关断时间toff定义为从驱动输入电压脉冲后沿下降到90%至集电极电流下降到10%所经过的时间。

Toff分为关断延迟时间和电流下降时间两部分。

IGBT的开关时间与集电极电流、栅极电阻以及温度参数有关。

（2）IGBT的通态压降低。

在同一状态条件下是VDMOS的1/10左右。

（3）IGBT的集电极电流存在最大值。

在IGBT的开启电压来控制输出电流；当输出电流大到一定范围时，IGBT的寄生三极管均处于饱和状态，栅极G的开启电压失去对输出电流的控制作用。

称为擎住效应。

（4）IGBT的

2.2逆变技术的工作原理

交流变成直流称作整流，完成整流功能的部分称为整流电路。

把直流电变成交流电称为你逆变电路，把逆变装置称为逆变器。

现在逆变技术是电力电子学的一门基础科学。

现代工业装置很大一部分应用到了逆变技术。

2.2.1逆变技术的分类

逆变技术的分类如下：

1、逆变器输出的交流频率，可分为工频逆变、中频、高频逆变。

2、按逆变器输出的相数分为单相、三相逆变技术。

3、按输出能量分为有源、无源逆变。

4、按逆变电路形式分为单端、推挽、半桥、全桥。

5、按照开关器件的类型，有晶闸管，晶体管，场效应管，IGBT各类逆变。

6、按输出量的标准形式分类，可分为电压型和电流型两种逆变形式。

2.2.2逆变电路的基本工作原理

单相桥式逆变电路，桥式电路具有四个桥臂。

均由电力电子器件构成。

当开关S1,S4闭合，S2，S3闭合时，U0为正。

反之为负。

这样可以控制电力电子的开通与关断，把直流电变成交流电。

改变两组开关的切换频率。

就可以改变输出交流电的频率。

当负载为电阻时，负载电流和负载电压的输出波形相同，相位（输出与输入同比例）也相同。

当负载为阻感时，电流相位滞后于电压相位，两者波形不成线性比例。

当t1时刻以前S1，S4导通，当t1时刻断开S1，S4，合上S2，S3时，则负载电压立即变为负电压，因为负载是阻感负载，所以负载的电流不能立即突变，仍然维持原来方向.这时负载的电流仍然维持原来方向，向电源反馈能量。

则负载的流通电流逐渐减小，直至负载电流减小至零。

此时间段的电压与电流反向，负载释放功率。

2.2.3电力器件的换流类型

电流从负载的一个流通路径转为另一条流通路径，成为电力电子电路的换流。

在换流控制的过程当中，有的电力电子器件从导通变为截止，有的器件从截至变为导通。

要使桥臂从截止变为导通，则需要对器件施加适当的触发信号。

但要使电力电子器件关断，全控型器件可以施加控制信号使其关断，而半控型器件可以对其外部采取一定措施来使其关断。

电力电子器件的换流方式分为以下几种方式：

（1）器件换流。

全控型器件本身具有自关断能力，只要向控制信号施加负的脉冲电流，则器件关断，称为器件换流。

（2）电网换流由电网提供换流电压称为电网换流，即由负的电压阻断电力电子器件的电流，使其自关断，称为电网换流。

（3）负载换流由负载提供换流电压，凡是具有电容性质的负载，使电流超前于电压，可以实现负载换流。

（2）（3）适用于半控型器件，为晶闸管换流方式。

2.2.4单相电压型逆变电路

逆变电路根据直流侧电源的性质分为电压型逆变和电流型逆变，

电压型逆变具有以下特点：

1、直流侧为电压源，电压源性质基本无脉动，不随负载而变化称为电压型。

2、由于电压源具有幅值不变的性质，交流侧输出电压为矩形波，与负载无关，而交流侧输出电流波形与负载电压性质无关。

3、当交流负载为阻感负载时，需要提供无功能量。

直流侧电容具有吸收无功能量的作用。

为了使无功能量在交流侧和直流侧之间传递具有联通路径，负载桥臂均需并联反馈二极管。

单相全桥电压型逆变电路：

共有四个桥臂，桥臂1,4组合；桥臂2,3组合；成对的两个桥臂同时导通，两对交替导通角各为180度，

2.3SPWM控制技术

SPWM技术为将一个正弦半波电压分成N等分，把正弦曲线的每一等分用一个等效面积的幅值脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦波中点相对应，具有等效面积原理，称为SPWM波形。

正弦波的另外半波可以用相同的等效面积原理来获得；

根据控制数学理论，脉冲频率越高，SPWM波形接近正弦波形。

SPWM控制方式对逆变电路开关器件的不断控制，是输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的矩形脉冲，用这些波形来代替正弦波形。

在实际操作中，常用正弦波与等腰三角波形相交来确定各脉冲的宽度。

等腰三角波形上下宽度与高度呈线性关系且左右对称，当它与任何一个正弦光滑曲线相交时，得到一组等幅且波形宽度正比于该正弦宽度的矩形脉冲，称为正弦调制方法。

2.3.2单极性和双极性SPWM控制方式

电压型单相桥式PWM逆变电流

载波信号UC在信号正半周为正极性的三角波，调制信号和载波在交点时刻控制逆变器IGBT通断。

在Ur正半周期，T1保持导通，T4交替通断。

当Ur>Uc，使T4导通，负载电压U0=Ud;当Ur<=Uc,使T4关断，由于电感负载中电流不能突变，负载电流将通过D3续流，负载电压

第三章系统硬件设计

3．1

本次设计的目的是研制一种输入为市电三相380V，输出为220V，50HZ的交流稳压电源，输出功率为3KW的单相稳压电源。

该系统的工作原理是三相电源380V经整流滤波变成直流电压，然后经SPWM全桥逆变，变成220V的SPWM电压，再经输出滤波变成220V，50HZ正弦交流稳压电源。

另外，系统中CPU根据输出采样电压值来控制SPWM波形发生器输出SPWM波形参数。

该系统CPU采用AT89C51，SPWM波形发生器。

主电路采用高压整流模块和IGBT模块。

本系统的控制核心器件是AT89C51

AT89C51单片机芯片是有40个引脚，是用CMOS工艺制造的芯片，

1、主电源引脚Vcc和Vss

Vcc:

接+5V电压

Vss:

接地

2、外接晶振引脚

XTAL1：

接外部晶振的一个引脚，在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。

当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器信号，即把信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

片内反相放大器输出端。

外接晶振时，XTAL2和XTAL1各接晶振的一端，接外接晶振与片内反相放大器构成振荡器。

3.输入/输出引脚

P0.0-P0.7：

双向三态I/O口。

在访问外部存储器时，分别输出低8位地址线和8位数据线。

在对内部EPROM编程时，用于数据的输入和输出。

P1.0-P1.7:

8位双向I/O口。

对EPROM编程时，用于接受8位地址。

P2.0-P2.7：

8位双向I/O口。

在访问外部存储器时，输出高8位地址。

在对内部EPROM编程时，由于接收高8位地址。

P3.0-P3.7：

8位双向I/O口。

每个引脚都有各自AT89C51引脚的第二功能：

P3.0为RXD（串行输入口）；P3.1为TXD（串行输出口）;P3.2为INT0（外部中断请求输入端0）；P3.3为INT1（外部中断请求输入端1）；P3.4为T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）；P3.5为T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）；P3.6、P3.7为片外数据存储器/读选通信号输出端）。

3、控制引脚

ALE/PROG:

地址锁存有效信号输出端

PSEN：

片外程序存储器读取选通信号输出端

RST/Vpd:

复位端，当Vcc掉电期间，Vpd如接

系统主电路设计

电源中，噪声是指直流基础电源输出电压中的脉动成分以及其他的交流分量。

有些噪声来自设备外部。

有些噪声来自设备本身。

在开关管高速工作时，非线性元件、传输导线分布电感、电容容易发生计生震荡，

电源中的噪声，按传导与辐射