逆变电源的设计范文

逆变电源的设计篇1

[关键词]高频逆变；交直交变频；集成控制器；车载电源

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2015.45.071

1 引 言

车载逆变电源作用是把汽车蓄电池12V或24V的直流电转变为50Hz的交流电，得到的交流电可以给笔记本电脑、数码摄像机、普通照明灯、平板电脑、电动工具、车载冰箱等使用220V交流电源的用电设备供电。车载逆变电源在国外普遍受到欢迎。中国已成为世界上汽车产销量第一大国，随着我国汽车普及程度的逐渐提高，车载逆变电源的市场会越来越巨大。

2 总体设计

车载逆变电源设计主要有两点，一个是把蓄电池电压提升至220V，另一个就是频率要为50Hz。把12V的电压提到220V，采用升压斩波电路进行。采用升压斩波电路即Boost电路来实现，由于出电压比输入电压高出很多，升压倍数约为18。由Boost电路工作原理易知，占空比约为0.95，理论上可行，但Boost电路实际中难以实现[1]，所以要升压就要借助变压器来实现。变压器如果采用工频变压器，输出同样功率的情况下，体积和重量会比高频变压器大出很多，是人们不能接受的。因此要采用高频变压器，采用高频变换电路。借助高频变压器实现12V的电压变为220V的电压，输出频率必然也是高频。高频的220V交流电，很多我们使用的220V市电供电的用电设备不能直接使用。要再进一步变换，把高频直流电源变换成50Hz的交流电。从总体结构上来说，设计的电路共有两部分：前一部分借助高频变压器和相就的变换电路把12V直流电变为220V的高频交流电，后一部分把高频的220V交流电变换为50Hz的220V交流电。

输入为12V低压输入，输出功率大时输入电流会很大，属低压较大电流输入。全桥式变换电路回路中有两个功率管，而半桥式回路是一半电压对应一个功率管，对推挽式逆变电路回路中功率开关管只有一个，相比较而言，可以减少功耗[2]。后一部分输入的电压本身比较高，而全桥逆变电路可以实现比较大的功率输出。因此电路设计前一部分采用推挽逆变电路，后一部分采用全桥逆变电路。推挽变换电路输出的高频220V经高频二极管整流滤波后得到直流电，再经全桥逆变电路得到50Hz的220V的交流电。

3 推挽逆变部分

该部分功能为把蓄电池12V直流输出变为高压220V输出，频率为10KHz，属高频输出。推挽式变换电路主要由两个开关管Q1、Q2，变压器T1构成。开关管Q1、Q2正负半周交替通断工作。中心抽头把变器原边对称地分为两半。正半周期开关管Q1导通，Q2关断，12V蓄电池，变压器原边的一半和Q1构成回路；负半周期开关管Q2导通，Q1关断，12V蓄电池，变压器原边的另一半和Q2构成回路。正负半周流过变压器原边的电流方向相反，变压器副边得到交流电[3]。这里采用的变压器副边匝数等于原边匝数的好多倍，所以输出电压高。逆变输出的交流电频率主要取决于开关管工作频率。如前所叙述，为了减少变压器的重量和体积，采用高频变压器，开关管工作频相对比较高。推挽逆变电路部分如图1所示。

推挽逆变的控制驱动以SG3525为核心。 SG3525是专用的集成电压型的PWM控制器。图1推挽逆变电路中芯片1脚，2脚对应一误放大器同向输入端和反向输入端，两脚电压差比较大，输出PWM占空比最大[4]，同样条件下，逆变电路输出电压也最大。5脚，6脚外接电阻电容大小决定了芯片输出PWM信号频率也就决定了推挽逆变器工作频率。11 脚和14脚输出两波形一样而相位相差180°的PWM信号，分别通过R6、R7驱动Q1和Q2。

4 整流与全桥逆变部分

整流与全桥逆变部分也即交直交变频部分。该部分功能为把前一部分220V高频输出转变成频率50Hz的220V的交流电。电路如图2所示。220V的高频交流电经二极管VD1-VD4构成的桥式整流电路整流滤变为直流电后再经过四个功率管VT1-VT4逆变后得到220V，50Hz交流电。控制以TL494为核心。芯片5脚6脚接的电阻电容决定了其输出PWM信号的频率也就决定了逆变电路输出频率，5脚6脚接的电阻电容选择恰当的值就可以让逆变电路输出频率为50Hz。1脚、2脚对应于一误差放大器同向输入端和反向输入端，15脚、16脚对应于另一误差放大器。两误差放大器反向输出端接14脚获得比较高的电压，而同输入端接地，这样输出的PWM信号占空比最大。8脚和11脚为PWM信号输出端，互补输出，即相位相差180°。8脚的输出控制VT1和VT3，11脚的输出控制VT2和VT4。8脚和9脚分别是芯片内部集成的开关三极管的集电极和射极8脚输出是低电位时，VT3不导通，Q11也不导通，蓄电池12V电压通过VD5，R4和R1让VT1导通；8脚输出高电位时，通过R7使VT3导通，同时易知Q11也导通，把VT1栅极电位拉低，VT1截止。11脚的输出驱动控制VT2和VT4工作过程和8脚输出驱动控制VT1和VT3相同，只是8脚和11脚输出的PWM相位上相差180°。

TL494也是常用的电压型脉宽调制集成控制器。其内部主要集成了线性锯齿波振荡器，两个误差放大器，死区时间比较器，PWM比较器，基准电压源，触发器等，共有16个引脚。线性锯齿波振荡器的振荡频率由5脚、6脚上外接的电阻电容来决定。两个误差放大器在这里地位是一样的，它们的输出分别经过一个二极管送到PWM比较器的同向输入端，与加在PWM比较器反向输入端的线性锯齿波做比较，产生PWM信号。3脚是两误差放大器的输出端，也是PWM比较器同向输入端；脉冲宽度的调节可以通过3脚上的电压来控制，也可分别通过误差放大器进行调节[5]。13端为输出控制端，当其接低电平时，两管子工作情况相同，当其接高电平时两管子推挽输出。TL494内部还有一个基准电压源，通过14脚为其在应用时提供5.0V的基准电压。芯片的4脚为死区控制引脚，可用来限定芯片输出PWM的最大占空比。利用此功能，引入反馈信号至引脚上可以限定全桥逆变电路的最大输出电压，图2中未画出该部分。

5 结 论

经实践可知，该款逆变电源性能稳定，结构简单，效率高，成本优势明显，可使有车生活更加方便。不足之处在于它的输出不是正弦波，输出电压会受输入电压影响，在220V左右一定范围内波动。

参考文献：

[1]侯振义，夏峥，柏雪倩，等.直流开关电源技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2007.

[2]闫福军，梁永春.一种光伏发电系统中辅助电源设计[J].电力电子技术，2010，44（8），14-16.

[3]陈德康.脉宽调制器UC3842在开关电源中的应用[J].西南科技大学学报，2005，20（2）：27-30.

[4]付瑶，谭智力，于珊.基于SG3525 控制的车载逆变电源设计[J].中国测试，2015，41（1）：77-80.

逆变电源的设计篇2

关键词: 全桥逆变，风光互补，正弦脉宽调制

[Abstract] wind energy and solar energy is the nature of renewable green energy, beautiful complementary sine wave inverter can put the two kinds of renewable energy power allocation, provide sine wave alternating current steady for the people. The article introduces the suitable for wind energy and solar energy complementary single-phase sine wave inverter hardware structure, working principle and the charge and discharge control design method.

[keyword] full bridge inverter, Wind-solar complementary, sinusoidal pulse width modulation

中图分类号：TM919文献标识码：A

一、风光互补型电源系统

（一）太阳能和风能在资源上的互补性：

太阳能是地球上一切能源的来源，风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。图1.1为某地10月份的一天中太阳能和风能资源的分布。可以看出：白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，地表温差变化大而风能加强；在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电系统是资源条件理想的独立电源系统。

图1.1 某地10月份风光互补资源图

（二）太阳能和风能在技术上的互补性

光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统；风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。他们都存在一个共同的缺陷，资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，两种系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，而每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。

图1.2 风光互补电源系统

由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。风光互补电源系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，既能保证供电的可靠性，又降低发电系统的成本。无论是怎样的环境和用电要求，风光互补发电系统都能做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。图1.2为基于MCU的风光互补电源系统结构简图。

二、风光互补型独立电源系统

（一）风光互补型独立电源系统的总体结构

一般小型户用风光互补独立电源系统由光电系统、风电系统、逆变系统、充放电控制系统等构成，如图2.1所示。

图2.1 风光互补电源系统框图

（二）风光互补正弦波逆变器吸收电路的设计

图2.2开关管截止电流吸收网络

在该电路中，开关管工作在截止状态的瞬间，为把存储时间减少到最低限度，一般采用加大反向门极电流的办法。但是如果Ig 过大，会造成发射结的雪崩，而损坏开关管。为了防止这种情况，可采用RC吸收回路。RC吸收回路并联在MOSFET的漏、源极（IGBT的集电极和发射极）之间，在开关管截止时给漏极分流，见图2.2。当Q截止时，电容C通过二极管VD1被充电到工作电源电压E；Q导通时，电容C通过电阻R放电。实际上，吸收回路消耗了一定量的功率，减轻了开关管的负担。如果没有吸收回路，这一部分功率就必须由开关管承担。在实际设计电路时，可用下面公式进行估算。在开关管Q截止时，其能量可用下式表示：

（2-1）

式中，Ic 为最大集电极电流（A）；Uce 为最大集电极-发射极电压（V）；tr 为集电极电压最大上升时间（s）；tf 为集电极电流最大下降时间（s）。由电容定义可求出：

（2-2）

由图2.2可知，电容C上的电压可以写成下式：

（2-3）

式中，ton 是开关管导通时间（这时C经过R放电）。

选取RC回路的参数值要保证以下条件：

1）在开关管截止时间（toff）内必须能使电容C充电到接近Uce 电压；

2）在开关管导通期间（ton）内必须能使电容C上的电荷经电阻R放完，所以应使表达式的值接近于1。

当ton =3RC时，，既可以认为经过3RC的延迟，电容C已基本上把电荷放完，R的取值可由决定。在开关管导通时，应把电容C通过开关管放电的电流限制在0.25A以下。

三、工频变压器的设计和平波电容器的选择

（一） 工频变压器的设计

工频变压器在风光互补正弦波逆变电源系统中起到升压和隔离的作用，它对逆变器的效率、工作可靠性和输出电气性能有着直接的影响，设计不合理会导致噪声、波形畸变、饱和等问题。

变压器变比的设定一般是按照逆变器直流侧输入电压最低值时也能保证输出达到所要求的最高值，而这时，逆变器工作在最大占空比上。取逆变器输入直流电压36V，输出为220V交流电压，设原、副边匝数分别为N1, N2，则变压器变比n为：

（3-1）

由于变压器的绕组内阻压降和前级滤波电感绕组压降，实际原、副边变比应比上述理论值小些，取：

（3-2）

（二） 直流侧平波电容器的选择

对于风光互补逆变器直流侧平波电容器的选择通常按C=（3～5）T/RL计算，其中，T为输入侧直流电压的脉动周期，RL为直流侧等效负载电阻，按本系统额定功率P=500W，电容上平均电压为VE=36V，则直流侧等效负载电阻：

（3-3）

若直流侧为交流电压(频率50Hz)经全波整流后的电压则，T = l 0 ms，则可得：

（3-4）

由于独立逆变时直流侧采用的是蓄电池电压，实际上，T应该小一些，则电容值也相应小一些，取：C≈6000μF，采用多个电解电容并联取值。

四、 风光互补正弦波逆变器的控制回路设计

本节主要讲风光互补逆变器的控制电路部分，主要内容包括：正弦波脉冲宽度调制（SPWM）信号生成电路的设计，功率开关管驱动电路的设计，辅助电源的设计和各种保护电路的设计。

（一）主回路功率开关管驱动电路的设计

由于正弦波脉冲宽度调制（SPWM）信号生成电路和辅助电源的设计，已经有较为成熟的设计电路，此处不做详细讲述。

对于主电路功率开关管MOSFET的驱动我们采用分立元件光电耦合隔离型驱动电路，隔离器件选用TOSHIBA公司生产的高速光耦TLP250，它包含一个GAALAS光发射二极管和一个集成光探测器，8脚双列封装结构，适合于IGBT或电力MOSFET栅极驱动电路。图4.1为TLP250的内部结构简图。

图4.1 TLP250内部结构简图

1．TLP250的使用特点（1）TLP250输出电流较小，对较大功率开关器件实施驱动时，需要外加功率放大电路。（2）由于流过MOSFET的电流是通过其它电路检测来完成的，而且仅仅检测流过MOSFET的电流，这就有可能对MOSFET的使用效率产生一定的影响，比如MOSFET在安全工作区时，有时出现的提前保护等。（3）要求控制电路和检测电路对于电流信号的响应要快，一般由过电流发生到MOSFET可靠关断应在10μS以内完成。（4）当过电流发生时，TLP250得到控制器发出的关断信号，对MOSFET的栅极施加一负电压，使MOSFET硬关断。造成了施加于MOSFET两端的电压升高很多，有时就可能造成MOSFET的击穿。（5）使用TLP250时应在管脚8和5间连接一个0.1μF的陶瓷电容来稳定高增益线性放大器的工作，提供的旁路作用失效会损坏开关性能，电容和光耦之间的引经长度不应超过1cm。

图4.2 主电路功率开关器件驱动电路

2．驱动原理如图4.2所示。当SPWM信号为低电平时，TLP250内部LED发光，推挽输出为高电平，三极管Q20导通Q24关断，则输出的驱动信号为正压信号；反之，三极管Q24导通Q20关断，输出的驱动信号在稳压管的作用下为反压关断信号。

（二）各种保护电路的设计

1. 过载保护

为了防止系统过载，设计了过载保护电路，即使输出短路，系统也能实现自动保护并锁定保护状态，过载保护指示灯(红色)亮起，直到负荷降低到规定限度以下，逆变器将会重新恢复工作。

2. 过压保护和欠压保护

1）过压保护 当蓄电池电压到达充电上界点时（36V上界点默认值为46.2V），控制器将自动进入浮充状态，此时观察到充电指示灯在闪亮，这个时候泄荷器将自动开启泄荷旁路，适量泄放多余的电量。待电压进入正常范围后，自动关闭过压泄荷旁路。。

2）欠压保护 逆变器工作过程中，如果蓄电池的电压逐步降低，当低于32.4V左右时，保护灯（红色）亮起，逆变器停止工作，蓄电池等待充电。

3.过热保护

当用电负荷较多、工作时间较长，或是气候炎热通风不良，逆变器温度升高到一定程度，温度警戒指示灯亮起，逆变器停止工作，并锁定保护状态。直到温度恢复到正常，再打开电源开关，逆变器自动恢复工作。

五、 风光互补智能充电控制

（一）充电控制原理

风光互补电源系统根据性能可分为充电状态、负载状态(放电状态)、保护状态。系统同时监测太阳能组件、风力发电机、负载和两组蓄电池的状况，在相应条件时，进入对应的状态。在每一状态中，系统不仅完成自身阶段的工作，还可根据用户需要设定相应的系统参数并显示系统状态。

（二）风光互补智能充电控制的软件实现

通过比较实用性和经济性，选择PIC16C711单片机，如图5.1所示，单片机PIC16C711通过第1路A/D接口RA0/AN0接电流采样信号，通过第2路A/D接口RA1/AN1接蓄电池采样电压信号，通过第4路A/D接口RA3/AN3接风机电压采样信号，根据检测结果实现风机泄荷和泄荷恢复的控制；实现对光伏阵列对蓄电池的过充和过充恢复的控制；也可实现对逆变输入直流电压的欠压和过压控制，并给出相应指示。单片机通过第3路A/D接口对温度进行检测，并根据检测结果适时修改蓄电池的充/放电保护点。用四个I/O口送外部扩展作显示与键盘操作控制，其中RB0/INT被设置成中断控制每50ms刷新LED显示。按键中断，轮寻检测电压、电流、温度状态，与阀值比较，判断进入相应的充电阶段，改变显示缓冲区内容，实现电池电压、充电电流、已充容量的显示切换。

图5.1 充电控制电路框图

六、结语总结与展望

逆变电源的设计篇3

关键词：逆变系统；PFC电路；输入均流；设计探究；UPS

中图分类号：TM46 文献标识码：A

1.逆变系统

含义：逆变系统包括直流升压电路，逆变电路，驱动电路，保护电路以及通信电路等等。逆变器是指将直流转换成交流的换流器，输入直流可以是低压输入或者高压输入，通过内部直流升压电路提供高压直流给逆变电路，逆变电路根据需求有单相逆变和三相逆变。保护电路是指防止电流冲击、电压冲击、输出短路、器件过温保护等保护系统可靠性，避免逆变系统受外部冲击等影响正常输出的辅助电路。

2. PFC电路

2.1 作用

PFC的英文全称是PowerFactorCorrector，意思是功率因数校正器。随着开关电源的普及应用，普通的整流电路PF值低，输入无功功率大，电力效能低，同时对市电电网存在较大谐波干扰，影响整个电网的稳定性和高效性，所以对产品的功率因数要求越来越高。PFC就是通过主动式和被动式两种方式，提高整流电路的PF值，减少无功功率输入和谐波干扰，减小整流过程中的电能损耗，起到节能的目的。

2.2 分类

PFC理论上可以分为主动式和被动式两种，主动式为有源电路控制方式，可以拥有更高的功率因数（大于0.99），适应宽范围的输入电压，但需要专用集成路进行PFC控制，所以产品电路复杂，成本高昂；被动式为无源电路控制方式，功率因数达到0.8已经是非常好的产品，但是它的优点是电路简单，成本低廉，稳定可靠，缺点是PF值低，体积较大。在一些小功率的开关电源产品中应用广泛。

2.3 主流PFC控制芯片

随着半导体技术的发展和电源开关电源技术的不断创新，主流的半导体生产厂家推出各种类型的PFC控制芯片，极大简化了PFC控制电路的设计，比如TI公司推出的UC系列产品，其中经典产品UC3854，还有比如ON公司推出的NCP1654，IR公司推出的IR1150，凌特公司推出的LT1248，仙童公司推出的FAN4810等等产品，随着PFC控制技术研究的深入，在新型拓扑结构和新型控制方法的不断突破和创新，将会有更多的更好的PFC控制芯片面世。

3. UPS

3.1含义

UPS（Uninterruptible Power System），就是为了解决市电突然掉电或者突变导致设备损坏而研发的，通过市电将电能存储在蓄电池上，通过主机PFC电路、逆变器等模块电路将不稳定的，质量差的市电转换成稳压，波形质量好，不间断地供电给系统设备。主要用于给单台计算机、计算机网络系统、交通通信设备或其他电力电子设备提供稳定可靠的、不间断的电力供应。

UPS的最主要功能：稳压输出，滤除谐波，不间断供电。在市电电网正常供电时，UPS通过内部的PFC整流控制模块，电池模块和逆变模块的能量转换，消除电网中的脉冲冲击，谐波干扰和幅值波动，起到稳压器和滤波器的作用，保证电力电子设备可靠稳定地运行；在市电电网断电时，通过电池模块和逆变模块提供交流供电给负载，通过UPS整个系统的控制系统，可以做到市电电网掉电时输出不掉电，这样就使电力电子设备保持正常运行状态，真正保证了设备的不间断运行。

3.2 逆变拓扑选型

随着不间断电源技术的不断发展和市场的不断扩大，传统两电平结构比如H桥逆变等已经无法满足市场需求，因此具有谐波小、损耗低、效率高等优势的三电平拓扑结构便应运而生。

目前针对三电平拓扑结构有很多种，最常见的两种拓扑结构为三电平“I”型和三电平“T”型，两种拓扑互有优势。I型三电平电路，每个管子只承受一半直流电压，开关损耗低，而且开关频率越高，开关损耗低的优势就越明显；T型三电平电路，主管承受全部直流电压，钳位管承受一半直流电压，对比I型三电平会少两个元件，同时控制算法简单。

4. UPS不间断电源中的PFC电路

主动式PFC整流的根据控制的变量不同，可以分为以下4种方式：峰值电流控制；滞环电流控制；单周期控制技术；平均电流控制。以上4种方法都有各自的优缺点：峰值电流控制，因为只控制电流的峰值，与电流平均值误差较大，THD值存在较大缺陷，同时对噪声的敏感，易产生次谐波振荡等等缺点，该技术将逐渐被淘汰；滞环电流控制，设置最大电流参考和滞环回差值，虽然提高了电流控制精度，但是缺点同样明显，开关频率难于做到恒频控制，在实际应用不多；单周期控制技术，该技术主要特点是反应快，精度高，于每个开关周期内对电流进行调节，能有效地抑制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差。单周控制能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，整个控制系统具有反应快、动态特性良好、开关频率恒定、易于实现、抗干扰强、控制电路简单等优点。缺点是需要快速复位的积分电路。平均电流控制，主要是在峰值电流控制和滞环电流控制的基础上进行调整，集中了峰值电流控制的恒频控制优点和滞环电流控制的精度优点，可以提供极低输入THDv和THDi，同时，简化了输出滤波器的设计，且因为有电流控制器做调节，取的是平均电流，所以提高了系统在噪声干扰下的稳定度和精度。主要缺点是：控制电路复杂，需检测电感电流需电流控制环路；参考电流与实际电流的误差随着占空比的变化而变化，可能引起低次电流谐波。但目前平均电流控制是应用最广泛、技术最成熟的PFC控制方式。

5.三相UPS高效前级PFC设计实例

三相UPS项目后级采用三路单相T型三电平逆变，通过DSP控制三路逆变输出相位相差120°构成三相逆变输出；三相UPS前级采用凌特的LT1248控制芯片，通过三路单相PFC整流电路构成三相UPS的PFC电路，电路结构简单，性能优良。

三相不同输入的均流问题，系统通过采样三相的输入电流，经过均流电路，把每相输入电流和三相平均输入电流的差值引入到各路的LT1248电流环中，使得每路的输入电流保持均衡。

单相PFC整流电路采用单电感双boost功率拓扑，节省了一个功率电感，同时整合整流和升压电路，电路更简洁，成本更低，如图1所示。

实际产品开发应用过程中，根据产品的性能指标，安规和认证的要求，需要在输入增加LC滤波电路，同时在PFC的工作前需要对正负BUS进行缓启动处理，防止PFC模块启动瞬间的冲击电流损耗器件，同时为了保证提供给后级逆变系统平衡的稳定的正负BUS电压，还需要对正负BUS进行均压控制，BUS过压保护，这些指标要求需要对正负BUS电压采样并通过硬件处理后送入LT1248的控制环路，保证每路的PFC功率模块正常工作，同时为增加系统可靠性还要加入系统输入电流过流保护，功率器件的过温保护，IGBT的过流保护等等措施来满足产品的规格设计要求。

参考文献

[1]杨成林，陈敏，徐德鸿.三相功率因数校正（PFC）技术的综述（1）[J].电源技术应用，2002（8）：50-55.

[2]杨成林，陈敏，徐德鸿.三相功率因数校正（PFC）技术的综述（2）[J].电源技术应用，2002（9）：50-55.

逆变电源的设计篇4

[关键词]逆变器光伏单片机脉冲宽度调制

1引言

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源,生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能,广义地说,太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种,则是指太阳能的直接转化和利用,通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术[1]。

本文介绍了一个应用于可再生能源发电系统,采用直接电流控制的单相电压源型PWM逆变器的设计过程,并对逆变器的控制策略进行了分析和研究,采用ATMEL公司的MCU芯片AT89S51作为控制芯片完成了设计。

太阳能光伏发电产业自上个世纪80年代以来持续高速发展,每年以30%～40%的速度递增,同时全球光伏电池产量快速增长,全球太阳能企业在1995年-2005年增长了17倍。2005年世界太阳能电池产量达到1650MW累计装机容量5GW。为了鼓励太阳能的开发和利用,各国政府分别积极制定各种优惠政策来推动太阳能光伏发电的发展。其中,以美、日、德、等西方发达国家为主[2]。

我国的太阳能光伏发电系统起步较晚,但是发展速度很快。2005年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的“中华人民共和国可再生能源法”,已于2006年1月1日起正式实施。2006年4月国务院能源领导小组会议上已批准国家发改委提出的我国太阳能发电的中长期发展规划、发展重点和目标。

随着人类对新能源的需求不断的增加,而利用新能源的关键技术就是如何将新能源转化成电能。因此逆变器的研究也成为合理利用新能源的课题中的重中之重。目前,可靠、高效和廉价的逆变器己成为生活中的迫切需要。本文采用高运算速率,低功耗的单片机AT89S51作为控制芯片,提高了逆变器的工作效率。

本文介绍逆变器的结构、控制方法和PWM控制方式,着重进行了系统硬件和软件的设计,给出了部分程序,通过实验得到相关实验波形并进行了分析,最后进行了总结。

2系统总体设计

2.1 逆变电路介绍

与整流相对应,把直流电转化成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上,即交流侧接有电源时,称为有源逆变;当交流侧直接和负载连接时,称为无源逆变。逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中,蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源,当需要这些电源向交流负载供电时,就需要逆变电路。逆变电路在电力电子电路中占有十分突出的地位[3]。

逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种:直流侧是电压源的称为电压型逆变电路;直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源型逆变电路(Volt-age Source Type Inverter―VSTI)和电流源型逆变电路(Current Source Type Inverter―CSTI)。本文采用的是全桥逆变电路的原理图。

2.2 逆变器驱动电路与滤波电路的设计

驱动电路是电力电子变换器的关键技术之一。它的输出脉冲的幅值和波形与功率开关管的开关特性有很大的关系,进而会影响到整个逆变系统的效率和调节特性[4]。

本设计中驱动电路采用4输入与非门HD74HC00P。由单片机输出的PWM波通过两个与非门之后,输入给功率器件V1、V4的门级;通过一个与非门输入给V2、V3的门级,以此来作为驱动信号,并且实现驱动信号的互补。

经过分析和比较,逆变部分决定采用全桥逆变电路,由场效应管IRF830A组成逆变桥,采用4输入与非门HD74HC00P来作为驱动电路。单片机产生的PWM信号经过HD74HC00P后,来控制逆变桥中开关器件IRF830A的关断与导通,就可以在逆变桥的输出端产生正弦波。不过此时的正弦波含有大量的高次谐波,需要通过LC滤波电路才能得到平滑、不含高次谐波的标准的正弦波。而电容与电感数值的大小需要经过理论计算与实际调试后才能确定。在本设计中我们取C=22μF,L=10mH。

2.3 PWM控制

脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中[6]。

简而言之,PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的,因为在给定的任何时刻,满幅值的直流供电要么完全有(ON),要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候,断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够,任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同[7]。到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,4种主要方法:自然采样法[8] (对称规则采样法 和不对称规则采样法[9])、面积等效法和面积中心等效法。

2.4 控制电路设计

系统的控制电路采用单片机开发板来实现。该开发板是基于MCU 89S51的功能而开发设计制造的,可以作为一个硬件开发的平台,板上提供了各种接口,可以很方便的将其与电路连接,方便了设计。此开发板主要包括以下几个部分[11]:USB电源(U1);外接电源接口;5V稳压芯片;RS232串口,可简单的与主处理器连接;DS1302时钟芯片;DS1802温度传感器;指示电源的发光二极管(LED1);32路I/O接口引出;24C02存储器、4位按键、红外线插座、LCD1602、ISP下载插座、4位共阳数码管、蜂鸣器。

在本设计中主要是用了P1接口,利用接口的P10脚作为SPWM信号的输出口来分别控制功率器件V1、V2、V3、V4。

PWM控制方式的应用范围非常广泛,不仅可以实现逆变,还可以应用在电机调频、调速、控制灯泡的亮度的场合中。可以说在未来的电力电子技术的发展中PWM技术将得到越来越多的关注。

本文计算PWM波的占空比采用直接PWM法。由于单片机指令执行延迟时间的存在,必然会引进误差,尤其在实现高频 SPWM波时,因为程序中往往忽略指令执行时间,但当输出可调脉冲宽度小于10μs,与指令执行速度可比拟时(尤其对于以 C语言编写的指令,其编译后代码效率比较低,指令执行时间可达μs数量级) ,中断执行时间过长会对计数器计数产生延迟,最后会影响波形准确性[10]。

3 系统软件设计

3.1 Proteus 介绍

Proteus支持多种主流单片机系统的仿真,如51系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、68000系列等。并且提供软件调试功能与丰富的接口器件及其仿真RAM,ROM,键盘,马达,LED,LCD,AD/DA,部分SPI器件,部分IIC器件。

随着科技的发展,“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活,结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少,也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用[11]。

3.2 Proteus ISIS软件与KeilμVision2的联合仿真

单片机应用技术所涉及到的实验实践环节比较多,而且硬件投入比较大。在具体的工程实践中,如果因为方案有误而进行相应的开发设计,会浪费较多的时间和经费。Proteus仿真软件很好的解决了这些问题,它可以象Protel一样画好硬件原理图与KEIL编程软件结合进行编程仿真调试。

3.2.1 Protues软件与Keil uVision的结合

设置步骤如下: (1)把proteus安装目录下VDM51.Dll(C:

Program Files\LabcenterElectronics \Proteus6\ Professional\MO

DELS)文件复制到Keil安装目录的 \C51\BIN目录中; (2)编辑C51里tools.ini文件,加入:TDRV1=BIN\VDM51.DLL("PRO

TEUS VSM MONITOR-51 DRIVER"); (3) Keil uVision里设置: project-->options for project-->debug tab; (4) 选中use proteus VSM monitor 51( 如果想用两台电脑仿真,双击setting,输入IP地址 或者DNS name); (5) 载入proteus文件; (6) proteus 里选择DEBUG-->use remote debug monitor; 进入KEIL的project菜单option for target '工程名'。在DEBUG选项中右栏上部的下拉菜选中 Proteus VSM Monitor-51 Driver。 在进入seting,如果同一台机IP 名为127.0.0.1,如不是同一台机则填另一 台的IP地址。端口号一定为8000 注意:可以在一台机器上运行keil,另一台中运行proteus进行远程仿真. (7)打开KEIL uVision, 按F5 开始仿真。

3.2.2 proteus的工作过程

运行proteus的ISIS程序后,进入该仿真软件的主界面。在工作前,要设置view菜单下的捕捉对齐和system下的颜色、图形界面大小等项目。通过工具栏中的p(从库中选择元件命令)命令,在pick devices窗口中选择电路所需的元件,放置元件并调整其相对位置,元件参数设置,元器件间连线,编写程序;在source菜单的Define code generation tools菜单命令下,选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目;在source菜单的Add/remove source files命令下,加入单片机硬件电路的对应程序;通过debug菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。

综上所述,利用Proteus软件能够提供实验室无法相比的大量的元器件库,提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表,通过与KeilC软件的联合调用,PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化,也可将许多单片机实例运行过程形象化。

4逆变器的调试

4.1 调试说明

第一、测试指标 : 输出电压值:3VAC±5% ;正弦波输出频率:50HZ;第二、参数设置:直流侧输入电压5VDC;参考正弦波频率50Hz,直流输入电压5V,逆变器输出电压3V;第三、调试仪器:利用实验室的电压源的直流输出5VDC电压作为逆变器直流输入信号与驱动电路的电源。TDS1002数字存储示波器观察逆变器输出波形;第四、调试步骤:①对硬件电路中的全桥逆变电路和驱动电路进行调试.②对PWM模块进行调试,软件产生的四路的MOSFET驱动信号,主要观察上下桥臂的驱动信号是否互补,死区时间是否正确。③利用单片机AT89S52编程来产生SPWM波,由P10口输出。④对主电路进行开环调试,将步骤中单片机产生的SPWM信号连入主电路,观察逆变器输出波形。

4.2 调试结果与分析

根据以上设计方案,在实验室搭建完成了逆变系统的试验装置。实验电路有电源、逆变桥、单片机开发系统、驱动电路、LC滤波电路、示波器组成。软件开发环境为KeilC μVision2。

4.2.1 IRF830A的驱动信号波形

由单片机P10口输出的2路驱动信号。这2路驱动信号互补,分别驱动同一个桥臂的上下2个开关管。其中CH1所示波形为驱动V1的信号,V2/V3的驱动信号与此相似就没有给出波形了。为了能更好的观察单片机P10口输出的SPWM波的整体变化情况,截取变化较为明显的一段。

图1Proteus仿真电路图

图2 驱动信号波形

4.2.2 Proteus与KeilC联合仿真分析

图1所示的是用Proteus建立的逆变系统仿真电路原理图。图2中功率器件的驱动信号来自单片机AT89S52的P10口。通过KeilC软件运行编写好的控制程序,然后把程序载入Proteus仿真电路中的单片机芯片AT89S51中,运行仿真电路,AT89S51的P10口就可以输出SPWM波。把得到的SPWM波通过非门驱动后输入给功率器件,来控制功率器件的导通与关断,再用仿真示波器观察逆变电路输出,可以得到如图3所示的经过Proteus与KeilC联合仿真之后得出的示波器输出波形。由图可见,正弦波周期十分接近20ms,波峰波谷有轻微的畸变。

图3 逆变器输出波形

4.2.3 逆变器输出波形

利用实验室的电流源的直流输出作为逆变器的直流输入与驱动电路的电源,按照要求连接好硬件电路,经过LC滤波电路后,用TDS1002数字存储示波器来观察逆变器输出波形。输出波形如图3所示。由于单片机的性能有限以及实际电路中存在的各种干扰因素,输出的正弦波频率为46.8569HZ存在一定的误差。为了让正弦波的频率更接近工频50HZ,我们进一步改进算法,在减少一个周期内的取点数目后,再次观察输出波形频率,发现频率更加接近50HZ,但是正弦波的波峰与波谷出现了较严重的畸变。经过分析,波形发生较严重的畸变是由于PWM控制算法精度的下降以及LC滤波电路所需的参数改变而导致的。如果想要使得波形更加接近完美的正弦波,首要考虑的是提高PWM控制算法的精度。可以选择更加精确的算法来产生PWM波;并且需要重新选择LC滤波电路的参数;这样才能在使用相同的硬件电路条件下,取得良好的逆变效果。可以考虑使用性能强大的IGBT来构成逆变电路,并采用DSP来作为控制芯片。

5结论

本文采用全桥逆变电路的系统结构,采用IRF830A电力场效应管来实现。以AT89S51的单片机作为控制芯片完成了逆变器的设计。制作出了实物,基于Proteus与KeilC的集成开发环境完成了软件的设计,根据软硬件的设计方案实现了整个系统,软硬件相结合进行了调试,调试结果显示逆变器运行结果符合要求。

TH0=0xff;

TL0=266-n0;

EA=1;

While(1)

{

}

｝

timer0() interrupt 1

P10=~P10;

ledi++;

if(ledi==200)ledi=0;;

n0=ledp[ledi];

TH0=0xff;

……

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逆变电源的设计篇5

关键词：逆变电源； 高频链逆变器； TMS320F2812； SPWM

中图分类号：TN710-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0029-04

TMS320F2812-based Control System of High-frequency Link Inverter

LIU Ting, WANG Jun-yan

(School of Electron Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Abstract： The topological structure of Full-bridge bi-directional current mode high-frequency link inverter is adopted in the main circuit of the inverting power supply in the inverting system design. The TMS320F2812 DSP produced by Texas Instruments is taken as a control core of the inverter. The hardware design scheme of DSP peripheral regulating circuit and implementation mode of its software are introduced. The energy bi-directional flow of high-frequency link inverter was achieved based on single close-loop control mode with voltage instantaneous value feedback. The entire circuit control is completed by a piece of TMS320F2812 chip. Therefore, the all-digitalization control is realized. Experimental results show that the control strategy is feasible and valid.

Keywords： inverting power supply; high-frequency link inverter, TMS320F2812; SPWM

0 引 言

随着逆变技术的不断发展，高频链逆变器在航空、电信、军事等领域的应用越来越广泛。与传统的逆变技术相比，高频链逆变技术应用高频变压器代替传统的工频变压器，有体积小，重量轻，转换效率高等优点，因此应用前景广泛［1］。高性能数字信号处理（DSP）芯片的出现和控制理论的普遍发展，使得逆变电源朝着全数字化、智能化方向发展［2］。本文以TMS320F2812高性能DSP控制器为核心，设计了高频链逆变器的控制系统及部分硬件电路，该逆变电源的主电路采用全桥双向电流源高频链逆变器的拓扑结构，选择电压瞬时值反馈的单闭环控制方案，可实现能量的双向流通。实验结果表明了该控制策略的可行性及有效性。

1 高频链逆变电源的拓扑和原理［3-6］

全桥双向电流源高频链逆变器的主电路拓扑结构如图1所示，它由高频逆变器、高频变压器和周波变换器3部分组成。工作时，按能量传递方向来看，该逆变器工作在两个不同状态。当输入电源向负载传递功率时，高频链逆变器将直流电压能源变换为脉动的电流能量存储在储能式高频变压器中，周波变换器将该高频脉动电流低频解调，经滤波后得到低频交流电，供电给负载。负载向输入电源回馈能量时，高频逆变器工作在整流状态，周波变换器工作在调制状态。

图1 全桥双向电流源高频链逆变器拓扑结构全桥双向电流源高频链逆变器是以反激式(Flyback)功率变换器的拓扑结构为基础的。按照输出电压uo和输出电流io的极性划分，该逆变器具有4种工作模式A，B，C，D，每一种工作模式的结构拓扑都相当于一个Flyback功率变换器，而且对于不同的负载，逆变器的工作模式顺序不同。

当uo>0，io>0时，逆变器工作在模式A，VM1和VM4高频斩波，VM5常通。Ui,L1,L2,VM1,VM4,VM5,VD6,C,Z构成一个Flyback变换器，电源Ui向负载Z传输能量。

当uo0时，逆变器工作在模式B，VM5高频斩波，VM6常通。Ui,L1,L2,VM5,VM6,VD1,VD2,VD3,VD4,C,Z构成一个Flyback变换器，负载Z向电源Ui回馈能量。

当uo

当uo>0，io

当逆变器带感性负载时，输出电流的基波分量io落后于输出电压uo，其控制原理波形如图2所示。从图中可以清晰地看到，控制原理波形与上述4种工作模式是一一对应的。逆变器工作顺序为ABCD。

2 高频链逆变电源控制系统

2.1 控制系统的总体结构

控制系统以TMS320F2812为核心，主要包括电压模拟量采样电路、电压电流过零信号检测电路和MOSFET驱动电路等。现场采集到的电压模拟量经过模拟信号调理电路送入DSP的ADC单元，由DSP定时采样并完成A/D转换，DSP将A/D转换后的数据与参考正弦电压信号做比较得到误差信号，再根据DSP捕获单元捕获到的系统输出电压电流过零信号情况，输出脉冲信号至驱动电路，完成对主电路的控制。

2.2 控制系统的硬件电路

2.2.1 电压、电流检测及调理电路

系统需要检测输出电压的瞬时值及输出电压过零信号和输出电流过零信号，作为反馈变量至DSP。系统输出电压采集电路使用线性光耦HCNR200实现隔离采样。HCNR200具有高线性度、低成本、高稳定度及可灵活设计等优点，适合采样电路的工作要求。该电压采集系统中，先将输出电压分压，然后经过线性光耦HCNR200实现反相采集信号，幅值为1；再经过反相比例加法器使得采集到的交流电压信号大小在0~2.5 V之间，中心值为1.25 V；再经过限幅保护送至DSP的A/D端。电压检测电路图如图3所示。

图3 电压信号调理电路输出电流过零信号采集电路的主要原理是利用运算放大器的饱和截止特性，将电流霍尔传感器LA58-P采集到的电流信号反相比例放大，通过选择较大的放大倍数，使运算放大器工作在饱和状态，这时输出波形近似双极性方波，再经过IN4148二极管整形及分压后得到幅值为3.3 V单极性方波，送至DSP的I/O接口，电路如图4所示。输出电压过零信号采集电路与之相似，只是换用线性光耦HCNR200采集电压信号而已。

2.2.2 驱动电路

DSP控制单元输出的SPWM信号需经过隔离驱动模块再送至MOSFET的栅极，实现对MOSFET开断的控制。驱动电路有很多种，该系统中的驱动电路采用集成芯片IR2110完成。IR2110内部应用自举技术实现同一集成电路可同时输出2个驱动逆变桥中高压侧与低压侧的通道信号，工作电压可达500 V，特别适合桥式电路的驱动。IR2110设计和使用都非常方便，其电路接线图如图5所示。其中，引脚HIN及引脚LIN分别为驱动逆变桥中同支路上下两个MOSFET功率管驱动脉冲信号的输入端，接DSP控制器发出的2路驱动脉冲信号。低压侧通道门极驱动输出VCC提供电源，高压侧通道门极驱动输出由VB供电。15 V电源接至引脚VCC，自举电容C2负极接至VS（高压侧浮动地）一脚，正极接至浮动电源VB上，+15 V电源通过快恢复二极管对自举电容充电，为高压侧通道HO供电，自举电容C2使高压侧电源获得一个高于VR的电压。自举电容C2的取值取决于开关频率、占空比和功率等，对于5 kHz以上的开关应用，通常采用0.1 μF的电容。

2.3 控制系统的软件设计［8-10］

在设计软件框架时，本着模块化、子程序化的设计思想，根据程序所实现功能的不同，将其分为4个模块：主程序模块、周期中断模块、ADC中断模块和CAP中断模块。图6为控制系统的主流程图。

在主程序模块中，对各个模块进行初始化，调节计算程序和其他程序。初始化程序中先将6个复用的I/O引脚设置为PWM波输出引脚，再对其他寄存器进行初始化。在完成所有的初始化工作后，使能以下所需中断。CAP中断对输出电流电压的极性进行判断，用变量Flag_I和Flag_U作为标志，以判断逆变器的工作模式；A/D中断中将采样值转换成算法运算所需的实际值，与参考信号做比较，得到误差信号；T2周期中断实时根据所更新的误差信号对脉冲宽度进行调整，更新比较寄存器中的数值。主要寄存器的设置如下：

PWM信号的产生用到了EVA的两个通用计时器和全比较单元。其中，通用定时器GP1用于产生对称三角载波；GP2用于触发定时器中断程序，以调整占空比。PWM波形的产生所需要的对事件管理器用寄存器主要有以下几个：

（1） 设置周期寄存器T1PR和T2PR

设定功率管的开关频率为20 kHz，则三角波载波频率为20 kHz,系统时钟频率为150 MHz。T1定时器的计数方式采用连续增减模式，则T1PR的值可由以下式子计算得到。1150×106×2×T1PR=120×103解得T1PR=3 750。

GP2触发定时器的中断频率为20 kHz，系统时钟频率为150 MHz ，T2定时器的计数方式采用连续增模式，则T2PR=7 500。

（2） 设置当前全比较寄存器CMPRx的值（采用对称规则采样法）

设三角载波的幅值为1，周期为TC。正弦信号为ur=sin ωrt，若采用对称规则采样法，则得到的正弦脉冲宽度为δ=TCsin ωrti。其中，ti为三角载波过零点。为了减小CPU的负担及满足实时性的需求，SPWM逻辑驱动信号采用查表法产生。将控制系统中所需的正弦基准信号制作成一个正弦数据表供查用，根据以上设计参数，一个周期内需要400点，故占空比的宽度值Duty为：Duty=T1PR×2sin ［n］ 若比较方式控制寄存器ACTRA配置PWM1~PWM6均为高有效时，根据全桥双向电流源高频链逆变器的控制方式，VM1和VM4的控制脉冲由CMPR1控制，设变量CMP=12Duty;若当VM1和VM4需要高频斩波时，CMPR1=T1PR－CMP；若当VM1和VM4需要一直关断时，CMPR1=0xFFFF。CMPR2，CMPR3均可以用这样的方式设置。

3 实验结果分析

对系统进行实验分析，实验样机参数为：输入直流电压为24 V，输出电压为220 V正弦交流电，输出额定容量为250 VA。VM1~VM4采用MOSFET，型号为IRF2807；VM5,VM6采用MOSFET，型号为IRFPF50。高频变压器的磁芯为PC40 EE42/21/20，初级绕组为8匝，采用AWG#18 导线5根并绕；次级绕组为127匝，采用AWG#20导线。如图7所示。

图7 实验结果可以看出，在纯阻性负载的情况下，uo，io的极性相同，VM5和VM6处于工频开关状态，两个开关管一直处于互补工作状态，能量仅从输入电源流向负载。在阻感性负载时，io落后于uo，功率管VM5处于高频开关状态，实现了能量的双向流通。当逆变器带纯阻负载时，测得的逆变器的效率为83.4%。从实验结果验证了该控制策略的可行性和有效性及高效率性。

4 结 语

本文基于TMS320F2812设计了全数字化控制的高频链逆变电源系统，主电路采用全桥双向电流源高频链逆变器拓扑结构， 控制方案采取电压瞬时值反馈，控制方案简单。实验结果验证了全桥双向电流源高频链逆变电路在阻性负载和感性负载下的可行性。该逆变器能实现能量的双向流动，具有变换效率高，体积小，重量轻等优点，具有良好的应用前景。

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作者简介: 刘 婷 女，1987年出生，上海人，硕士研究生。研究方向为电力电子与传动。

逆变电源的设计篇6

关键词：资源；示范项目；技术方案

一、工程概况

1、建筑类型、面积和用途

西宁某写字楼总建筑面积约2000平方米，部分为彩钢瓦屋面，部分为混凝土屋面。在设计建造过程中应满足组件（单块组件净重为19.5kg）、风载、雪载承载及施工及维护等要求。设计过程中以混凝土屋面为主彩钢瓦为辅。预计装机容量150KW。

二、示范项目及新能源

根据国家“十二五”关于大力发展建设资源节约型、环境友好型绿色社会以及加强资源节约和管理、大力发展循环经济、加大环境保护力度，做好区域降级建设与发展的同时保护好环境。更好地将建筑与新能源、建筑与高新技术相结合，突出“新能源、新型工业化” 的理念，努力创造集绿色、环保、节能型为一体的产业集聚区的整体形象，根据建筑屋顶实际情况，在该写字楼安装150KW光伏发电站，峰值发电量达到了166758KWh/年。使其成为集节能、环保与高科技为一体的、充满现代气息的绿色现代化印刷包装城，具体形象地展现了太阳能资源的利用，以及“可持续发展”的教育示范作用。

三、技术方案

太阳能发电系统由太阳能电池方阵、光伏汇流箱、并网逆变器等组成。系统的基本工作原理如下：在阳光充足的时候，由太阳能电池板发出电能，通过逆变器实现最大功率跟踪及输出三相四线380V，供应日常电力需求。

1、建筑围护结构体系

在屋顶上用铝合金锁扣或配种块将光伏组件支架固定在屋顶上，电池组件铺设在支架上与支架紧密连接。组件排布在屋顶上经过固定后，具备一定的抗风能力，组件与屋顶可结合成一体，无需增加额外的围护结构。

2、光电系统技术设计

（1）设计依据及说明

（2）支架设计

光伏组件支撑系统包含光伏阵列钢结构支撑框架和光伏组件安装构件，其安全可靠性取决于钢结构支撑框架、组件钢支架以及光伏组件自身的受力性能、抗震性能和耐久性。

本项目光伏组件支撑系统特性能够保障系统的安全可靠：

（3）光伏建筑设计

（4）光伏阵列的安装、维护和更换的保障措施分析

本项目光伏组件用27度角左右的框架，通过屋面锁扣进行有效连接。为了满足光伏阵列的维护和光伏组件的更换，在适当的位置预留检修及维护通道。

（5）并网系统设计

本项目采用太阳能光伏建筑一体化设计，将630块多晶硅的光伏组件集成在屋顶，装机容量约150KWp。本项目采用400V并网技术，光伏阵列产生的电力经并网逆变器接入用户。

并网型光伏系统由光伏阵列、汇流箱（含直流防雷器）、直流柜（含浪涌防雷器）、并网逆变控制器、交流柜（交流防雷器）、防逆流柜和发电计量监测系统以及安装附件等构成。各部分作用如下：

光伏阵列：光伏阵列是由若干太阳能电池组件，按一定的串并联关系组成的太阳能转化系统。光伏阵列是光伏系统的能源生产单元，也是光伏系统投资最大的部分。

光伏汇流箱：光伏汇流箱是把18块每组太阳能组件方阵，按序并联进行集中汇流和系统防雷。汇流箱集中输出一个较高的直流电压，它是光伏系统中必不可少的组成部分。

直流柜：直流柜是将各路汇流箱输出的直流电压进行稳压，同时对各汇流箱的工作状态进行查询、管理。

逆变控制器：逆变器是将直流电转化为交流电的设备，通常和控制器集成在一起，兼顾逆变和控制功能。并网逆变控制器是光伏系统的能源控制单元，主要作用在于通过最大功率点跟踪（MPPT）及逆变功能将直流电转变为满足一定要求的交流电，一般包含并网孤岛保护、过压保护、自动侦测电网信号等功能。

交流柜：交流柜是对逆变器和用户负载的保护系统，同时具有发电计量检测功能，通常设有交流防雷和接地保护装置。

防逆流柜：防逆流柜主要是防止电网的电流，流进太阳能发电系统。（本方案交流柜和防逆流柜集成在接入柜一个柜子中）

逆变控制器

采用三相并网逆变器，三相输出电压的最大不平衡度不超过4%；输出电压总谐波畸变率小于5%；输出电流总谐波畸变率小于5%；输出频率偏差值小于50±0.2Hz；运行时不应造成电网电压波形过度的畸变和导致注入电网过度的谐波电流。

并网逆变器满足CNCA/CTS0004：2009认证技术规范要求，通过国家批准认证机构的认证。

逆变器采用最大功率跟踪技术，、最大效率达到96%以上。

逆变器自带显示单元，显示太阳能电池方阵电压、电流，逆变器输出电压、电流、功率、累积发电量、运行状态、异常报警等电气状态，同时具备标准通信接口可通信协议，可实现远程监控。

3、系统能效预测

光伏阵列在能量转换与传输过程中的损失包括组件匹配损失、组件质量误差损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度的影响、最大功率点跟踪（MPPT）精度与跟踪速度、以及直流线路损失等。

并网光伏发电系统的总效率由光伏阵列的效率、逆变器效率、交流并网等三部分组成。

（1）光伏阵列效率η1：光伏阵列在1KW/m2太阳辐射强度下，实际的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换过程中的损失包括：组件的匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、最大功率点跟踪精度、及直流线路损失等，取效率85%计算。

逆变器转换效率η2：逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比，取逆变器效率95%计算。

交流并网效率η3：从逆变器输出至高压电网的传输效率，其中主要是升压变压器的效率，取变压器效率95%计算。

系统总效率为：η总=η1×η2×η3=85%×95%×95%=77%

四、节能量计算

提高可再生能源利用率，尤其发展太阳能发电是改善生态、保护环境的有效途径。太阳能光伏发电不产生传统火力发电带来的污染物排放和安全问题，没有废气或噪音污染，系统报废后也很少有环境污染的遗留问题。加上取之不尽、用之不竭及安全性突出等显著优势，太阳能光伏发电在太阳能产业的发展中占有重要地位。

光伏系统利用太阳能进行发电。光伏发电过程不消耗任何化石能源，也不排放任何废气，是非常理想的绿色能源。光伏发电系统的应用，可以有效减少常规能源的消耗，并且可以有效减少温室气体及其它有害气体的排放，因此具有非常重要的环保意义。

参考文献

GB/Z19964-2005光伏发电站接入电力系统技术规定；

GB/T19939-2005光伏系统并网技术要求

逆变电源的设计篇7

关键词：直流电源系统 计算机监测 逆变电源晶闸管保护

随着电子技术的不断发展，先进技术的不断出现，采用了下列两项新技术，不但可以提高大功率逆变电源运行的可靠性，而且还能够延长其使用寿命。下面介绍一下两项新技术的应用。

1 直流电源系统的新技术

以往的直流电源系统由工频变压器，可控硅相控整流充电机和免维护全密封阀控式铅酸蓄电池组等组成，改进方案如下：

1.1 N+1冗余高频开关电源模块 设备的正常工作需要有充足的动力来提供支持，充电机在直流电源系统中所担负的作用就是通过不断充电，使蓄电池始终保持足够的电量。充电机的构成一般分为两大部分，即工频变压器和可控硅相控整流和滤波装置。其缺点是一旦出现故障，由于停电检修时间较长，容易使整个系统处于危险状态。通常的应对之策是采用双充电机，这样不仅会耗费更多资金、增加占地面积，而且一旦备用设备同样出现问题，其危险状态仍然无法解除。为了规避此类问题，利用N+1冗余高频开关电源模块就成为合理的选择。其思路就是将原来的一个充电机替换为多个高频逆变开关式小充电机。N+1冗余高频开关电源模块，即指用N个模块承担额定负载，它们可以带电插拔，既彼此独立又协同工作，更换模块只需一分钟就可完成。再加上备用模块，可保证随时对故障模块进行更换。相比于双充电机模式，它的体积小、重量轻，可靠性更好。而且300KHZ的工作频率使其工作效率更高，还可免去冷却风扇，工作噪音大大降低。原因就在于其采用了零开关高频逆变技术，在零电压条件下，可使逆变桥的大功率开关管开通和关断，使开通和关断时的峰值功率损耗从十几千瓦下降到1千瓦左右，从而使开关管的平均功耗从几百瓦下降到几十瓦。模块工作原理框图见图1。三相380V电源输入后，经整流滤波成直流，再由桥式电子开关逆变成300KHZ高频，通过高频变压器隔离变压后，使整流滤波成直流给电池充电。由于频率高，变压器体积很小。零开关技术的采用降低了电磁干扰的程度，而且效率达到90%以上。由于采用了智能技术，模块可以实现自动均匀充电以及在浮充之间的切换，减少了人工工作量，同时电池寿命得以延长。模块独立工作互不影响，自动均流、协同充电，其可靠性也因为一系列的过热、限流、限压等组成的保护措施而大大提高。

1.2 计算机监控管理系统 根据开关、电压、电流、温度、绝缘等参数进行监测保护报警的计算机监控系统，核心是其内部的一至两个以上的单片机，通过它，计算机监控系统可以完成对本子系统的交流进线柜、蓄电池柜、充电柜等运行状态的动态监控、警示和通讯的任务。本文主要对充电模块的自适应控制和蓄电池组单个电池的状态监测进行介绍，电源系统的微机监控系统构成见图2。

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1.2.1 充电模块的自适应控制。根据电池的实时状态（电压、温度、现存容量）对充电电压电流大小进行调整，可以使电池时刻保持充满状态，延长其使用时间。为了达到这一点，我们可以对充电模块本身恒压限流的外特性加以利用。除此之外，可以通过变外特性曲线的形状，让充电模块实现自适应控制，具体做法就是根据电池的状态，利用单片机监控系统对给定值予以修正，以取得最优的充电效果。这里需要注意两点，一是蓄电池温度影响的修正，还有就是电池组实时容量的监测。我们可以通过计算机监测电池组充放电时电流的大小以及时间长短，并进行记录。单片机在对电池放电、电流、电压的变化进行分析的基础上，修正数据而得出电池组的现存容量，然后结合实测温度，依据蓄电池生产厂家提供的最优充电曲线，对充电模块的充电电流进行控制。如果遇到电池容量很小、电池电压快速下降，它会以发出故障报警的方式提醒用户对其进行更换。

1.2.2 蓄电池组的监测。多节同等型号的电池串联后可形成直流电源系统的蓄电池组。由于生产工艺和运行情况不同，有的蓄电池可能先出现极化失效的问题，如果不及时采取补救措施，将影响整个电源系统正常运行。因此，必须时时观察并掌握蓄电池组中单个电池的运行状态。

多数用电单位均指派相关负责人定期观测单节电池运行情况。但是蓄电池组往往包括多节电池，不易进行全面观测，因此检测周期很长，时效差。如今计算机监控系统已大范围普及应用，用电单位通过定时功能就轻松实现对单节电池、电压的监测，还能将监测数据备份以便随时查看，计算机系统具有自动预警功能，电池运行发生问题可及时处理。通过单片机系统能判断电池的后备容量，以便于充电机对充电电流电压进行控制。实践证明，计算机监测技术能够确保蓄电池组稳定运行，同时可以大幅度提升其工作效率。

2 逆变电源晶闸管的保护

晶闸管对过电压和过电流较为敏感。若晶闸管过电流大于额定电流，可能会提高晶闸管的PN结温度损坏电源部件。工作人员一定要选用合适的元件，设置好电路保护装置。

在晶闸管电路中，逆变电路很容易使晶闸管出现过流损坏的问题。一旦触发电路运行不稳定或出现电源缺相故障，极有可能引发逆变颠覆，回路内也会发生强大的短路电流。一般情况下，晶闸管的温升时间常数不及常规的电器元件，所以一旦逆变失败，将会加速结温升温速度。如果结温大于规定的范围就会导致晶闸管损坏。所以如果晶闸管电路存在逆变过程，为避免逆变失败使晶闸管遭到破坏，应该预先设计好检测逆变失败的元件，同时设置电路保护。

以往均采用快速熔断器做过流保护，在晶闸管交流电路发生逆变时保护晶闸管。这种方式实际是对通过元件的电流大小进行保护的装置，对于晶闸管是否已处于逆变失败状态的判断作用不大，虽然线路单一，但不太牢靠。因此，采用上述设计可能会发生如下状况：晶闸管往往在主电路逆变失败前早已失败，致使电源装置在过流保护的伊始阶段就已“长期”导通在逆变失败状态。但由于变压器的漏感及杂散电感的作用，主回路电流维持在一个持续上升的状态，而不是瞬间增大，因此短时间内不会熔断熔丝。若能及时发现并切断主回路电流，就不会损坏晶闸管。如果用熔断器做过流保护装置，则周围环境温度、熔丝的型号、质量及其构造都直接影响熔丝被熔断的速度，这样从技术层面来分析，要使晶闸管在失控前一两个周期内监测并切断主回路，似乎是不可能的事情。因此，单纯使用这种保护方式多在熔丝熔断时，电路发生逆变失败后已持续了一个时段，可能已经因过高的PN结温而损坏了晶闸管。

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我们主要通过图3所示的保护电路来监测晶闸管工作状态，力求及时发现问题，并将主回路迅速切断。该电路设计利用电子技术掌握晶闸管导通时间，由此判断其是否出现逆变失败问题。同时，通过三相全控桥逆变电路对其工作原理进行了具体分析：在一个正弦交流电周期内，每个晶闸管都会导通一段时间（电路稳定运行时是120°，折合6.6ms；电路在过度阶段，则在90°～150°之间浮动，折合时间5ms到8.2ms）。当晶闸管处于导通状态，两端电压均大于等于0，工作人员通过计算机技术测得导通时长，就能判断出主回路是否发生逆变失败的这段时间不会大于3ms，若主回路无触点开关的时间常数较小，就能判断从逆变失败后4ms内可将主回路切断。据此可避免过大的电流通过晶闸管，影响其正常工作。

根据上述理念，设计人员绘制出图3所示的逆变保护电路。该短路包括逆变失败判断电路、输出控制电路、光电隔离电路、电压极性变换电路等。R1与4个构成桥式交流电路的二极管构成了电压极性变换电路，它能使光电耦合器的发光二极管在晶闸管承受电压（包括正向的和反向的）的过程中，都能承受正向电压而导通发光，这也能证明晶闸管运行稳定可靠。光电耦合器隔离了主电路和监测电路，而R1则对光电耦合器的发光二极管中的电流起到限制作用。光电三极管的负载电阻R2不应过小，当光信号被收集到光电三极管时，电阻R2可以尽快饱和，而使a点电平等于低电平。逆变失败判断电路由R3R4、第一级比较器，R5、C、D1和第二级比较器等构成。在晶闸管处于导通状态后，第一级比较电路将高电平输出时，会增大电容器C的电压。通过适当选择R5、C的值，经过一个导通周期，电容器所带电压达不b点的电压值，而晶闸管转到关断状态，第一级比较电路输出也变为低电平，电容器C电压通过二极管D1和第一级比较器输出电路迅速降为0，所以，第二级比较器的输出始终保持低高电平。一旦晶闸管状态不稳定，晶闸管两端电压始终维持在0的状态，就会使第一级比较器始终输出高电平。经过一段时间后，电容器C的电压可能会迅速增大甚至超过b点电平，迫使第二级比较器输出高电平，因此我们很容易判定晶闸管已失控。或门电路接受到这个高电平信号，其输出驱动就会对电路进行监控，进而将主回路迅速切断。选择合适的R5、C参数，可使J在失控状态发生后短时间内对电路进行控制，快速切断主回路。

3 结束语

消防备用电源的重要性是不言而喻的，之所以将逆变电源用于早期人防工程是因为早期建筑电气设计是采用了双路市电进户的设计方案，事实上可靠的双路市电很难实现。近些年，大型人防工程设有柴油发电机电站，但机组可在临战前安装。如将其作为消防备用电源使用，安装发电机组还必须实施自动启动控制，这样不但投资大，维护管理上的困难也是可想而知的。

综上所述，采用逆变电源用作消防备用电源，仍不失为最佳的选择方案，这是探索其系统安全工作可靠性，延长其使用寿命的目的。力求使综合自动化系统的设计、开发的水平进一步提高，以适应大型地下商场等人防工程电力系统的发展需要。

参考文献：

[1]谢慧丽.浅谈变电站直流系统验收主要项目及质量标准[J].价值工程，2012（26）.

[2]孙进，侯振义，卢家林.逆变电源技术及其发展概况[J].电源世界，2006（08）.

逆变电源的设计篇8

关键词：逆变；焊接电源；焊接技术

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.08.027

进入21世纪以来，社会正经历着多个方面的共同改革，其中不仅仅有基础的计算机技术和网络技术改革，还伴随着一定的信息技术改革，并且出现了最为先进的智能控制技术。而其中的很多内容都对焊接领域造成了最为直接的影响，同时带动了所有科学领域的全面发展，使得他们的研究方向有了本质上的改善。在焊接领域的发展当中，本身已运用了一定的新技术，而这些新技术的运用，除了给焊接领域形成了较大的发展空间，还使得焊接学科面临着新时代的各种挑战。而在焊接技术发展的过程中，出现了相当多的先进技术和材料。而焊接结构也在这个时期朝着全新的方向进行发展，整体的质量变得相当轻，而且体积也十分小，强度反而变得更高。此外，由于国内微电子技术和航天领域的不断发展，使得焊接技术必须具有较为稳定且焊接的飞溅必须十分小的特征，整体的质量也需要相当可靠，而这样的状况对整个焊接电源形成全新的发展要求[1]。

1 逆变焊接电源的发展状况

伴随着时代的发展，现代的自关断器件不断的增加，而其功率也在不断的提升当中，甚至涌现出了一些价格低效率高的开关器件，而在这些器件的驱动下，其中的保护模块进行了迅速的更新。弧焊逆变器属于当前时代的全新逆变器，其经历了最初的晶体管弧逆变器，一直发展到了现如今的效益晶体弧焊逆变器，并衍生出测全新的IGBT逆变器。而国际上相当有名的焊接公司都对这一逆变器进行了研究，并且将逆变焊机作为主要的研究对象和产品研制，尤其是西方国家，对于逆变焊机的市场争夺相当激烈。而我国现阶段的逆变焊机种类也十分多，其中不仅有基础的晶体管和场效应晶体管，而且包括了IGBT，它们被广泛的应用到了手弧焊机、CO2焊机和空气离子切割机当中。

现阶段，我国的产品发展已将IGBT作为了最为主要的逆变器发展方向，并且对于其中的产品优化有了相当大的关注度，已在当前的市场当中进行了全面的推广和应用。所出售的逆变焊机主要是小功率的逆变焊机，而对于大功率的逆变焊机开发，国内仍然没有较好的策略，并且相比于国外的逆变电源，国内依然有着相当大的差距。而且逆变技术的应用在焊接的领域当中还包括了电阻焊电源。通常而言逆变点焊机所包括的变压器十分小，而可以控制的精确度却相当高，能够用在实际的精密焊接当中具有相当大的发展潜力。伴随着80时代出现了逆变点焊机，西方国家项目推出了各种各样的焊接产品，并且广泛的应用在汽车、电子产品等领域，逐步建立起了以逆变点焊机器人为主的焊装线，使得逆变电阻和逆变电源能够投入实际的使用当中。

逆变电焊机主要被应用在较小功率的焊接当中，并且小功率的焊接点往往都会在实际的电子工业应用当中。但是逆变电源的发展依旧不成熟，需要进行深层次的研究和开发。而很多的逆变电源本身的体积十分小，重量也比较轻，能够实现较高的节能省材效果，由于整体的工作频率相当高，因而还需要具有较高的反应速度，进而实现良好的输出，切实改善整体的焊接工艺。因而在以后的发展当中，需要将逆变电源完全的运用在自动化和半自动化的焊接设备当中，进而使得更多的焊接设备在选择配套电源的时候选用逆变焊接电源[2]。

2 逆变焊接电源以及相关技术的发展

2.1 基础的开关元件优化

对于弧焊逆变器而言，功率开关元件属于它的核心部件，而且它对于逆变电源的基础设计和性能优化有着最为直接的影响。伴随着功率开关元器件的不断发展，弧焊逆变器成为了新时期主要的焊接工具，并且在功率开关元器件的基础上，进行着深层次的开发和优化。而它的多样化发展也使得逆变焊机能够进行多种容量以及特性上的开发，进而使得功率元器件可以朝着多样化的方向发展。而在这个时候，要想提高整个逆变电源的可靠性，必然需要选择一些性能较好、可靠性较好的开关元器件，进而简化当前逆变电源当中的电路设计，充分解决现阶段的逆变焊机大功率的设计难点，进而提高逆变电源的可靠性。从当前的功率元器件发展来看，晶体管式的弧焊逆变器将会逐渐的退出市场，并且完全被最新的IGBT弧焊逆变器所代替。而功率的开关元器件也在这个时期朝着相当高的容量化和集成化发展，并且所具有的功能会相当多，很容易实现完全的控制。

2.2 磁性材料的相关发展

在高频率的弧焊逆变器当中，经常会使用到一定的磁性器件，而这些磁性器件往往有着相当多的全新特点，并且磁性电流往往都是一些非正弦的，其中的磁化效果很可能并不是对称的。而在某些电路当中需要采取一定的去磁措施，如果磁性材料在较高的频率当中运行，则其中的结构以及设计工艺都需要进行深层次的完善，而对于这一方面的内容，我国并没有很好的了解还需要进行深层次的拓展。最后，由于大功率弧焊逆变器在使用的过程中，经常会运用到高频率的变压器，而它的磁化工作本身不太对称，因而对于变压器的要求相当高。

3 结语

逆变焊接电源以及相关的焊接技术在时代的发展当中，必然会得到最为广泛的应用，并为当前的焊接产生最为高效的推动作用。

参考文献：

[1]韩永全，杜茂华，姚青虎等.逆变焊接电源的特征[J].内蒙古工业大学学报（自然科学版），2010（02）.