微电网模拟系统

发表时间:2019/5/13   来源:《知识-力量》2019年8月26期   作者:郭鹏辉 赵佳琪 武世纠
[导读] 本文论述是一种采用STC15F2K60S2单片机为核心的SPWM逆变电源,单片机通过自然数查表法控制内部的3路硬件PWM模块生成SPWM脉冲信号,采用双极性调制方案驱动三相全桥逆变电路,输出经LC低通滤波器滤波,最后在负载上得到稳定的正弦波交流电。
(中北大学(朔州校区);山西 朔州 036000)
摘要:本文论述是一种采用STC15F2K60S2单片机为核心的SPWM逆变电源,单片机通过自然数查表法控制内部的3路硬件PWM模块生成SPWM脉冲信号,采用双极性调制方案驱动三相全桥逆变电路,输出经LC低通滤波器滤波,最后在负载上得到稳定的正弦波交流电。
关键词:三相逆变;STC单片机

 
           1.逆变器的基本概念与工作原理
           1.1正弦波逆变器的电路构成
           本电路由两部分组成,将交流转化为直流的这个部分属于整流,整流器的作用是把交流电转化为直流电,这个过程可以是不可控的,也可以是可控的,这部分采用不可控的二极管将交流变成直流。整流之后采用用电容进行滤波,滤波器的作用是将波动的直流量过滤成平展稳定的直流量,整个过程无论是从结构上还是性能上都能满足实验要要。最后直流变交流的部分为逆变部分,逆变器的作用是将直流电转化为交流电经过电感滤波后然后供给负载,这里的LC滤波是为了滤除高次谐波,得到到正弦波,而逆变器因为它输出的电压和频率与输入的交流电源无关所以为称为无源逆变器,它是正弦波逆变电路的核心,这里采用采用三相桥式逆变电路,用PWM控制调节输出电压及频率的大小。
           1.2逆变器调压方法:
           逆变器自身调压:在采用不可控整流器的前提下逆变器能用自身的电子开关进行斩波控制,这样就可以得到脉冲列,通过改变输出电压脉冲列的脉冲宽度,就可达对输出的电压进行调节,这种方法被称为脉宽调制(PWM)。
           2.逆变器的基本类型
           如果是直流输入端滤波器,那么它可以分为两种,分别是电流型和电压型,其中电流型逆变器它的中间部分采用的是大电感进行滤波,这样的输入电流的特点是具有阻抗大电流平,就仿佛似电流源,而电压型逆变器的中间部分则采用大电容进行滤波,这样的逆变器的输入电压的特点是阻抗小且电压平直,就仿佛电压源。而如果按电子开关的频率进行区别则同样可分为 两种分别是120°的导电型逆变器和180°的导电型逆变器。
           3.PWM控制技术
           PWM控制技术翻译过来就是脉宽调制技术,它是原理是假如有一系列的脉冲想要变成需要的波形,那么就可以通过等效法对脉冲的宽度进行改变来等效着获得需要的波形,波形包含形状和幅值,这种控制的想法来源于于通信技术。随着全控型器件的飞速发展可以十分轻松的把PWM控制技术实现,而且这种PWM控制技术在电力电子类方面的用处非常大且极其普遍,各种电力电子装置通过使用它而在性能方面得到了极大的改变,所以它在电力电子技术的整个历史拥有着举足轻重的地位,而PWM控制技术能在电力电子技术中拥有这种举足轻重的地位主要还是因为它在逆变电路中被完美的应用了,直到目前为止PWM控制技术被普遍采用与各式各样的逆变电路。
           3.1硬件设计
           本正弦波逆变器主要用的是SPWM控制技术,整体的电路具有简单的结构而且在机械特性方面也表现良好同时价格也比较低廉,这样的设计能完美达到题目的需求并且已经在各种相关的行业里被普遍采用。
           总体原理图
           本系统主要采用的硬件滤波电路、三相全桥逆变电路、LC滤波器、单片机、按键设置电路、显示模块、电压检测电流,电流检测电路以及一些外围电路。


           3.1.1单片机的选择
           本设计所采用的单片机是STC15F2K60S2,它能使系统的到充分的实现,内部自带高精度(0.4%)内部振荡器,它还拥有38个I/O口,该单片机内置上电复位电路,有8路10位ADC模数转换、每个I/O能设置成输入输出模式,并且具有具有3路PWM输出,通过软硬件设计,实现多功能的电机控制。且性价比高,抗静电,抗干扰,低功耗,低成本。
           3.1.2 滤波电路
           滤波电路的作用是把直流电压过滤,过滤掉其中不平整的脉动,这样的目的是确保之后的电路环节能得到优秀质量的电压或电流,本电路的滤波电路部分采用的是电容滤波电路。虽然从理论上来讲只要电容值越大那么过滤的效果就越好,但是出于对实际的考虑无论结构上还是价值上都不能这样,所以要计算电容的实际大小。
           通过2个电容串联构成的滤波电路,得到输入电压的一半作为中点电位,作为三相输出的参考地。
           3.1.3驱动电路的选择
           半桥式驱动电路,本全桥驱动电路采用IR2104作为它的驱动芯片,该芯片的优点是结构简单性能可靠并且能即大的提升电路的稳定性且降低了设计难度。该芯片采用被动式泵荷升压原理。上电时,电源流过快恢复二极管D向电容C充电,C上的端电压很快升至接近Vcc,这时如果下管导通,C负级被拉低,形成充电回路,会很快充电至接近Vcc,当PWM波形翻转时,芯片输出反向电平,下管截止,上管导通,C负极电位被抬高到接近电源电压,水涨船高,C正极电位这时已超过Vcc电源电压。因有D的存在,该电压不会向电源倒流,C此时开始向芯片内部的高压侧悬浮驱动电路供电,C上的端电压被充至高于电源高压的Vcc,只要上下管一直轮流导通和截止,C就会不断向高压侧悬浮驱动电路供电,使上管打开的时候,高压侧悬浮驱动电路电压一直大于上管的S极。采用该芯片降低了整体电路的设计难道,只要电容C选择恰当,该电路运行稳定。
           3.2小结
           本设计采用STC15F2K60S2单片机作为控制系统,然后通过单片机通过自然数查表法控制内部的三路硬件PWM模块生成SPWM脉冲信号,采用双极性调制方案驱动三相全桥逆变电路,输出经LC低通滤波器滤波,最后在负载上得到稳定的正弦波交流电。
           4.总结
           结论总结
           (1)采用STC15F单片机作为控制核心,加强智能控制;
           (2)具有安全控制系统,能实现了系统的过流保护、堵转保护;
           (3)设计了驱动电路、控制电路的设计,提高系统的可靠性:
           存在问题
           由于时间和能力方面的限制,本文所设计的正弦波逆变器还有进一步改善的方法,使系统具有更好的灵活性和稳定性。
参考文献
[1]曲学基等.新编高频开关稳压电源.北京:电子工业出版社,2005
[2]钱振宇等.开关电源的电磁兼容性.北京:电子工业出版社,2005.
 
 
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