单相正弦波变频电源设计
发表时间：2024-11-06 20:54:34 来源：商用电磁炉
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电源系统是现代电子设备不可或缺的重要组成部分。1969年诞生的逆变电源可靠性高、稳定性高、调节特性优良、而且体积小、重量轻、功耗低，在电子和电气领域得到了极其广泛的应用。随着电力电子技术的快速的提升和各行各业对电气设备控制性能要求的提高，逆变技术在许多领域的应用也慢慢变得广泛，对电源性能的要求慢慢的升高。许多行业的用电设备都不是直接用电网提供的交流电作为电源，而是通过种种形式对电网交流电进行交换，从而得到各自所需要的电能形式。
随着逆变器控制技术的发展，电压型逆变电源出现了许多的变压、变频控制方法。目前采用较多的是脉宽调制技术即PWM控制技术，即利用控制输出电压的脉冲宽度，将直流电压调制成等幅宽度可变的系列交流输出电压脉冲，来控制输出电压的有效值、控制输出电压谐波的分布和抑制谐波。由于PWM技术可以迅速地控制输出电压，及其有效地进行谐波抑制，因而它的动态响应好，在输出电压质量、效率诸方面有着明显的优点。
论文设计的单相正弦波逆变电源属于交流电源(AC-DC-AC逆变)。该电源系统的设计包括主电路和控制电路。论文首先介绍了逆变电源的发展现状；阐述了逆变系统的工作原理；对PWM技术和IGBT进行了简单介绍；分析了正弦脉宽调制的原理及其几种主要的调制方式；还研究了逆变电源主电路的参数，包括整流滤波电路，IGBT的选择，输出滤波参数的确定；最后介绍了系统的软件设计实现的具体过程，并给出了系统主程序流程图和中断流程图，程序清单。
(9)按逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、定频硬开关式逆变和定频软开关式逆变。
(4)其它如弧焊电源、通信开关电源、变频电源、医用电源、化学电源、汽车电源等 。
现代逆变技术的种类很多，可以按照不同的形式进行分类，其主要的分类方式如下:
(1)按逆变器输出交流的频率，可以分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。工频逆变一般指50～60Hz；中频逆变一般为400Hz到十几kHz；高频逆变则一般为十几kHz到MHz。
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，逆变电源技术均处于核心地位。近年来，现代逆变电源技术发展主要表现出以下几种趋势：
(1)高频化。理论分析和实践经验表明：电器产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频5OHz提高到20kHz，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5%～10%,其主要材料可以节约90%甚至更高，还可以节电30%甚至更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，原材料消耗显著降低、电源装置小型化、系统的动态反应加快，更可以深刻体现技术含量的价值 。
目前随着工业用的高速数字信号处理器(DSP)的发展，正弦波逆变器的控制技术方案也由传统的模拟控制向现代数字化控制的方向发展。采用数字化控制，不仅可以大大降低控制电路的复杂程度，提高电源设计和制造的灵活性，而且可以采用更先进的控制方法，从而提高逆变电源系统输出波形的质量和可靠性。
在正弦波逆变电源数字化控制方法中，目前国内外研究得比较多的主要有数字PID控制、无差拍控制、双环反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制以及神经网络控制等。PID控制是一种传统控制方法，由于其算法简单成熟，设计过程中不过分依赖系统参数，鲁棒性好和可靠性高，在模拟控制的正弦波逆变电源系统中得到了广泛的应用。随着微处理器技术的发展，具有较快的动、静态响应特性数字PID算法获得应用。
逆变电源的性能指标很多，包括：(1)稳态精度；(2)动态性能，其中最重要的是输出信号的波形质量。在正弦波逆变电源中，引起输出波形畸变的因素多样，如何实现输出信号无误差的跟踪输入参考信号，提高稳态精度，此为问题之一；当负载切换或者变化、存在扰动输入时，如何实现输出信号快速达到稳态，此问题之二。因而，如何实现逆变电源输出信号的高稳态精度，快速的暂、稳态响应已成为当前研究热点之一。
逆变器是整流器的逆向变换装置，其作用是通过半导体功率开关器件(例如GTO,IGBT、功率MOSFET模块等)的开通与关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。逆变电源是逆变器的一种，并已广泛应用于通讯、军事、医疗、航空航天等各个领域 。
根据形成PWM波原理的不同，大致可以分为以下几种：矩形波PWM；正弦波PWM (SPWM)；空间相量PWM (SVM)；特定谐波消除PWM；电流滞环PWM等。这四类PWM波各有优缺点，因而适用于不同的场合。本文主要讨论正弦波逆变器，因此主要讨论SPWM正弦脉宽调制法(Sinusoid-PWM) 。
SPWM正弦脉宽调制法是调制波为正弦波，载波为三角波或锯齿波的一种脉宽调制法，它是1964年由A. Schonung和H.Stemmler把通讯系统的调制技术应用到逆变器而产生的，后来由Bristol大学的S. R.Bower等于1975年对该技术正式进行了推广应用。这项技术的特点是原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具有消除谐波、调节和稳定输出电压的多种作用，是一种比较好的波形改善法。它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用。
正弦脉宽调制(SPWM)逆变器作为逆变器的一种，可输出谐波含量小的正弦波形。正弦波逆变电源已广泛用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源、计算机电源，UPS不间断电源、医疗和照明电源、雷达高压电源、音响和视频电源等。随着数字化控制技术的发展，SPWM脉冲波的生成和逆变器的全数字化控制渐趋方便，并可使逆变器的输出波形的稳态精度、暂稳态响应、可靠性等得到进一步提高。
(1)将蓄电池的直流电逆变为交流电，如不间断电源(UPS)、应急灯电源、通用逆变电源等。
(2)获得可变频率的交流电源，应用于交流电动机变频调速等；同时还可以实现电动机制动再生能量回馈。
(5)按逆变主开关器件的类型，可分为GTO逆变、GTR逆变、功率MOSFET逆变、IGBT逆变，等等。
(7)按直流输入波形和交流输出波形，可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。
随着现代工业和科技的发展，电源在工作、生活等方面的作用越来越重要但许多用户的用电设备并非直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种各样的形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。把直流电能转变成交流电能供给负载的DC-AC逆变器，特别是正弦波逆变器，其种类繁多，应用领域广泛，优越性明显。因此，高性能的逆变器成为目前电力电子领域的研究热点之一。
