全国大学生电子设计竞赛(七)--逆变电源设计

时间 2020-07-24 标签全国大学生电子设计竞赛七逆变电源设计

逆变电源在全国大学生电子设计竞赛电源类题目中占十分重要的地位。每个参加全国大学生电子设计竞赛并选择电源方向的学生都须要掌握逆变电源的设计制做。与整流相反，把直流电变为交流电称为逆变。逆变电路的应用很是普遍。当须要蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，就须要逆变电路。除此以外，应用很是普遍的交流电机调速用变频器、不间断电源UPS、感应加热电源等电力电子装置的核心电路就是逆变电路。
在电子设计竞赛逆变题目中，通常逆变电源的交流侧是和负载相连，此称为无源逆变。历届电子设计大赛出现过的逆变电源相关题目有：2005年国赛三相逆变电源、2009年国赛光伏并网发电模拟装置、2014年TI模拟邀请赛单相正弦波逆变电源、2016年省赛单相正弦波变频电源、2017年国赛微电网模拟系统。从历年出现过逆变类电源题看，国赛逆变类题目愈来愈难，电源结构愈来愈复杂，涉及的知识点愈来愈广，紧跟电源发展的新技术热点。如2009年国赛光伏并网发电模拟装置涉及最大功率点、频率、相位和波形跟踪技术，以及节能问题。2017年国赛微电网模拟系统涉及分布式三相逆变电源并联供电及功率分配问题。各位同窗在平时的训练中，除了掌握最基本的单相、三相逆变电源设计制做，还须要关注电源技术邻域的新技术热点。
逆变电源主要涉及的知识点有：元器件选择技术；开关管驱动技术；SPWM控制技术；PID反馈控制技术；交流电压电流取样及有效值计算；高频变压器的设计与制做；单片机和FPGA最小系统设计等。html

逆变电源设计详解

1 逆变电源基本原理

2 多相逆变电路与控制方法

1 逆变电源基本原理

1.1 半桥式逆变电路

从直流电源中获取交流电能，有多种方式，但至少须要两个功率开关器件，如图1所示的半桥式逆变电路是单相逆变电源的一种拓扑结构。此电路由两个串联的功率开关和两只串联的电容组成。两只串联电容的中点为参考点。电路工做原理以下：当V1导通V2关断时，电容C1上的能量释放到负载R上，输出电压Uo为正，同时电容C2充电；当V1关断V2导通时，电容C2上的能量释放到负载R上，输出电压Uo为负，同时电容C1充电。开关管V一、V2交替导通使得负载得到交流电能。
半桥式逆变电路的优势是电路结构简单，两个电容的串联中心做为中性参考点，这样不会带来直流份量和磁偏，适合带动变压器负载。其不足之处在于，当电路工做在工频（50Hz- 60Hz）状况下，所需电容的容量比较大，增长电路的体积和成本。
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1.2 全桥式逆变电路

在大学生电子设计竞赛中，全桥式逆变电路是应用最普遍的一种电路。下面如下图图2（a）的单相全桥逆变电路说明全桥式逆变电路的基本原理。单相全桥逆变电路也称为‘H桥’电路，由四个功率开关管及其驱动辅助电路构成，工做时Q1与Q4通断互补、Q2与Q3通断互补。当Q一、Q3闭合，Q二、Q4断开时，负载电压Uo为正;当Q一、Q3断开，Q二、Q4闭合时，负载电压Uo为负，Uo波形如图2（b）所示。Q一、Q3和Q二、Q4交替导通，使得负载上得到交流电能。当负载不是纯电阻时，负载电压和负载电流不是同相位，这时开关管的寄生二极管D1-D4则起着电流续流的做用。

与半桥式逆变电路相比，全桥式逆变电路开关管数量增长了一倍，意味电路复杂度和成本也会增长。可是在相同的开关电流下，全桥电路的输出功率是半桥电路的两倍，所以全桥电路更适合于大功率应用场合。算法

1.3 PWM控制技术

在电力电子发展史上，逆变电源占据很是重要的一环，而PWM控制技术在逆变电路中应用最普遍，对逆变电路的影响也最为深入。如今大量应用的逆变电源绝大多数都是PWM型逆变电源。正是因为在逆变电源中的应用，PWM技术才会发展得比较成熟，才肯定了它在电力电子技术中的重要地位。
PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即经过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地得到所须要波形（含形状和幅值）。PWM控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不一样的窄脉冲加在具备惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。以下图3（a）（b）和（c）所示的三个波形分别为矩形波脉冲、三角波形脉冲以及正弦波形脉冲，显然它们的形状彻底不一样，可是面积彻底相同，若是把它们分别加在具备同一个惯性的环节上时，其输出做用彻底相同。

若是用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，也就是说把正弦半波分红N等份，而后把它当作N个首尾相连的脉冲序列，而这些被平分的波形宽度彻底相等，但幅值却不相等。而后用矩形脉冲代替这些被平分的N份波形，矩形脉冲一样被要求幅度相等，而宽度不相同，可是要保证它们的中点彻底重合，面积与N份波形相同，这样就能够获得脉冲序列，以下图图4所示。根据上述分析，PWM 波形和正弦半波是等效的，对于负半周也能够用一样的方法获得该PWM波。这种新产生的PWM波叫作SPWM波。
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2 多相逆变电路与控制方法

在历年的全国大学生电子设计竞赛中，对逆变电源的考察主要以多相的形式出现。如2005年G题三相正弦波变频电源，2017年微电网模拟系统。在全国大学生电子设计竞赛电源方向的培训中，多相逆变电源设计制做必不可少的，其中三相逆变电源最主要的。分布式

2.1 三相基本概念

（1）三相交流电：是电能的一种输送形式，是由三个频率相同、振幅相等、相位依次互差120°的交流电势组成，分别为A、B、C三相。三相电的波形图和矢量图以下图所示。
（2）星形接法和三角形接法
星形接法：也称Y型接法，以下图图5（a）所示每一相的负载的一端都接在公共点上。公共点为中性点，N为中性线。

三角形接法：以下图图6（b）所示，每一相的负载首尾相连,造成三角形接法。每一种接法有不一样的应用场合，Y形接法用来为家庭和办公中使用的平常单相设备供电，三角形接法最经常使用的状况是为功率较高的三相工业负载供电。

（3）线电压、线电流、相电压和相电流
线电压：三相供电系统两线之间的电压。以下图图7（a）Y型接法ABC三线间的电压 $U_{\mathrm{AB}}$ ， $U_{\mathrm{AC}}$ ， $U_{\mathrm{BC}}$ 。
相电压：三相供电系统ABC三相分别对中性线的电压。以下图图7（a）Y型接法ABC三相电压 $U_{\mathrm{AN}}$ ， $U_{\mathrm{BN}}$ ， $U_{\mathrm{CN}}$ 。
线电流：线电流是三相电源中每根导线中的电流为线电流。以下图图7（a）Y型接法中 $i_{\mathrm{A}}$ ， $i_{\mathrm{B}}$ ， $i_{\mathrm{C}}$ 。
相电流：相电流是指三相电源中流过每相负载的电流。以下图图7（a）Y型接法中 $i_{\mathrm{AN}}$ ， $i_{\mathrm{BN}}$ ， $i_{\mathrm{CN}}$ 。
在Y型均衡接法中，线电压和相电压之间是呈现等边三角形关系，以下图图8所示的电压矢量图。线电压等效于等边三角形的三边，相电压等效于等边三角形的中心与顶点的连线。三个线电压是对称的：大小相等，为相电压的倍，相位领先对应的相电压30度，互成120度。而线电流和相电流相等。
在三角形接法中，线电压与相电压是相等的，二线电流和相电流的关系和Y型接法中线电压和相电压的关系同样。

（4）三相负载功率计算
三相负载上的总功率等于每相负载的功率之和，而每相负载功率等于该相的相电压、相电流和该相的功率因素的乘积。
Y型对称接法中：总功率 $P=3x$ 相电压x相电流x功率因素 $cosφ$
由Y型接法中线电压和相电压，线电流和相电流之间的关系，能够获得：
总功率 $P= \sqrt{2}$ $*$ 线电压 $*$ 线电流*功率因素 $cosφ$ 。ide

2.2 三相有源逆变电路

图9为三相有源逆变电路结构，可看作由三个半桥组成，取三个半桥中间点做为三相的输出。用三个互差120°的正弦波与高频三角载波进行比较，每路结果再经反相器产生与原信号相反的控制波，分别控制上下桥臂MOS的导通与关断。这样产生的六路SPWM波分别控制六个MOS的通断，从而在负载端产生与调制波同频的三相交流电。
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