1、東北電力大學本科畢業設計論文摘 要隨著電力電子技術的迅猛發展，逆變技術廣泛應用于航空、航海等國防領域和電力系統，交通運輸、郵電通信、工業控制等民用領域。特別是隨著石油、煤和天然氣等主要能源日益緊張，新能源的開發和利用越來越受到人們的重視。利用新能源的關鍵技術-逆變技術，能將蓄電池、太陽能電池和燃料電池等其他新能源轉化的直流電能變換成交流電能與電網并網發電。因此，逆變技術在新能源的開發和利用領域有著至關重要的地位。理論聯系實際，將書本上所學到的知識與實際設計結合起來，學習電力電子基本理論，掌握單相電壓型逆變器的工作原理和SPWM原理，并進行詳細的設計分析，掌握其控制方式及在電力系統中的重要作用。

2、關鍵詞：逆變技術，單相電壓型逆變器，SPWM原理IIABSTRACT With the rapid development of power electronics technology, the inverter technology is widely used in aviation, navigation and other fields of national defense and the electric power system, transportation, telecommunications, industrial control and other civilian

3、areas. Especially with the oil, coal and natural gas and other major energy shortage, the development and utilization of new energy has been paid more and more attention. The key technology of new energy, inverter technology, the battery, DC can be converted into AC power grid connected power genera

4、tion solar cell and fuel cell and other new energy conversion. Therefore, inverter technology plays a very important role in the field of new energy development and utilization. The theory with practice, apply on the books knowledge and practical design combine learning power electronics basic theor

5、y, master the working principle and the principle of SPWM single-phase voltage type inverter, and design a detailed analysis, palm Hold the control mode and the important role in the power system. Keywords: Inverter technology ，Single phase voltage source inverter ，SPWM principle 目 錄摘 要IABSTRACTII第1

6、章 緒 論11.1 課題背景及研究的意義11.1.1 課題背景11.1.2 課題研究的意義11.2 逆變技術的發展現狀和發展趨勢21.2.1 逆變器的發展過程21.2.2 逆變器的發展趨勢31.2.3 逆變技術存在的難點41.3 本文研究內容4第2章 逆變器的工作原理62.1 逆變器的分類62.2 逆變技術指標62.2.1 額定輸出電壓62.2.2 輸出電壓的波形失真度72.2.3 額定輸出頻率72.2.4 保護72.2.5 啟動特性72.2.6 噪聲72.3 逆變器結構分析82.3.1 逆變器基本結構82.3.2 逆變電路的基本工作原理92.3.3 逆變電路的換流方式92.3.4 電壓型逆變

7、器122.3.5 逆變器的調制方式14第3章 PWM控制技術153.1 SPWM調制與實現原理163.2 軟件程序設計173.3 正弦脈寬調制的生成183.4 規則采樣法203.5 同步調制和異步調制21第4章 系統組成及設計224.1 系統控制方案234.1.1 定時器周期中斷子程序234.1.2 A/D采樣子程序244.1.3 數據處理算法244.1.4 測量波形264.2 系統框圖274.2.1主電路硬件結構及工作原理274.3 TMS320F28335 DSP簡介284.3.1 DSP的概念294.3.2 DSP的相關應用30第5章 總結30致 謝31參 考 文 獻32附錄1 基于DS

8、P28335的SPWM生成程序34附錄2 逆變器控制程序源代碼38VI第1章 緒 論1.1 課題背景及研究的意義1.1.1 課題背景近年來，隨著電力電子技術和自動化水平及控制技術的發展，各行各業對電力的供給提出了更高的要求。提供穩定的、高可靠性的、高效率的、節能環保的電力供給就成為了能量領域研究的重點之一 。在目前已有的電源中，如蓄電池和太陽能電池等都是直流電源，當需要這些電源向交流負載供電時就需要將直流電轉變成交流電供負載使用。逆變器就是這種能進行電能轉化的裝置。逆變器也稱逆變電源，是太陽能、風力發電中一個重要部件。它能將直流電變為定頻定壓或調頻調壓交流電，傳統方法是利用晶閘管組成的方波逆變

9、電路實現，但由于其含有較大成分低次諧波等缺點，近十余年來，由于電力電子技術的迅速發展，全控型快速半導體器件BJT，IGBT，MOSFET，GTO 等的發展和PWM的控制技術的日趨完善，控制電路也從模擬集成電路發展到單片機等數字控制領域，使得SPWM逆變器得以迅速發展并廣泛使用。PWM 控制技術是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和周期以達到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術，SPWM 控制技術又有許多種，并且還在不斷發展中，但從控制思想上可分為四類，即等脈寬PWM 法，正弦波PWM 法（SPWM 法），磁鏈追蹤

10、型PWM 法和電流跟蹤型PWM 法等等。各種現代控制理論如棒棒控制，自適應控制、模糊邏輯控制、神經網絡控制等先進控制理論和算法也大量應用于逆變領域。1.1.2 課題研究的意義國民經濟的高速發展和國內外能源供應日益緊張，電能的開發和利用顯得更為重要。目前，國內外都在大力開發新能源，如太陽能發電、風力發電、潮汐發電等。一般情況下，這些新型發電裝置輸出不穩定的直流電，不能直接供給需要交流電的用戶使用。為此，需要將直流電變換成交流電，需要時可并入市電電網。這種DC-AC變換需要逆變技術來完成。因此，掌握逆變技術具有重要的意義。逆變電源輸出的交流電可用于各類設備，可以最大限度地滿足移動供電場所或無電地區

11、用戶對交流電源的需要。有了逆變器，就可利用直流電轉換成交流電為電器提供穩定可靠得用電保障，如筆記本電腦、手機、數碼相機以及各類儀器等；逆變器還可與發電機配套使用，能有效地節約燃料、減少噪音；在風能、太陽能領域，逆變器更是必不可少。這種能量的變換對節能、減小環境污染、降低成本和提高產量等方面均起著非常重要的作用。隨著逆變技術成熟，使得其應用領域也達到了前所未有的廣闊，廣泛應用于電力系統、家用電器、交通運輸、工業電源和航空航天等領域并且隨著計算機技術和各種新型功率器件的發展，逆變裝置也將向著體積更小、效率更高、性能指標更優越的方向發展。高性能逆變電源要求滿足：高逆變效率、高速動態響應、高穩態精度、

12、高智能化、高系統穩定性和高可靠性。1.2 逆變技術的發展現狀和發展趨勢1.2.1 逆變器的發展過程 1956-1980年為傳統發展階段。1956年，第一只晶閘管問世標志著電力電子學的誕生，在這個時代，逆變器繼整流器之后開始發展，首先出現的是可控硅SCR電壓源型逆變器。1961年，WMcMurrav與BDB edford提出了改進型SCR強迫換向逆變器，為SCR逆變器的發展奠定了基礎。1962年，AKemick提出了“諧波中和消除法”，這標志著正弦波逆變器的誕生。1963年，EGTumbull提出了“特定諧波消除法”，為后來的優化PWM法奠定了基礎，以實現特定的優化目標，如諧波最小，效率最優等。

13、1980到現在為高頻化新技術階段。20世紀80年代初，美國弗吉尼亞電力電子技術中心(VPEC)對諧振技術進行了改進，提出了準諧振變換技術，即把LC回路在一個開關周期中的全諧振改變為半諧振或部分諧振，這才使軟開關與PWM技術的結合成為可能，并在DCDC變換器中普遍采用。軟開關技術研究的最終目的是實現脈寬調制PWM(PulseWidth Modulation)軟開關技術，也就是將軟開關技術引進到PWM逆變器中，使它既能保持原來的優點，又能實現軟開關功能。為此，必須把LC與開關器件組成一個諧振網絡，使PWM逆變器只有在開關轉換過程中才產生諧振，實現軟開關轉換，平時則不諧振，以保持PWM逆變器的特點。

14、PWM軟開關技術是當今電力電子學領域最活躍的研究內容之一，是實現電力電子高頻化的最佳途徑，也是一項理論性最強的研究工作。它的研究對于逆變器性能的提高和進一步推廣應用，以及對電力電子學技術的發展，都有十分重要的意義，是當前逆變器的發展方向之一。1.2.2 逆變器的發展趨勢 在電力電子技術的應用及各種電源系統中，變頻電源技術均處于核心地位。近年來，現代變頻電源技術發展主要表現出以下幾種趨勢： (1) 高頻化 提高變頻電源的開關頻率，可以有效地減小裝置的體積和重量，為了進一步減小裝置的體積和重量，去掉笨重的工頻隔離變壓器，采用高頻隔離，并可消除變壓器和電感的音頻噪聲，同時改善了輸出電壓的動態響應能力

15、。 (2) 高性能化 高性能主要指輸出電壓特性的高性能，它主要體現在以下幾個方面:穩壓性能好，空載及負載時輸出電壓有效值要穩定；波形質量高，不但要求空載時的波形好，帶載時波形也好，對非線性負載性要強；突加或突減負載時輸出電壓的瞬態響應特性好；電壓調制量小；輸出電壓的頻率穩定性好；對于共相電源，帶不平衡負載時相電壓失衡小。 (3) 模塊化 當今逆變電源的發展趨向是大功率化和高可靠性.雖然現在已經能生產幾千KVA的大型逆變電源，完全可以滿足大功率要求的場合。但是，這樣整個系統的可靠性完全由單臺電源決定，無論如何可靠性也不可能達到很高。為了提高系統的可靠性，就必須實現模塊化，模塊化意味著用戶可以方便

16、地將小容量的模塊化電源任意組合，構成一個較大容量的變頻電源。模塊化需要解決逆變電源之間的并聯問題，變頻電源的并聯要比直流電源的并聯復雜，它面臨著負荷分配、環流補償、通斷控制等多方面的問題。 (4) 數字化 現在數字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、提高系統抗干擾能力、便于軟件包調試和遙感遙測遙調、也便于自診斷，容錯等技術的植入，同時也為電源的并聯技術發展提供了方便。 (5) 綠色化綠色電源的含義有兩層:首先是顯著節電，這意味著發電容量的節約，而發電是造成環境污染的重要原因。為了使電源系統綠色化，電源應加裝高效濾波器，還應在電網輸入端采用

17、功率因數校正技術和軟開關技術。提高輸入功率因數具有重要意義，不僅可以減少對電網的污染，降低市電的無功損耗，起到環保和節能的效果，而且還能減少相應的投資，提高運行可靠性。提高功率因數的傳統方法是采用無源功率因數校正技術，目前較先進的方法是:單相輸入的采用有源功率因數校正技術，三相輸入的采用SPWM高頻整流提高功率因數。今后電源技術將朝著高效率、高功率因數和高可靠性方向發展，并不斷實現低諧波污染、低環境污染、低電磁干擾和小型化、輕量化。從而為今后的綠色電源產品和設備的發展提供強有力的技術保證，這也將是現代電源發展的必然結果。1.2.3 逆變技術存在的難點數字化是逆變電源發展的主要方向，但還是需要解

18、決以下一些難題：（1）逆變電源輸出要跟蹤的是一個按正弦規律變化的給定信號，它不同于一般開關電源的常值控制。在閉環控制下，給定信號與反饋信號的時間差就體現為明顯的相位差，這種相位差與負載是相關的，這就給控制器的設計帶來了困難。（2）逆變電源輸出濾波器對系統的模型影響很大，輸入電壓的波動幅值和負載的性質，大小的變化范圍往往比較大，這些都增加了控制對象的復雜性，使得控制對象模型的高階性、不確定性、非線性顯著增加。 （3）對于數字式PWM，都存在一個開關周期的失控區間，一般是在每個開關周期的開始或上個周期之后確定本次脈沖的寬度，即使這時系統發生了變化，也只能在下一個開關周期對脈沖寬度做出調整，所以現在

19、逆變電源的數字化控制引起了廣泛的關注。1.3 本文研究內容本文研究的主要內容如下：（1） 掌握單相電壓型逆變器的工作原理；（2） 掌握SPWM原理，繪制逆變器控制程序流程圖；（3）用C語言編寫DSP程序，完成逆變器的軟件設計，設計完成的逆變器能輸出單相正弦波，并給出實驗波形。（4）計算正弦調制波，并將調制波數據以數組形式存儲在DSP的RAM中。通過改變調制度，改變輸出正弦波的幅值。第2章 逆變器的工作原理2.1 逆變器的分類逆變器的種類很多，可按照不同的方法進行分類。 按逆變器輸出交流電能的頻率，可分為工頻逆變器，中頻逆變器和高頻逆變器。工頻逆變器的頻率為50-60HZ的逆變器；中頻逆變器的頻

20、率一般為400HZ到十幾KHZ；高頻逆變器的頻率一般為十幾KHZ到MHZ。 按逆變器輸出的相數，可分為單相逆變器，三相逆變器和多相逆變器。 按照逆變器輸出電能的去向，可分為有源逆變器和無源逆變器。凡將逆變器輸出的電能向電網側輸送的逆變器，稱為有源逆變器；凡將逆變器輸出的電能向電能負載輸送的逆變器稱為無源逆變器。 按逆變器主電路的形式，可分為單端式逆變器，推挽式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。 按逆變器主開關器件的類型，可分為晶閘管逆變器、晶體管逆變器、場效應管逆變器和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)逆變器等。也可以將其歸納為“半控型”逆變器和“全控型”逆變器兩大類。其中半控型器件不具備自關斷能

21、力，元器件在導通后即失去控制作用，故稱之為“半控型”，晶閘管屬于這一類器件。而全控型器件具有自關斷能力，即器件的導通和關斷均可由器件的控制極加以控制，電力場效應管和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）及MOSFET都屬于這一類器件。 按直流電源類型，可分為電壓源型逆變器（VSI）和電流源型逆變器（CSI）。 按逆變器輸出電壓或電流的波形，可分為正弦波輸出逆變器和非正弦波輸出逆變器。 按逆變器環流方式分，可分為負載換流式逆變器和自換流式逆變器。2.2 逆變技術指標2.2.1 額定輸出電壓 在規定的輸入直流電壓允許的波動范圍內，它表示逆變器能輸出的額定電壓值。對輸出額定電壓值的穩定準確度一般有如下規定：

22、（1）在穩態運行時，電壓波動范圍應有一個規定，例如逆變器輸出電壓偏差不超過額定值的±3%或±5%。（2）在負載突變（額定負載0%50%100%）或有其他干擾因素影響的動態情況下，逆變器輸出電壓偏差不應超過額定值的±8%或±10%。2.2.2 輸出電壓的波形失真度 當逆變器輸出電壓為正弦波時，應規定允許的最大波形失真度（或諧波分量）。通常以輸出電壓的總波形式失真度表示，其值不應超過5%（單相輸出允許10%）。2.2.3 額定輸出頻率 逆變器輸出交流地那英的頻率應是一個相對穩定的值，通常為工頻50HZ。正常工作條件下其值應在±1%以內。2.2.4

23、保護 （1）過電壓保護：對與沒電壓穩定措施的逆變器，應有輸出過電壓防護措施，以使負載免受輸出過電壓的損害。 （2）過電流保護：逆變器的過電路保護，應能保證在負載發生短路或電流過允許值時及時動作，使其免受浪涌電流的損傷。2.2.5 啟動特性逆變器帶負載啟動的能力和動態工作時的性能。逆變器應保證在額定負載下可靠起動。2.2.6 噪聲電力電子設備中的變壓器、濾波電感、電磁開關等部件均會產生噪聲。逆變器正常運行時，其噪聲應不超過80DB,小型逆變器的噪聲應不超過65DB.2.3 逆變器結構分析2.3.1 逆變器基本結構逆變器采用 ACDCAC（交直交）的結構形式，其基本結構如圖2-1所示，主要由輸入、

24、整流、逆變、輸出、驅動與控制以及保護等電路組成。輸入電路整流電路逆變電路輸出電流輔助電源驅動與控制電路保護電路圖 2-1 逆變器的基本結構圖(1) 輸入電路逆變主電路輸入如果是交流電，首先要經過整流電路轉換為直流，提供穩定的直流電壓。(2) 輸出電路輸出電路主要是濾波電路。對于隔離分析式逆變電源，在輸出電路的前面還有逆變變壓器；對于開環控制的逆變系統，輸出量不用反饋到控制電路；而對于閉環控制的逆變系統，輸出量還要反饋到控制電路。(3) 驅動與控制電路驅動與控制電路的功能就是按要求產生一系列的控制脈沖，來控制逆變開關管的導通和關斷，并能調節其頻率，控制逆變主電路完成逆變功能。在逆變系統中，控制電

25、路與逆變主電路具有同樣的重要性。(4) 輔助電源輔助電源的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓。(5) 保護電路保護電路主要具有：輸入過壓保護、欠壓保護功能；輸出過壓保護、欠壓保護功能；過載保護功能；過電流和短路保護功能。(6) 逆變主電路逆變主電路主要是根據變化的驅動控制脈沖得到變化的高壓交流脈沖，即把穩定的直流電壓變換為交流脈沖電壓，完成逆變。現普遍使用的單相逆變主電路為全橋式逆變電路。2.3.2 逆變電路的基本工作原理 以單相橋式逆變電路為例說明其最基本的工作原理，圖（a）中S1S4是橋式電路的4個臂，它們由電力電子器件及輔助電路組成，當開關S1、S4斷開，S2、S3

26、閉合時，uo為負，其波形如下圖所示，這樣就把直流電變成交流電，改變兩組開關的切換頻率，即改變輸出交流電的頻率，這就是逆變電路的最基本的工作原理。當負載為電阻時，負載電流io和電壓uo波形形狀相同，相位也相同。當負載為阻感負載時，io的基波相位滯后于uo的基波，兩者波形形狀也不同，圖（b）給出的就是阻感負載時的io波形。圖2-2 逆變電路及其波形 設t1時刻以前S1、S4導通，uo和io均為正。在t1時刻斷開S1和S4,同時合上S2、S3導通,則uo的極性立刻變為負。但是，因為負載中有電感，其電流極性不能立刻改變而仍維持原方向。這時負載電流從直流電源負極流出，經S2、負載和S3流回正極，負載電感

27、中儲存的能量向直流電源反饋，負載電流逐漸減小，到t2時刻降為零，之后io才反向并逐漸增大。S2、S3斷開，S1、S4閉合時的情況類似。2.3.3 逆變電路的換流方式 在圖2-2的逆變電路工作過程中，在t1時刻出現了電流從S1到S2,以及從S3到S4的轉移。電流從一個支路向另一個支路轉移的過程稱為換流，也常被稱為換相。 1、換流方式的分類 器件換流 利用全控型器件的自關能力進行換流。在采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中，其換流方式即為器件換流。 電網換流 由電網提供換流電壓稱為電網換流。可控整流電路、交流調壓電路和采用相控方式的交變變頻電路，不需器件具有門極可關斷

28、能力，也不需要為換流附加元件。可控整流電路，無論其工作在整流狀態還是有源逆變狀態，都是借助于電網電壓實現換流的，都屬于電網換流。三相交流調壓電路和采用相控方式的交交變頻電路中的換流方式也都是電網換流。在換流時，只要把負的電網電壓施加在遇關斷的晶閘管上即可使其關斷。這種換流方式不需要器件具有門極可關斷能力，也不需要為換流附加任何元件，但是不適用于沒有交流電網的無源逆變電路。 負載換流 由負載提供換流電壓稱為負載換流。負載電流相位超前于負載電壓的場合，都可以實現負載換流。負載為電容性負載時，負載為同步電動機時，可實現負載換流。另外，當負載為同步電動機時，由于可以控制勵磁電流使負載呈現容性，因而也可

29、以實現負載換流。圖2-3 a是基本的負載換流逆變電路，四個橋臂均由晶閘管組成。其負載是電阻電感串聯后再和電容并聯，整個負載工作在接近并聯諧振狀態而略呈容性。在實際電路中，電容往往是為改善負載功率因數，使其略呈容性而接入的。由于在直流側傳入了一個很大的電感，因而在工作過程中可以認為基本沒有脈動。 圖2-3 負載換流電路及其工作波形 電路的工作波形如圖2-3b所示。因為直流電流近似為恒值，四個臂開關的切換使電流流通路徑改變，所以負載電流基本呈現為矩形波。負載工作在對基波電流接近并聯諧振的狀態，對基波阻抗很大，對諧波阻抗很小，uo波形接近正弦。 工作過程：t1時刻前，S1、S4為通態，S2、S3為斷

30、態，uo、io均為正，S2、S3上施加的電壓即為uo；t1時刻時，觸發S2、S3使其開通，uo通過S2、S3分別加到S4、S1上使其承受反壓而關斷，電流從S1、S4轉移到S3、S2。觸發S2、S3的時刻t1必須在uo過零前并留有足夠的裕量，才能使換流順利完成。 強迫換流 設置附加的換流電路，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓或反向電流的換流方式稱為強迫換流（Forced Commutation）。通常利用附加電容上儲存的能量來實現，也稱為電容換流。 直接耦合式強迫換流由換流電路內電容提供換流電壓。VT通態時，先給電容C充電。合上S就可使晶閘管被施加反壓而關斷。 圖2-4 直接耦合式強迫換流原理圖

31、 電感耦合式強迫換流通過換流電路內電容和電感耦合提供換流電壓或換流電流。 兩種電感耦合式強迫換流： 圖2-5a中晶閘管在LC振蕩第一個半周期內關斷。 圖2-5b中晶閘管在LC振蕩第二個半周期內關斷。 圖2-5 電感耦合式強迫換流原理圖 給晶閘管加上反向電壓而使其關斷的換流也叫電壓換流（圖2-4）。先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯二極管使其加反壓的換流叫電流換流（圖2-5）。 當電流不是從一個支路向另一個支路轉移，而是在支路內部終止流通而變為零，則稱為熄滅。2.3.4 電壓型逆變器 逆變器按其直流電源性質不同分為兩種：電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路，電流型逆變電路或電流源型逆變電路。 圖2

32、-6 電壓型逆變電路舉例 （全橋逆變電路） 電壓型逆變電路有以下特點： (1)直流側為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動。(2) 輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同。 (3)阻感負載時需提供無功。為了給交流側向直流側反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯反饋二極管。 1、單相半橋逆變電路工作原理：V1和V2柵極信號在一個周期內各有半周正偏、半周反偏，且二者互補。當負載為感性時，其工作波形如圖2-7b所示。輸出電壓uo為矩形波，幅值為 Um=Ud/2，輸出電流io波形隨負載而異。當V1或V2為通態時，負載電流和電壓同方向，直流側向負載提供能量；而當VD1或VD2為通態時，負載電流和

33、電壓反向，負載電感中儲存的能量向直流側反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管，還使負載電流連續，因而又稱續流二極管。 圖2-7 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形 優點：簡單，使用器件少。 缺點：輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2，且直流側需要兩個電容器串聯，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡。常用于幾千瓦以下的小功率逆變電源。 單相全橋、三相橋式都可看成若干個半橋逆變電路的組合。 2、全橋逆變電路 電壓型全橋逆變電路如圖2-8a可以看成由兩個半橋電路的組合而成。把橋臂1和4作為一對，橋臂2和3作為另一對，成對橋臂同時導通，兩對交替各導通180°。輸出電壓uo波形和圖2-8b的半橋電路的

34、波形uo形狀相同，但其幅值高出一倍，Um=Ud。輸出電流io波形和圖2-8b中的i0形狀相同，幅值增加一倍，輸出電壓波形的的定量分析：把幅值為Ud的矩形波u0展開成傅里葉級數得其中，基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為 上述公式對于半橋逆變電路也是適用的，只是式中的Ud要換成Ud/2。uo為正負電壓各180°的脈沖時，要改變輸出電壓有效值只能改變直流電壓Ud來實現。在阻感負載時，還可以采用移相的方式來調節逆變電路的輸出電壓，這種方式成為移相調壓。移相調壓實際上就是調節輸出電壓脈沖的寬度。在圖2-6a的單相全橋逆變電路中，各IGBT的柵極信號為180°正偏，180

35、76;反偏，且V1和V2的柵極信號互補，V3和V4的柵極信號互補。V3的基極信號比V1落后（0<<180°)，V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移了180°，輸出電壓uo是正負各為的脈沖，改變即可調節輸出電壓有效值。各IGBT的柵極信號uG1uG4及輸出電壓uo、輸出電流io的波形如圖2-6b所示。 圖2-8 單相全橋逆變電路的移相調壓方式 2.3.5 逆變器的調制方式 1.方波控制 方波逆變器輸出的交流電壓波形為方波，占空比不可調。此類逆變器所使用的逆變線路也不完全相同，但共同的特點是線路比較簡單，使用的功率開關管數量很少。這類逆變器還有調壓范圍不夠寬，

36、保護功能不夠完善，噪聲比較大等缺點，設計功率一般在百瓦至千瓦之間。 2.SPWM調制 SPWM法就是用脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等,通過改變調制波的頻率和幅值則可調節逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。 3.SVPWM調制SVPWM (空間電壓矢量控制PWM)調制也叫磁通正弦PWM法，它以三相波形整體生成效果為前提,以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的,用逆變器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近基準圓磁通,由它們的比較結果決定逆變器的開關,形成PWM波形。此法從電

37、動機的角度出發,把逆變器和電機看作一個整體,以內切多邊形逼近圓的方式進行控制,使電機獲得幅值恒定的圓形磁場(正弦磁通)。它提出主要是為解決電機變頻驅動問題，現已被用到PWM逆變和PWM整流技術中。第3章 PWM控制技術3.1 SPWM調制與實現原理如圖3.1所示，為了輸出逆變器所需要的正弦波，將等腰三角形作為載波(Carrier wave)，正弦波為調制波(Modulation wave)，正弦調制波與三角載波的交點確定了逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得了一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，按照面積等效原理，每一個矩形波的面積與相應位置的正弦波面積相等，因此，該序列脈沖與期望的正弦波等效，這就是

38、正弦脈寬調制原理。本文采用的是雙極性方式,即在正弦調制波的半個周期內，三角載波在正負之間變化。圖3.1 雙極性SPWM調制原理SPWM數學模型的建立有多種方法:面積等效法、自然采樣法以及對稱規則采樣法。自然采樣法雖然能真實反映脈沖序列產生和結束的時刻,但是計算相對復雜。對稱規則采樣法是從自然采樣法演變而來,因其計算簡單,誤差較小,被廣泛應用于實際工程項目中。本文所采用的就是對稱規則采樣法，如圖3.2所示；圖3.2 規則采樣法在三角波的負峰時刻對正弦信號波采樣而得到D點，過D點作一水平直線和三角波分別交于A點和B點，在A點時刻和B點時刻控制開關器件的通斷。在每個載波周期用同樣的方法采集輸出脈沖,

39、即得到正弦脈寬調制波形序列。設正弦調制波的函數為： （3-1）Ur為正弦調制波的峰值；為調制度，為正弦調制信號波角頻率；根據圖3.2中三角形相似的原理可得： （3-2）即 （3-3）3.2 軟件程序設計由于產生的SPWM波形是一組占空比連續變化的脈沖序列,在編寫程序的時候必須考慮到實時更新比較寄存器的值。系統軟件編程包括主程序和中斷子程序,主程序實現以下功能:系統初始化、周期寄存器的初值給定、中斷方式設定等。中斷程序的功能是:更新比較寄存器的值以及清除中斷標志。系統流程如圖3.3所示。 圖3.3 程序流程圖有兩種方法可以實現中斷程序中比較寄存器的賦值: (1)實時計算法；(2)查表更新法。實時

40、計算法的優點在于計算精度相對較高,實時性以及程序的靈活性較好；缺點在于,實時計算電平翻轉時間點耗費大量的CPU時間,與中斷程序快進快出的原則有悖,且有可能會因為處理中斷程序的時間過長而導致脈沖丟失。查表更新法的原理是預先計算出各個頻率下每個載波周期中的比較值,以數組的形式存儲起來,在中斷程序中直接調用數組。雖然此法增大了存儲空間,但是這種以空間換取速度以及穩定性的方法具有較好實際應用效果。3.3 正弦脈寬調制的生成PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實用的幾乎都是電壓型。1.計算法和調制法1）計算法根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路

41、開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形。缺點：繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化2）調制法輸出波形作調制信號，進行調制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波；等腰三角波應用最多，其任一點水平寬度和高度成線性關系且左右對稱；與任一平緩變化的調制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求。調制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波；調制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波。結合IGBT控制電壓型逆變器為阻感負載時，作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補。控制規律：uo正半周，V1保持通態，V2保

42、持斷態，V3和V4交替通斷，因為負載電流比電壓滯后，因此在電壓正半周，電流有一段區間為正，一段區間為負。在負載電流為正區間，V1和V4導通時，負載電壓uo等于Ud；V4關斷時，負載電流通過V1和VD3續流，uo=0。在負載電流為負的區間，仍為V1和V4導通時，因io為負，故io實際上從VD1和VD4流過，仍有uo=Ud；V4關斷，V3開通后，io從V3和VD1續流，uo=0，這樣uo總可得到Ud和零兩種電平。uo負半周，讓V2保持通態，V1保持斷態，V3和V4交替通斷，負載電壓uo可得-Ud和零兩種電平。 圖3.4 單相橋式PWM逆變電路雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）：在ur半個周期內，三

43、角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負。在ur一周期內，輸出PWM波只有±Ud兩種電平，仍在調制信號ur和載波信號uc的交點控制器件通斷。ur正負半周，對各開關器件的控制規律相同，當ur>uc時，給V1和V4導通信號，給V2和V3關斷信號，如io>0，則V1和V4導通，如io<0，則VD1和VD4導通，uo=Ud。當ur<uc時，給V2和V3導通信號，給V1和V4關斷信號，如io<0，則V2和V3通，如io>0，則VD2和VD3導通，uo=Ud。波形見圖3.5。 3.4 規則采樣法按SPWM基本原理，自然采樣法中要求解復雜的超越方程，難以在實時控

44、制中在線計算，工程應用不多。圖3.5 規則采樣法規則采樣法特點是一種應用較廣的工程實用方法，其效果接近自然采樣法，但計算了卻比自然采樣法小的多。規則采樣法原理：圖3-7，三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期tc。自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期中點（即負峰點）重合。規則采樣法使兩者重合，每個脈沖中點為相應三角波中點，計算大為簡化。三角波負峰時刻td對信號波采樣得D點，過D作水平線和三角波交于A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制器件的通斷，脈沖寬度和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。規則采樣法計算公式推導：正弦調制信號波公式中，a稱為調制度，0a1；r為信號波角頻率。因此可得： (3

45、.1) 三角波一周期內，脈沖兩邊間隙寬度 (3.2) 3.5 同步調制和異步調制在SPWM逆變器中，載波頻率fc與調制信號頻率fr之比Nfc/fr，稱為載波比。根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，SPWM逆變器調制方式分為異步調制和同步調制。1.異步調制載波信號和調制信號不同步的調制方式即為異步調制。通常保持載波頻率fc固定不變，當調制信號頻率fr變化時，載波比N是變化的。當fr較低時，N較大，一周期內脈沖數較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較小，當fr增高時，N減小，一周期內的脈沖數減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大，還會出現脈沖的跳動。同時，輸出波形和正弦波之間的差異也變大，電路輸出

46、特性變壞。對于三相逆變器來說，三相輸出的對稱性也變差。因此，在采用異步調制方式時，希望盡量提高載波頻率，以使在調制信號頻率較高時仍能保持較大的載波比，從而改善輸出特性。2.同步調制載波比N等于常數，并在變頻時使載波和信號波保持同步的調制方式稱為同步調制。在同步調制方式中，fr變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數固定。在三相SPWM逆變電路中通常共用一個三角波載波，且取N為3的整數倍，使三相輸出對稱。3.分段同步調制為了克服上述缺點，通常采用分段同步調制的方法，即把fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持N恒定，不同頻段N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；在fr低的頻段采用

47、較高的N，使載波頻率不致過低；為防止fc在切換點附近來回跳動，采用滯后切換的方法。同步調制比異步調制復雜，但用微機控制時容易實現。可在低頻輸出時采用異步調制方式，高頻輸出時切換到同步調制方式，這樣把兩者的優點結合起來，和分段同步方式效果接近。第4章 系統組成及設計4.1 系統控制方案 按照選定的模式自舉加載程序，跳轉到主程序入口，進行相關變量、控制寄存器初始化設置和正弦表初始化等工作。接著使能需要的中斷，啟動定時器，然后循環進行故障檢測和保護，并等待中斷。主要包括三部分內容：定時器周期中斷子程序、A/D采樣子程序和數據處理算法。主程序流程圖如圖4.1所示。 圖4.1 主程序流程圖 4.1.1

48、定時器周期中斷子程序 主要進行PI調節，更新占空比，產生SPWM波。定時器周期中斷流程圖如圖4.2所示。 圖4.2 定時器周期中斷流程圖 4.1.2 A/D采樣子程序 主要完成線電流采樣和線電壓采樣。為確保電壓與電流信號間沒有相對相移，本部分利用TMS320F28335片上ADC的同步采樣方式。為提高采樣精度，在A/D中斷子程序中采用均值濾波的方法。對A相電壓和電流A/D的同步采樣部分代碼如下： 4.1.3 數據處理算法 本系統主要用到以下算法：（1）SVPWM算法（2）PID調節算法（3）頻率檢測算法 (1)SVPWM算法 SPWM波是以正弦波作為基準波（調制波），用一列等幅的三角波（載波）

49、與基準正弦波相比較產生PWM波的控制方式。當基準正弦波高于三角波時，使相應的開關器件導通；當基準正弦波低于三角波時，使相應的開關器件截止。由此，逆變器的輸出電壓波形為脈沖列，其特點是：半個周期中各脈沖等距等幅不等寬，總是中間寬，兩邊窄，各脈沖面積與該區間正弦波下的面積成比例。這種脈沖波經過低通濾波后可得到與調制波同頻率的正弦波，正弦波幅值和頻率由調制波的幅值和頻率決定。 本文采用不對稱規則采樣法，即在三角波的頂點位置與低點位置對正弦波進行采樣，它形成的階梯波更接近正弦波。不規則采樣法生成SPWM波原理如圖4.3所示。圖中，Tc是載波周期，M是調制度，N為載波比，Ton為導通時間。 由圖4.3得

50、： 當k為偶數時代表頂點采樣，k為奇數時代表底點采樣。 SVPWM算法實現過程： 利用F28335內部的事件管理器模塊的3個全比較單元、通用定時器1、死區發生單元及輸出邏輯可以很方便地生成三相六路SPWM波形。實際應用時在程序的初始化部分建立一個正弦表，設置通用定時器的計數方式為連續增計數方式，在中斷程序中調用表中的值即可產生相應的按正弦規律變化的SPWM波。SPWM波的頻率由定時時間與正弦表的點數決定。 SVPWM算法的部分代碼如下： (2)PID調節算法 在實際控制中很多不穩定因素易造成增量較大，進而造成輸出波形的不穩定性，因此必須采用增量式PID算法對系統進行優化。PID算法數學表達式為

51、 Upresat(t)= Up(t)+ Ui(t)+ Ud(t) 其中，Up(t)是比例調節部分，Ui(t)是積分調節部分，Ud(t)是微分調節部分。 本文通過對A/D轉換采集來的電壓或電流信號進行處理，并對輸出的SPWM波進行脈沖寬度的調整，使系統輸出的電壓保持穩定。 PID調節算法的部分代碼如下： (3)頻率檢測算法 頻率檢測算法用來檢測系統輸出電壓的頻率。用TMS320F28335片上事件管理器模塊的捕獲單元捕捉被測信號的有效電平跳變沿，并通過內部的計數器記錄一個周波內標頻脈沖個數，最終進行相應的運算后得到被測信號頻率。 4.1.4 測量波形 圖4.3 生成SPWM波形在完成上述硬件設計

52、的基礎上，本文采用特定的PWM控制策略，使逆變器拖動感應電機運行，并進行了短路、電機堵轉等實驗，證明采用逆變器性能穩定，能可靠地實現過流和短路保護。圖4.4是在空載條件下，用數字示波器記錄的穩態電壓波形。幅度為35V，頻率為60Hz。 圖4.4 不規則采樣法生成SPWM波原理圖 圖4.5 輸出線電壓波形 4.2 系統框圖直流電壓負載 LC濾波IGBT電壓檢測電路驅動電路A/D轉換28335DSP 圖4.5 系統結構框圖 圖4.6 系統總體電路圖圖4.7 單相電壓型逆變器主電路圖第5章 總結致 謝本次畢業設計完成了，在這里我要感謝所有幫助與鼓勵過我的人。首先是我的指導老師段雙明老師，因為本次畢業

53、設計是在段老師的悉心指導下完成的，段老師豐富的知識和平易近人的作風讓我受益匪淺，他不僅傳授我們知識，更傳授了我們學習的方法和嚴謹的態度，還有我的同學，給了我很多幫助。在此祝愿老師和各位同學一切順利，天天開心。我也會在以后的工作學習中牢記老師的教誨，更加努力學習。參 考 文 獻1 王兆安、劉進軍. 電力電子技術（第五版）. 機械工業出版社，20092 洪乃剛. 電力電子技術基礎J. 清華大學出版社,20083 陳伯時. 電力拖動自動控制系統（第四版）. 機械工業出版社，20104 周志敏、周紀海. 逆變電源實用技術設計與應用. 中國電力出版社，20055 華成英. 模擬電子技術基礎. 高等教育出

54、版社，20066 邱光源. 電路. 高等教育出版社,19997 閻石. 數字電子技術基礎（第四版）. 高等教育出版社，1999 8 陳堅. 電力電子M. 高等教育出版社,20029 黃忠霖 黃京. 電力電子技術MATLAB實踐. 國防工業出版社.200910 孫炳達. 自動控制原理M. 北京：機械工業出版社,200511 徐德鴻. 電力電子系統建模及控制 .北京：機械工業出版社，200512 Z.Ye, R. Walling, L. Garces, R. Zhou, L. Li, and T. Wang. Study and Development of Anti-Islanding Control