微电网模拟系统2

河南大学物理与电子学院2015级单片机课程设计论文微电网模拟系统论文作者姓名：作 者 学 号： 所 在 学 院： 所 学 专 业： 任 课 老 师： 论文完成时间： 18 摘要 本作品由三相SPWM信号的生成、逆变回路及其驱动和三相复杂部分组成。选择STC15单片机生成；逆变电路采用分离元件构成的三相电路。采用并网接法，两个逆变器并联，构成的模拟微电网系统。本设计使用STC15F2K60S2为主控模块，主要采用单片机来产生三路SPWM波，该PWM波进入半桥驱动芯片IR2104后可产生两路互补的SPWM波，以此驱动相应大功率场效应管，该驱动方式属于同步整流的范围，因此其效率可达到88%以上.关键字:三相逆变,STC15F2K60S2,IR2104,SPWM波AbstractThis work is composed of three - phase SPWM signal generation, inverter loop and its drive and three-phase complex part. Select STC15 single chip microcomputer generation; The inverter circuit adopts the three-phase circuit formed by the separation element. The parallel connection of two inverters is used to simulate the microgrid system. This design USES STC15F2K60S2 as the main control module, mainly by single chip microcomputer to produce SPWM wave three road, after the PWM wave into the half bridge driver chip IR2104 can produce two lines of complementary SPWM wave, drive the corresponding high power field effect tube, the drive mode belongs to the scope of the synchronous rectifier, so its efficiency can reach above 88%.Keyswords: Three-phase inverter,STCF2K60S2,IR2104,SPWM wave 引言1.1设计要求本次课程设计题目要求为三相方波逆变电路的设计。设计过程从原理分析、元器件的选取，到方案的确定以及Matlab仿真等，巩固了理论知识，基本达到设计要求。完成三相方波逆变电路的仿真，开关管选IGBT，直流电压为530V，阻感负载，负载有功功率1KW，感性无功功率为100Var。1.2逆变的概念逆变即直流电变成交流电，与整流相对应。电力系统中，将电网交流电通过整流技术变成直流电，然后通过逆变技术，将直流变成高频交流，再通过高频变压器降压，就达到缩小变压器体积和提高供电质量的目的了1.3三相逆变三相逆变技术广泛应用于交流传动、无功补偿等领域。在三相PWM交流伺服系统中，一般采用三个桥臂的结构，即逆变桥主电路有6个功率开关器件（功率MOSFET或IGBT）构成，若每个开关器件都用一个单独的驱动电路驱动，则需6个驱动电路，至少要配备4个相互独立的直流电源为其供电，使得系统硬件结构复杂，可靠性下降，且调试困难，设计成本偏高。1.4 PWM的基本原理PWM(PulseWidthModulation)控就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。PWM控制技术最重要的理论基础是面积等效原理，即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。 目录一、方案及器件的选择及原理分析.41.变频电源逆变方案.42.逆变器的选择.43.三相桥式逆变电路原理分析.5二、方案的实现及模块电路.51. 系统框图.52. 变频电源方案实现.53.模块电路.5三、测试仪器与测试方法.61.测量仪器.62.测试方法.63.测量数据及数据分析.6结论.6参考文献附录一:电路原理图附录二：源程序 一、方案及器件的选择及原理分析1.SPWM采样点分析根据题目要求将交流整流后，经过逆变从而产生三相正弦波电源。而实现三相正弦波变频电源的关键在于逆变过程。对于小功率逆变电路一般都采用pwm技术，为了实现三相正弦波变频电源，本设计采用了spwm技术。实现spwm有以下几种方案。 方案一：采用规则采样法。规则采样法一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波作为载波。其原理就是三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而产生spwm法。 方案二：采用自然采样法，以正弦波为调波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。其优点是所得spwm波形接近正弦波。 方案三：采用自然采样法，但不采用计算的方法求得载波与调制波的自然交点时刻，而是由软件形成一个正弦表，通过软件查表的方法来比较与调制波的大小，进而控制脉宽来生成spwm波。这种方法具有自然采样法生成spwm波形接近正弦波，同时不需要大量的运算，同时操作方便，易于处理。 方案的选择：方案一是一个较通用的方案，电路设计复杂化，不适合。方案二由于计算繁琐，不适用于实时控制。而方案三既具有接近正弦波的优点又避免了大量的运算。同时对于现在的控制器来说，软件生成一个较大的正弦表示可以做到的。故本设计采用方案三，同时可以简化电路设计，易于焊接。3. SPWM波的产生电路方案一:采用以三相SPWM波产生芯片EG8030为核心的硬件点论,作为SPWM波的产生电路方案二:采用单片机软件实现SPWM波的产生信号，通过单级驱动放大电路进行信号的放大方案对比:硬件电路产生SPWM波成本较高,外围电路搭建复杂,调试较为复杂,而软件采用专门的单片机产生,调试容易，成本低廉,便于后续设计，故采用方案二3.逆变器的选择方案一: 利用分立元件,采用六个IGBT作为开关器件，用3个IR2104作为驱动电路组成一个三相桥式逆变电路（如下图所示），用单片机输出三路SPWM波,即可实现一个逆变电路。 方案二:采样集成模块IM14400,内部设有门极驱动控制电路,故障检测电路和保护电路,能够简化电路方案;方案对比:方案一虽然稍微繁琐,方案二电路结构简单,但是 由于采用方案二成本过于高昂,故采用方式一.3.三相桥式逆变电路原理分析 原理图如图3 三相桥式逆变电路可以看作由是三个单相桥式逆变电路组成。以u相输出为例说明： U相控制中，spwm控制信号C1、C2互补，IGBTV1，V4在控制时间内轮流导通，输出幅度为ud/2，宽度与相应C1、C2相同的spwm波。 V相、w相与u相的控制相同。令C1,C3，C5之间的相位差为120 ，则得到相差为120 的u、v、w三相输出波。 为保证v1、v3、v5能及时控制信号变化，相应的IGBT的栅极和发射极之间的压差必须随时保持在临界导通电压。由于发射极电压随着IGBT通断不断变化，因此G、E之间的需有跟随E极电压编剧啊的供电机制，使g、e极压差保持一定。三相还需要相互独立的G、E极供电机制，以免三相输出相互干扰。 为防止上下桥同时使直流端电源短路。控制应采用先断后通的办法，在关断信号与开通信号间流出一段死区时间。二、方案的实现及模块电路1.系统框图Y形负载三相逆变电路直流电源三相逆变电路直流电源2.变频电源方案实现（1） 器件的选择控制器的选择故在设计中选择15f2k60s2控制，它是增强型8051内核，内部集成有三路PWM输出,非常适合题目需要。（2） 控制器件的主要元器件选择选用驱动电路芯片IR2104半桥驱动器作为驱动模块，3个IR2104互补输出6路SPWM波,用来控制开关管的导通.利用分立元件，采用六个IGBT作为开关器件，在连接3个IR2104做成的驱动电路。3.模块电路逆变模块一：逆变模块二：负载模块/3、 测试仪器与测试方法1. 测量仪器：示波器：RIGOL DS 5062CASHUZI数字示波器；万用表：胜利VC97数字万用表谐波电流分析仪2. 测试方法在输出端分别接入三个功率电阻（Y接）负载输入。在所有电源和控制信号连接无误时，可以进行调试。用万用表测量所需的各个节点的电压与电流。3. 测量数据及数据分析单相时的电压波形 (双通道示波器)三相时的电压波形 (四通道示波器)测试结果显示三相电压相差120度,频率49.9-50.0hz,基本满足题目要求（1） 测试输出电压电流测量工具：胜利vc97数字万用表a开关s闭合后，仅用逆变器1给负载供电时，测量输出端电压电流。调整直电源使电流为2A,并且使调整负载电阻输出电压24V。b用谐波电流分析仪测试的THD结果为2.59% C.电流及电压测量用电流表测试逆变器1的输入电压及电流和输出电压及输出电流，计算及效率。输入电压47.6V输出电压23.95V输入电流1.98A输出电流2A效率=(1.71*23.95*2)/(47.6*1.98)*100%=88.03%满足题目要求d通过改变直流输入电流，使电流输出0-2A,在I=0A时，测量输出端线电压uo1。在I=2A时，测量输出电压uo2.计算线电流0线电流2A输出电压UO123.98输出电压UO223.95计算得=0.13%结论： 此习题难度太大，尤其是程序部分细节套多，采样部分对编程不熟悉的同学难度太大，三相逆变引入电力工程方面课题，可供同学门的选择面较窄。本系统正在设计的电路方案图下完成了电路的焊接，测试各个部分准确无误，电路系统没有任何问题。本系统达到了基本要求以及发挥部分1,3,4的指标，整个系统运行稳定，甚至能在三相电流达到3A的情况下长时间工作。 还有一个比较大的问题是没有达到发挥部分的要求，这时由于对电工方面的试题接触不成熟，专业背景知识想查太多，这对以后设计提供了宝贵经验。同时通过对本次对程序的编译，极大提高了我们设计程序的水平，对我们学习具有十分重大的帮助。参考文献:(1) STC单片机原理及应用(2) 开关电源设计(3) 模拟电子技术基础(4) 电力电子设计附录一:附录二:电路程序*晶振：24MHz*/#include #include /*use _nop_() function*/#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ADC_FLAG 0X10#define CCP_S0 0x10 /P_SW1.4#define CCP_S1 0x20 /P_SW1.5uchar code pwm=127,124,122,119,116,114,111,108,106,103,100,98,95,93,90,87,85,82,80,77,75,73,70,68,65,63,61,58,56,54,52,50,47,45,43,41,39,37,36,34,32,30,28,27,25,23,22,20,19,18,16,15,14,12,11,10,9,8,7,6,5,4,4,3,2,2,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,2,2,3,4,4,5,4,7,8,9,10,11,12,14,15,16,18,19,20,22,23,25,27,28,30,32,34,36,37,39,41,43,45,47,50,52,54,56,58,61,63,65,68,70,73,75,77,80,82,85,87,90,93,95,98,100,103,106,108,111,114,116,119,122,124,127,130,132,135,138,140,143,146,148,151,154,156,159,161,164,167,169,172,174,177,179,181,184,186,189,191,193,196,198,200,202,204,207,209,211,213,215,217,218,220,222,224,226,227,229,231,232,234,235,236,238,239,240,242,243,244,245,246,247,248,249,250,250,251,252,252,253,253,254,254,254,255,255,255,255,255,255,255,255,255,254,254,254,253,253,252,252,251,250,250,249,248,247,246,245,244,243,242,240,239,238,236,235,234,232,231,229,227,226,224,222,220,218,217,215,213,211,209,207,204,202,200,198,196,193,191,189,186,184,181,179,177,174,172,169,167,164,161,159,156,154,151,148,146,143,140,138,135,132,130,127; / 反正弦变化 /*端口功能设定*/sbit SD_A =P32; /A相位的使能端口sbit SD_B =P33; /B相位的使能端口sbit SD_C =P34; /C相位的使能端口sbit JDQ=P20; /模块2并网的继电器。需要并网的时候打开。sbit SD_2A=P23; /模块2的A相位的使能端口sbit SD_2B=P25; /模块2的B相位的使能端口sbit SD_2C=P27; /模块2的C相位的使能端口sbit LED1=P01; /LED指示模块1工作sbit LED2=P02; /LED指示模块2工作uchar PWM_temp_A=254;uchar PWM_temp_B=254;uchar PWM_temp_C=254;uchar Program_step=0;/程序步uint index_1=0;/A相位查表数值uint index_2=100;/B相位查表数值uint index_3=200;/C相位查表数值bit lock=1; /PWM输出锁定bit ADC_ready=0; /ADC完毕bit K;void delay();void Key_1_();void Key_2_();void Key_3_();/*函数说明： 延时程序*/void delay(uchar t)uint j;uchar i;for(i=0;it;i+)for(j=0;j0;i-) for(v=168;v0;v-) for(k=22;k0;k-);/*函数说明：按键延时防抖动*/void key_scan()if(P00=0)delay(100);if(P00=0)Program_step+;if(Program_step3)Program_step=0;delay(250);/*函数说明： 主函数sbit SD_A =P32; /A相位的使能端口sbit SD_B =P33; /B相位的使能端口sbit SD_C =P34; /C相位的使能端口sbit SD_2A=P23; /模块2的A相位的使能端口sbit SD_2B=P25; /模块2的B相位的使能端口sbit SD_2C=P27; /模块2的C相位的使能端口*/void main(void)SD_A = SD_B = SD_C = 0;SD_2A=SD_2B=SD_2C=0;P3M0=0xFC;P3M1=0x00;P2M0=0x01;/设置端口强推挽，P20口驱动继电器，有下拉电阻，需要IO设置强推挽模式。P2M1=0x00;init_pwm();InitTimer0();EA=1;/开总中断while(1)/主循环switch(Program_step)case 0:SD_A = SD_B = SD_C = 0;/模块1的2104使能关闭SD_2A=SD_2B=SD_2C=0;/模块2的2104使能关闭LED1=LED2=0; /LED1灭，指示模块1关闭/LED2灭，指示模块2关闭JDQ=0;/继电器