单相正弦波波逆变器的设计与实现开题报告.pdf

正弦波逆变电源正弦波逆变电源设设计计 一 课题的来源 目的意义 包括应用前景 国内外现状及水平 本课题来源于邵阳学院电气自动化研究所实验室 现如今各种化石能源逐年减少 人类必须找寻新的替代能源 太阳能作为一种可 再生清洁能源得带了人们的青睐 太阳能光伏并网发电已经成为新能源开发利用的领 域的一个重要方向 而光伏并网的主要技术在于逆变器的设计 本课题围绕DC AC 变换和对其调频调幅的设计 适用不同的并网发电 传统的DC AC变换采用的是 分立元件进行模拟控制 只要求输出50HZ的正弦波 这样的设计可靠性比较低 功能比较简单 处理能力比较差 一般不采用 本课题结合电力电子在逆变中的设计 应用 采用集成度高的控制单元 驱动单元以及主电路和LC滤波电路于一体的设计 此电路具有较好的调频 调幅功能 能很好的满足工业的要求 此外该电路利用单片 机对其进行采集 实时监控 具有较高的可靠性 逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代 逆变电源的发展是 和电力电子器件的发展联系在一起的 器件的发展带动着逆变电源的发展 最初的逆 变电源采用晶闸管 SCR 作为逆变器的开关器件 称为可控硅逆变电源 由于SCR 是一种没有自关断能力的器件 因此必须通过增加换流电路来强迫关断SCR SCR 的换流电路限制了逆变电源的进一步发展 随着半导体制造技术和变流技术的发展 自关断的电力电子器件脱颖而出 相继出现了电力晶体管 GTR 可关断晶闸管 GTO 功率场效应晶体管 MOSFET 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 等等 自关断 器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能 从而逆变桥输出电压中低次谐波 的频率比较高 使输出滤波器的尺寸得以减小 而且对非线性负载的适应性得以提高 最初 对于采用全控型器件的逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值 反馈的 PWM 控制技术 其输出电压的稳定是通过输出电压有效值或平均值反馈控制的 方法实现的 随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对逆变器控制性能要求的提 高 逆变电源也得到了深入的发展 目前 逆变电源的发展趋势主要集中在高频化 高性能化 并联及模块化 小型化 高输入功率因数化 数字化智能化 目前市面上 的逆变器主要是SANTAKUPS NB系列和三科系列 主要利用12V 24V 等逆 变 并通过变压器控制相应的交流电源 二 课题研究的主要内容 研究方法或工程技术方案和准备采取的措施 本课题主要设计单相正弦波逆变电路设计 其主要内容包括 1 了解单相正弦波逆变电源在工业领域的应用情况 熟悉电压型逆变器的特点及 工作原理和控制方式 采用逆变技术的目的是为了获取不同稳定或变化形式的交流正 弦波 在目前的逆变技术中主要用于不间断电源系统 交流电动机变频调速 太阳能 风力发电 车载逆变电源 电子镇流器等 对于电压型逆变器 直流侧为电压源 或并联大电容器 相当于电压源 直流侧电压基本无脉动 直流回路呈现低阻抗 由于直流电压源的钳位作用 交流侧输出电压波形为矩形波 并且与负载阻抗无 关 当交流侧为阻感性负载时需要提供无功功率 直流侧电容起缓冲无功能量的 作用 对于本课题采用的是单相全桥逆变电路 把桥臂1和4作为一对 桥臂2和 3作为另一对 成对的两个桥臂同时导通 两对交替各导通180 对于控制采用的 是SPWM控制 2 设计逆变电源的主电路 驱动电路和控制电路 给出各部分电路的详细设计过 程 本设计主电路采用四个IRFP460组成的单相全桥逆变电路 驱动电路采用的是 具有独立的低端和高端输入通道 悬浮电源采用自举电路的并带有自带隔离的 IR2110 控制电路采用ILC8038产生正弦波和三角波通过LM339比较形成的 SPWM 3 设计单片机监测电路 监测电源运行参数 并给出利用单片机设计监测电路的 电路原理图 程序流程和程序源代码 硬件设计包括自带A D转换STC单片机最 小系统及外围电路 采集电路电压 电流互感器以及电源电路设计和显示电路的设计 4 正弦波逆变电源输出波形无畸变 且能实现调频和调幅功能 利用LC滤波装 置把高频滤掉 留下适合的低频频率 通过调节 SPWM 中调制波的幅值和载波的频 率来调节输出信号的幅值和频率 5 提供实物装置和完整的电子版论文 并完成实验 给出实验结果 本课题主要采用实验的研究方法 为了实现设计目标 完成毕业设计任务 拟采 取以下措施 1 阅读相关文献和书籍 了解国内外的发展现状 熟悉逆变电路相关概念以及逆 变组成和功能 2 了解各项基本原理后画出系统框图 进行方案论证 完成整体方案设计 搭建 好实验平台 3 熟悉伟福 keil开发环境 熟悉在proteus软件中利用元件建立仿真模型 进 行仿真并得到详细的仿真结果 4 整理资料 撰写毕业论文 论文要求符合邵阳学院本科毕业设计要求 三 现有基础和具备的条件 1 本课题已经基本具备了人力 物力和实验条件 此次设计的一些相关技术也 已相当成熟 指导老师唐博士在这方面有着较强的理论基础和工程设计经验 为课题 的顺利开展提供了指导方向上的保障 本人在大学期间系统地学习了 单片机原理及 其应用 电力电子技术 数字信号处理 等专业课程 并基本学会了visio protues 等制图工具 也在校图书馆和校外图书城广泛地查阅了大量的资料文献 基本上掌握 了课题的设计思路和设计流程 为课题的实施提供了前期准备 2 本课题主要设计单相逆变电路的设计 现已具有的实验场地为 邵阳学院电 力系统综合实验室 邵阳学院创新实验室 实验仪器有功率 MOSFET MOSFET 驱动模块 单片机开发系统 数字示波器 各类互感器等 为项目课题的实施提供了 前期的实验条件 3 参考资料 1 王兆安 电力电子技术 M 机械工业出版社 2009 年第五版 97 184 2 刘湘涛 单片机原理及其应用 M 电子工业出版社 2005 年第一版 158 160 3 冯玉生 电力电子变流装置典型应用实例 M 机械工业出版社 2008 年第一 版 88 129 4 祝常红 数据采集与处理技术 M 电子工业出版社 2008 第二版 32 36 5 唐杰 串联谐振式 DBD 型臭氧发生器电源的研究与开发 D 湖南 湖南大学 2004 72 74 6 杨凤彪 RC 缓冲电路的优化设计 J 电气开关 2008 7 余运江 单相光伏并网逆变器的研究 D 浙江 浙江大学 2008 1 30 8 魏伟 正弦波逆变电源的研究现状和发展趋势 J 电气技术 2008 9 周志敏 逆变电源实用技术 设计与应用 M 北京电力出版社 2005 年第二 版 20 40 10 谢力华 苏彦民 正弦波逆变电源的数字控制技术 J 电力电子技术 2001 11 陈威 基于数字控制的正弦波逆变电源的研究 D 江苏 南京理工大学 2009 10 40 12 殷浩 数字信号处理器芯片新发展 J 电子工程 2000 31 32 13 刘宗田等译 C 编程思想 第 2 版 M 机械工业出版社 2002 10 50 14 戴佳 51 单片机 C 语言应用程序设计实例精讲 M 电子工业出版 社 2006 11 60 四 总的工作任务 进度安排以及预期结果 工作任务 1 完成逆变电源的主电路 驱动电路和控制电路设计 根据逆变电路的技术指 标及功能设计逆变电路的整体方案 给出设计的整体方案图 并详细分析逆变电路各 个组成部分的工作原理如主电路采用四个IRFP460组成的单相全桥逆变电路 驱动 电路采用IR2110 控制电路采用SPWM 2 完成单片机最小系统及其外围电路设计 本设计选择STC单片机作为处理器 芯片 因此只要完成单片机外部加上电源 复位电路和晶振电路即构成最小系统 对 于外围电路主要还包括液晶显示 3 数据采集部分设计 主要包括主电路的信号采集 A D转换电路设计 由于 STC单片机自带A D 故可以不设计 对于信号采集采用高精度的电压互感器和电 流互感器并通过AD637把交流电变成直流电通过单片机的采集使其在液晶上显示 4 电源电路设计 电源是逆变系统必不可少的组成部分 一个良好的电源对于 系统的正常工作至关重要 其设计的性能优劣直接关系到系统的技术指标和能否安全 可靠的工作 本论文采用设计开关稳压电源 可以减少系统的体积和降低功耗 5 LC电路设计 本设计选用的电感是高频电感 对于电容采用非极性的 CBB 电容 通过计算 实验确定电感电容参数 6 完成实验验证 主要是完成电压 电流采集实验和模拟控制实验 设计进度安排 利用三周时间查找与课题相关的资料 阅读文献 熟悉本课题的设计要求 利用四周时间熟悉单片机 并了解MOSFET和MOSFET驱动器的工作原理 利用一周时间熟悉单相电压型逆变器的工作原理 利用三周时间完成主电路 驱动电路和保护电路设计 参数计算及实验 利用三周时间整理 撰写毕业论文 利用一周时间准备