基于单片机控制新型逆变稳压电源.doc

基于单片机控制新型逆变稳压电源电力电子技术是利用半导体功率电力电子器件、电力电子技术和控制技术，对电气负载进行功率变换。电力电子技术对工业发展产生了巨大的推动作用，被各国专家称为继计算机之后的第二次电子革命。电源是电力电子技术的主战场，随着新的电子元器件，变换技术和控制技术的出现与应用，逆变技术得到了很大的应用。电力电子技术经历了若干阶段，由可控硅整流式到发展逆变式，使电源技术得到了很大的应用。一、可灵活调节输出电压或电流幅值和频率来控制回路，根据单片机设定程序来调节幅值和频率，从而改善负载功率需求。二可将蓄电池的直流电转换为交流电或其他直流电，三、变压采用变压器，体积和重量占有很大比重。当采用电力电子技术时，则改善了器件的体积和重量问题。四、采用逆变技术电源具有高效节能性，如下情况：1）在应用交流电动机的场合，电动机负载变化，以往的调节方式是调节电动机的通电时间所占的比重，这样交流电动机就会出现制动、起动间断变换。这样起动、制动消耗能量会变得很大。但是如果使用变频电源来调节电动机所需的电源类型，则可节约传统电源很大的一部分能量。二）采用逆变电源，是传统的所谓变压器形式的体积和重量大大减小。变压器本身的损耗包括原、副边铜耗和铁心损耗，使铜耗和铁耗大大减小。因此，采用逆变技术大大提高变压器的工作频率，是节能效率变得更高。三）传统的变压器效率不高，功率因数在较低，电流谐波成分和相移角较大。在逆变电源中，可使用功率因数校正技术，则提高功率因数，提高节能效果。五、动态响应，控制效果好，变频器的工作频率高，则大大改善电气性能指标。六、由于逆变器工作频率高，增加了系统的可靠性。 电力系统仿真工具的应用和意义为了提高设计逆变电源的效率，首先提出理论算法，对其进行仿真以验证该理论是否可行，观察是否能够达到预期的效果。如果仿真可行，在进行硬件实验。可以大大提高实验的成功率。计算机仿真技术为现代工业产品设计带来了很大的帮助，其作用有：减轻重复性劳动和劳动强度，用仿真的技术来提高实验实现的成功率。提高分析速度，用理论的探究更容易排查系统的可行性和各种问题所在。设计实物前先做仿真，进行充分可行性论证后再订购硬件，可以节省资金缩短开发周期，提高产品质量。通过仿真，进行细致的考察，故障检验，大大减小元器件的损坏程度。减小初投资，在做实物前，通过仿真来提高实物实验的成功率。本课题完成的主要任务了解并掌握电力电子器件的工作原理和应用，应用电源逆变技术来实现微机控制的逆变稳压电源。用仿真软件可以先试探系统的可行性。基本工作原理绝缘栅双极性晶体管,等效结构具有晶体管模式。IGBT综合了MOS和GTR的优点，其导通电阻小，开关时间容量小。2.1.1 IGBT原理在N沟道MOSFET漏极N层上附加一层P层的四层结构。IGBT比VDMOSFET多一层P注入区，使IGBT导通时由P注入区向N基区发射少子，使得IGBT的阻抗变小，流通能力增强。2.IGBT工作原理N沟道IGBT在栅极-发射级加上正的开启电压，则会在栅极下方生成反型层，P沟道。该电子为晶体管的少数载流子，进行电导调制效应，可以降低级间的饱和电压。可能存在寄生晶体管工作。为了抑制其工作，尽量缩小放大系数来解决闭锁状态。应使电流放大系数保持在0.5以下导通：输入电压大于开启电压时，MOSFET形成导通沟道，IGBT导通。导通压降：电导调制效应使导通等效电阻变小，IGBT通态压降变小。2.1.2 IGBT的参数特性它反映了栅极-发射极级间电压和导通电流之间的关系。阈值电压越大，导通电流越大IGBT的参数特点（1） IGBT开关速度越快，则开关特性越好。开关时间就越短IGBT开通过程是从正向阻断到正向导通的状态。开通时间为从驱动电压的脉冲前沿上升至最大电压的10%所对应的时间起至集电极上升最大值90%所需要的时间。IGBT的关断过程为从正向导通状态到阻断的过程。关断时间toff定义为从驱动输入电压脉冲后沿下降到90%至集电极电流下降到10%所经过的时间。Toff分为关断延迟时间和电流下降时间两部分。IGBT的开关时间与集电极电流、栅极电阻以及温度参数有关。（2） IGBT的通态压降低。在同一状态条件下是VDMOS的1/10左右。（3） IGBT的集电极电流存在最大值。在IGBT的开启电压来控制输出电流；当输出电流大到一定范围时，IGBT的寄生三极管均处于饱和状态，栅极G的开启电压失去对输出电流的控制作用。称为擎住效应。（4） IGBT的2.2逆变技术的工作原理交流变成直流称作整流，完成整流功能的部分称为整流电路。把直流电变成交流电称为你逆变电路，把逆变装置称为逆变器。现在逆变技术是电力电子学的一门基础科学。现代工业装置很大一部分应用到了逆变技术。2.2.1逆变技术的分类逆变技术的分类如下：1、 逆变器输出的交流频率，可分为工频逆变、中频、高频逆变。2、 按逆变器输出的相数分为单相、三相逆变技术。3、 按输出能量分为有源、无源逆变。4、 按逆变电路形式分为单端、推挽、半桥、全桥。5、 按照开关器件的类型，有晶闸管，晶体管，场效应管，IGBT各类逆变。6、 按输出量的标准形式分类，可分为电压型和电流型两种逆变形式。2.2.2逆变电路的基本工作原理单相桥式逆变电路，桥式电路具有四个桥臂。均由电力电子器件构成。当开关S1,S4闭合，S2，S3闭合时，U0为正。反之为负。这样可以控制电力电子的开通与关断，把直流电变成交流电。改变两组开关的切换频率。就可以改变输出交流电的频率。当负载为电阻时，负载电流和负载电压的输出波形相同，相位（输出与输入同比例）也相同。当负载为阻感时，电流相位滞后于电压相位，两者波形不成线性比例。当t1时刻以前S1，S4导通，当t1时刻断开S1，S4，合上S2，S3时，则负载电压立即变为负电压，因为负载是阻感负载，所以负载的电流不能立即突变，仍然维持原来方向.这时负载的电流仍然维持原来方向，向电源反馈能量。则负载的流通电流逐渐减小，直至负载电流减小至零。此时间段的电压与电流反向，负载释放功率。2.2.3 电力器件的换流类型电流从负载的一个流通路径转为另一条流通路径，成为电力电子电路的换流。在换流控制的过程当中，有的电力电子器件从导通变为截止，有的器件从截至变为导通。要使桥臂从截止变为导通，则需要对器件施加适当的触发信号。但要使电力电子器件关断，全控型器件可以施加控制信号使其关断，而半控型器件可以对其外部采取一定措施来使其关断。电力电子器件的换流方式分为以下几种方式：（1）器件换流。全控型器件本身具有自关断能力，只要向控制信号施加负的脉冲电流，则器件关断，称为器件换流。（2）电网换流由电网提供换流电压称为电网换流，即由负的电压阻断电力电子器件的电流，使其自关断，称为电网换流。（3）负载换流由负载提供换流电压，凡是具有电容性质的负载，使电流超前于电压，可以实现负载换流。(2)(3)适用于半控型器件，为晶闸管换流方式。2.2.4单相电压型逆变电路逆变电路根据直流侧电源的性质分为电压型逆变和电流型逆变，电压型逆变具有以下特点：1、 直流侧为电压源，电压源性质基本无脉动，不随负载而变化称为电压型。2、 由于电压源具有幅值不变的性质，交流侧输出电压为矩形波，与负载无关，而交流侧输出电流波形与负载电压性质无关。3、 当交流负载为阻感负载时，需要提供无功能量。直流侧电容具有吸收无功能量的作用。为了使无功能量在交流侧和直流侧之间传递具有联通路径，负载桥臂均需并联反馈二极管。单相全桥电压型逆变电路：共有四个桥臂，桥臂1,4组合；桥臂2,3组合；成对的两个桥臂同时导通，两对交替导通角各为180度，2.3 SPWM控制技术SPWM技术为将一个正弦半波电压分成N等分，把正弦曲线的每一等分用一个等效面积的幅值脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦波中点相对应，具有等效面积原理，称为SPWM波形。正弦波的另外半波可以用相同的等效面积原理来获得；根据控制数学理论，脉冲频率越高，SPWM波形接近正弦波形。SPWM控制方式对逆变电路开关器件的不断控制，是输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的矩形脉冲，用这些波形来代替正弦波形。在实际操作中，常用正弦波与等腰三角波形相交来确定各脉冲的宽度。等腰三角波形上下宽度与高度呈线性关系且左右对称，当它与任何一个正弦光滑曲线相交时，得到一组等幅且波形宽度正比于该正弦宽度的矩形脉冲，称为正弦调制方法。2.3.2单极性和双极性SPWM控制方式电压型单相桥式PWM逆变电流载波信号UC在信号正半周为正极性的三角波，调制信号和载波在交点时刻控制逆变器IGBT通断。在Ur正半周期，T1保持导通，T4交替通断。当UrUc，使T4导通，负载电压U0=Ud;当Ur=Uc,使T4关断，由于电感负载中电流不能突变，负载电流将通过D3续流，负载电压第三章系统硬件设计31本次设计的目的是研制一种输入为市电三相380V，输出为220V，50HZ的交流稳压电源，输出功率为3KW的单相稳压电源。该系统的工作原理是三相电源380V经整流滤波变成直流电压，然后经SPWM全桥逆变，变成220V的SPWM电压，再经输出滤波变成220V，50HZ正弦交流稳压电源。另外，系统中CPU根据输出采样电压值来控制SPWM波形发生器输出SPWM波形参数。该系统CPU采用AT89C51，SPWM波形发生器。主电路采用高压整流模块和IGBT模块。本系统的控制核心器件是AT89C51AT89C51单片机芯片是有40个引脚，是用CMOS工艺制造的芯片，1、 主电源引脚Vcc和VssVcc:接+5V电压Vss:接地2、 外接晶振引脚XTAL1：接外部晶振的一个引脚，在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器信号，即把信号直接接到内部时钟发生器的输入端。XTAL2：片内反相放大器输出端。外接晶振时，XTAL2和XTAL1各接晶振的一端，接外接晶振与片内反相放大器构成振荡器。3.输入/输出引脚P0.0-P0.7：双向三态I/O口。在访问外部存储器时，分别输出低8位地址线和8位数据线。在对内部EPROM编程时，用于数据的输入和输出。P1.0-P1.7:8位双向I/O口。对EPROM编程时，用于接受8位地址。P2.0-P2.7：8位双向I/O口。在访问外部存储器时，输出高8位地址。在对内部EPROM编程时，由于接收高8位地址。P3.0-P3.7：8位双向I/O口。每个引脚都有各自AT89C51引脚的第二功能：P3.0为RXD（串行输入口）；P3.1为TXD（串行输出口）;P3.2为INT0(外部中断请求输入端0)；P3.3为INT1(外部中断请求输入端1)；P3.4为T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）；P3.5为T1