一種連續(xù)可調(diào)正弦波逆變電源研究

西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 馬 昭 張建軍 趙 雷

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一種連續(xù)可調(diào)正弦波逆變電源研究

西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 馬 昭 張建軍 趙 雷

【摘要】本文針對(duì)逆變電源體積、重量和設(shè)計(jì)成本等多方面的不足，設(shè)計(jì)了一款高效率的100VAC-400VAC連續(xù)可調(diào)正弦波逆變電源，系統(tǒng)采用STM32系列高速處理器，運(yùn)用SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)。試驗(yàn)及分析結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)高效可靠。

【關(guān)鍵詞】正弦波；逆變電源；SPWM

引言

傳統(tǒng)的逆變電源主要采用前級(jí)逆變輸出，后級(jí)通過工頻變壓器進(jìn)行隔離升壓輸出，這種方式特別是在大功率輸出時(shí)由于具有龐大的工頻變壓器，增加了設(shè)備體積、重量和設(shè)計(jì)成本，并且效率比較低。本文采用前級(jí)升壓和后級(jí)逆變兩個(gè)功率變換環(huán)節(jié)，大大減小了系統(tǒng)體積和重量，而且具有較高的轉(zhuǎn)換效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。220V交流電壓輸入，經(jīng)過全橋不可控整流，再通過高頻變壓器推挽升壓將電壓升到650V左右，再將脈沖方波整流為直流，最后采用SPWM[1]調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生單相正弦波。STM32完成輸入電壓采樣，輸出電壓電流采樣，系統(tǒng)具有欠壓、過壓、短路保護(hù)功能。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 推挽升壓電路設(shè)計(jì)

前級(jí)推挽電路[2]采用EE42臥式變壓器，MOSFET采用東芝2SK3878，變壓器具有RCD吸收電路，降低變壓器漏感產(chǎn)生尖峰，保護(hù)功率MOSFET不至損壞。另外，從直流電壓經(jīng)過電阻分壓取樣，通過光耦TLP521隔離將信號(hào)送給STM32微控制器的AD輸入引腳，當(dāng)輸入電壓過壓或者欠壓時(shí)，STM32微控制器禁止輸出PWM信號(hào)，從而保護(hù)系統(tǒng)。

2.2 逆變電路設(shè)計(jì)

逆變電路應(yīng)用全橋逆變[3]，采用SPWM單極性調(diào)制方式，MOSFET也選用2SK3878，直流母線側(cè)并聯(lián)高壓電容0.1uF/1000V，用于濾除開關(guān)管產(chǎn)生的高頻干擾。

2.3 濾波電路設(shè)計(jì)

濾波采用LC濾波，由于測(cè)試電壓要求產(chǎn)生50HZ工頻正弦波，為保證輸出電壓波形失真小，SPWM載波頻率為20KHZ，選用截止頻率5KHZ，最終確定LC濾波器參數(shù)L=2mH,C=5uF。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)微控制器選用意法半導(dǎo)體STM32系列STM32F103ZET6高速處理器，具有72MHZ工作頻率，12位高精度AD片內(nèi)外設(shè)，可滿足系統(tǒng)精度要求。

軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化程序，軟啟動(dòng)程序、輸入電壓采樣、輸出電壓電流采樣、前級(jí)推挽PWM信號(hào)、后級(jí)逆變SPWM信號(hào)、PI調(diào)節(jié)子程序、觸摸屏顯示程序。微控制器上電后先執(zhí)行初始化程序，再執(zhí)行軟啟動(dòng)程序，檢測(cè)輸入電壓是否在180VAC-250VAC之間，沒有短路情況下，在觸摸屏設(shè)置輸出正弦波有效值，隨后產(chǎn)生前級(jí)PWM信號(hào)和后級(jí)SPWM信號(hào)，當(dāng)有異常發(fā)生時(shí)，微控制器禁止所有PWM輸出。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

正弦波輸出波形如圖2所示。

在圖2中，(a)圖為正弦波逆變輸出205VAC、50HZ交流；(b)圖為正弦波逆變輸出257VAC、50HZ交流。圖中可見，輸出波形良好。

圖2　正弦波輸出波形

5 總結(jié)

文中對(duì)連續(xù)可調(diào)逆變電源方案進(jìn)行了介紹，系統(tǒng)采用高速STM32微控制器實(shí)現(xiàn)了SPWM逆變輸出，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案可行，波形效果較好。

參考文獻(xiàn)

[1]劉成.基于PIC單片機(jī)的車載SPWM逆變電源設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.

[2]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[3]陳堅(jiān).電力電子學(xué)-電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2010.

馬昭（1990—），通信作者，男，碩士，主要研究方向：電力電子裝置，并網(wǎng)逆變技術(shù)研究。

張建軍（1957—），男，博士，副教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

作者簡(jiǎn)介：