三相SPWM逆變電源的設(shè)計與實現(xiàn)

盧莉蓉，周晉陽，牛曉東

(1.長治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長治 046000；2.長治醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，山西 長治 046000)

0 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，許多設(shè)備的電源都不采用電網(wǎng)所提供的交流電，而是將電網(wǎng)所提供的交流電進(jìn)行變換得到所需要的電能形式[1]。這里的變換主要是通過整流電路與逆變電路對原始電源進(jìn)行變換。逆變電路是其中的重中之重。

逆變電源是一種采用開關(guān)方式的電能變換器，其輸入為交流電或者直流電，通過開關(guān)控制轉(zhuǎn)換成具有穩(wěn)定電壓和頻率的交流電輸出[2]。SPWM(sinusoidal pulse width modulation，簡稱SPWM)控制技術(shù)又被稱為正弦脈寬調(diào)制控制技術(shù)[3]，它的原理是假如有一系列的脈沖想要變成正弦波，那么就可以通過等效法對脈沖的寬度進(jìn)行改變來等效著獲得正弦波，波形包含形狀和幅值，由于該控制技術(shù)可以使逆變器輸出的電壓或者電流更接近正弦波形，故其在逆變器控制技術(shù)中得到了最為廣泛的應(yīng)用[4]。

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種三相SPWM逆變電源。該設(shè)計具有輸出穩(wěn)定性好，效率高，負(fù)載調(diào)整率低等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)由逆變電路、濾波電路、IR2104半橋驅(qū)動電路、單片機控制部分、按鍵設(shè)置等組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)首先由直流電源輸入電壓，經(jīng)過濾波器濾波，然后將輸出信號輸入到由STC15F2K60S2單片機控制的三相全橋逆變電路，信號再經(jīng)LC低通濾波器濾波，最后在負(fù)載上得到穩(wěn)定的正弦波交流電。此單片機通過自然數(shù)查表法控制內(nèi)部的3路硬件PWM模塊生成SPWM脈沖信號，采用雙極性調(diào)制方案驅(qū)動三相全橋逆變電路。

2 系統(tǒng)主要模塊的選擇與設(shè)計

2.1 逆變電路的選擇與設(shè)計

逆變電路的主要功能就是將直流電變成交流電供給負(fù)載。按照電路結(jié)構(gòu)特點又可將逆變器分為半橋式逆變電路與全橋式逆變電路。半橋式逆變電路使用開關(guān)器件少，電路實現(xiàn)簡單，但其只適用于小功率逆變器。全橋式逆變電路使用的開關(guān)器件多，驅(qū)動較復(fù)雜，但其電壓不高，輸出功率大，適用于大功率的逆變器。

PWM控制技術(shù)(脈寬調(diào)制技術(shù))在電力電子技術(shù)中擁有舉足輕重的地位，被普遍采用于各式各樣的逆變電路。這種逆變電路既有電流型又有電壓型而后者被用到的更多。

綜上所述，本設(shè)計的逆變電路部分采用PWM控制的電壓型三相全橋逆變電路，如圖2所示。

2.2 驅(qū)動電路的選擇與設(shè)計

本系統(tǒng)選擇半橋式驅(qū)動電路，如圖3所示。IR2104作為驅(qū)動芯片，該芯片的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單性能可靠并且能提升電路的穩(wěn)定性且降低了設(shè)計難度。

圖2 電壓型三相全橋逆變電路

圖3 半橋式驅(qū)動電路

2.3 單片機的選擇

本系統(tǒng)選擇STC系列單片機中的STC15F2K60S2引腳圖如圖4所示。其內(nèi)部自帶高精度內(nèi)部振蕩器，它還擁有38個I/O口；該單片機內(nèi)置復(fù)位電路，有8路10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換；每個I/O能設(shè)置成輸入輸出模式，并且具有3路PWM輸出，通過軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)多功能的電機控制，性價比高，抗靜電，抗干擾，低功耗，低成本。

圖4 STC15F2K60S2引腳圖

3 電路與程序設(shè)計

3.1 主電路圖

本設(shè)計的主要模塊逆變器模塊電路圖如圖5所示。

3.2 程序的設(shè)計

程序的流程圖如圖6所示。

圖5 逆變器模塊電路圖

圖6 程序流程圖

4 測量方案與測量結(jié)果

4.1 測試方案

4.1.1 硬件測試

利用YB3303數(shù)字直流電源、LDS21010示波器、數(shù)字萬用表、8788電參數(shù)分析儀對電路進(jìn)行測試。

4.1.2 軟件仿真測試

通過Proteus仿真軟件對電路進(jìn)行仿真測試。

4.2 測試條件與儀器

測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。

測試儀器：LDS21010示波器、數(shù)字萬用表、8788電參數(shù)分析儀。

4.3 測試結(jié)果

1) 當(dāng)接通電路后，逆變器可以對負(fù)載提供三相對稱交流電。其波形為正弦波。

2) 當(dāng)負(fù)載線電流有效值IO為2 A時，測量5次可看到線電壓有效值UO為24 V±0.1 V，頻率fO為50 Hz±0.1 Hz。

3) 當(dāng)負(fù)載線電流有效值IO為2 A時，利用8788電參數(shù)分析儀可直接測得交流母線電壓總諧波畸變率(THD)為1.2%。

5) 逆變器給負(fù)載供電，經(jīng)測量，當(dāng)負(fù)載線電流有效值IO=0 A時，UO1=24.03 V ，當(dāng)負(fù)載線電流有效值IO=2 A時，UO2=23.96 V。則負(fù)載調(diào)整率：

5 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種三相SPWM逆變電源。首先由直流電源輸入電壓，經(jīng)過濾波器濾波，然后將輸出信號輸入到由STC15F2K60S2單片機控制的三相全橋逆變電路，信號再經(jīng)LC低通濾波器濾波，最

后在負(fù)載上得到穩(wěn)定的正弦波交流電。通過調(diào)試與測量，本設(shè)計具有輸出穩(wěn)定性好，效率高，負(fù)載調(diào)整率低等優(yōu)點。

[1] 謝芳.基于DSP的逆變電源研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2006.

[2] 康杰.單向大功率逆變電源的設(shè)計與研究[D].重慶：西南大學(xué),2016.

[3] 王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].第5版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[4] 錢照明,張軍明,盛況.電力電子器件及其應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].變頻器世界,2014,34(6):34-37.