微电网模拟系统

西华师范大学电子信息工程学院 黄福香 陈元莉

微电网模拟系统

西华师范大学电子信息工程学院 黄福香 陈元莉

本系统是一种采用STC15F2K60S2单片机为核心的SPWM逆变电源，由单片机内部的3路硬件PWM模块生成3路SPWM脉冲信号，具体采用的是自然数查表的控制方法，而这里驱动三相全桥逆变电路采用的是双极性调制方案，将输出经过LC滤波器滤波后在负载上得到稳定的三相对称正弦波交流电。其正弦波输出频率由单片机内部程序控制调节。

SPWM；双极性调制；三相逆变；STC单片机

逆变电源的发展与电力电子器件的发展密切相关，上世纪60年代逆变电源就已经产生了，迄今为止，逆变电源经过了三代的发展，逆变技术不断被更新和完善，其运用也越来越广泛。本设计采用了SPWM控制方式对逆变桥进行调制，通过软件控制位移，最后经电容、电感过滤得到理想的三相对称的正弦波，具有结构简单和容易实现的优点。

1.系统设计原理

1.1 逆变器的基本概念与工作原理

图1 逆变器的基本工作原理

如图1所示，首先采用电容进行滤波,滤波器的作用是将波动的直流量过滤成平稳的直流量。逆变器采用三相桥式逆变电路,用单片机输出SPWM波来控制调节输出电压频率的大小，逆变器的作用就是把直流信号转化为交流信号。经过逆变器后还不能得到理想的正弦波，所以还需要经过滤波器滤除交流输出信号的高次谐波后得到正弦波才能供给负载。

图2 双极性调制等效正弦波的SPWM波图

1.2 PWM控制技术

PWM控制技术也就是脉宽调制技术，其原理是假如有一系列的脉冲想要变成需要的波形，那么就可以通过面积等效法对脉冲的宽度进行改变来获得需要的波形，波形包含形状和幅值，这种控制的想法来源于通信技术。

PWM控制技术的理论基础就是面积等效法，而面积等效法的核心思想就是把一系列具有相同冲量但是形状不一的窄脉冲施加在一个具有惯性的环节上，那么它们的效果就基本上是一样的，本文采用的等效方式是双极性调制，如图2所示。

2.硬件设计

2.1 总体原理图

本系统主要采用单片机及外围电路、IR2104驱动电路、三相全桥逆变电路、LC滤波器等组成，具体系统结构如图3所示。

图3 系统结构框图

2.2 三相逆变电路

三相逆变电路具体组成如图4所示，在逆变的部分用了6个IRF3205MOS管组成一个三相桥式逆变电路，输出的三路SPWM波形通过LC滤波器来滤除高次谐波，最后在负载就能获得三相的纯正弦波交流电压输出。从理论上来讲是Q值越大越好，但是实际上需要考虑电路结构和成本，这里所采用的电感和电容值的实际大小如图4所示。

图4 三相逆变电路

图5 IR2104驱动电路

2.3 驱动电路

本全桥驱动电路采用IR2104作为它的驱动芯片，该芯片可以自行控制死区，降低了软件设计难度。同时此电路还具有结构简单、性能可靠、并且能够提升电路的稳定性等优点。

3.软件设计

3.1 SPWM波形表

每个脉冲的宽度和他们之间的间隔是根据正弦波的一系列数据进行精确计算而得出来的，否则不能正常控制开关器件的通断得到想要的波形。本设计将一个正弦波按照相同的相位平均分成300等分然后计算余弦数值得到300个数据，再把这些数据做成程序列表，由单片机的ROM来储存，用于后续查表。

图6 程序流程图

3.2 系统主程序流程

在定时器中断程序中，通过查表的方式来得到想要的SPWM波形。具体而言，是先设定好50HZ输出正弦波输出频率，本设计中一个正弦波分辨率为300，它们对应的是正弦波中的SPWM波的占空比。每一个占空比需要保持的时间必须通过计算求得，为（1/50/300）66.666us。则定时器就设置为每66.666us进入一次中断，由此计算出定时器的初值。每次中断就将此时对应的数组里面的数据赋给硬件PWM，同时把SPWM控制信号输入IR2104芯片，如果中断次数达到299，则数组又回到第一个，如此循环下去，这里三路都需要分别如此执行（只是起始数值不一样，也就是0，100，200）。这样就得到3个完整的、相移为120°的SPWM波形，程序流程图如图6所示。

4.结论

测试时负载采用星（Y）形连接然后用示波器观察三相输出的波形。通过测试结果可以看出，该逆变器可以输出三相对称的50HZ的正弦波电流，其相电压可调，有效值为24V时，误差小于0.1V。该系统具有过流保护功能，可以在输出大于2A电流的情况下切断交流输出，大大增加了系统的安全性和稳定性。同时，并网也可以增加电路的可靠性，并网时需加保护继电器保护电路。系统软件采用模块化设计，为二次开发提供了非常便利的条件。

[1]宋淑苹．基于SPWM技术的独立逆变电源设计[D]．保定：河北大学,2011．

[2]童诗白,华成英．模拟电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社,2006,5．

[3]洪峰．双降压式半桥逆变器及输出并联型组合变换器研究[D]．南京：航空航天大学,2008．

[4]许翏,王淑英．电气控制与PLC控制技术[M]．北京：机械工业出版社,2005．

黄福香（1995—），女，四川中江人，大学本科，主要从事电子技术和计算机应用方面的研究。

陈元莉（1966—），女，四川南部人，硕士研究生，副教授，主要从事电子技术和计算机应用方面的研究。