电气工程及其自动化毕业论文-基于单片机控制的太阳能逆变电源设计.doc

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1、湖 北 民 族 学 院毕业论文（设计）毕业设计（论文）题目基于单片机控制的太阳能逆变电源设计学生姓名： 李山 学 号：042140630 系 别：信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 孙先波 评阅教师： 论文答辩日期 答辩委员会主席 摘 要全球正面临着严重的能源危机和环境压力，对可再生能源的开发利用得到了快速的发展。在新型的可再生能源中，太阳能是其中一支重要力量，已经成为人类重点开发利用的可再生能源之一。本课题的任务是设计一台基于单片机控制的太阳能逆变电源系统。要求其具有高效节能、成本低廉、性能出色的特点。本系统包含太阳能逆变系统和电池直流充电系统两大部分。为了实现逆变器简单

2、易于操控和成本低廉的设计要求，本文采用了“单向全桥逆变+高频升压+LC滤波”的设计策略。由于需要逆变器输出电压为正弦电压且输出电压谐波含量尽可能小，所以逆变控制方式采用的是SPWM控制技术。在充电器设计部分，本文将介绍太阳能电池的输出和蓄电池的充电，蓄电池组的充电采用的是两段式充电法。而后是直流升压电路和电路的检测和保护，保护电路主要是针对蓄电池的充放电和交流输出进行电路保护，为了使其具有智能化，我将采用单片机进行控制，最后将会用MATLAB进行仿真。经过对仿真数据和图像的分析，本设计达到了最初的设计要求，可以投入到实际的使用中去。关键词：逆变器，太阳能电池，数字化，正弦波调制IAbstrac

3、t The world is facing a serious energy crisis and environmental pressure on the development and utilization of renewable energy has been developed rapidly. In a new and renewable energy, solar energy is one of the important forces, has become one of the human focused on the development and utilizati

4、on of renewable energy. Our task is to design a system of photovoltaic inverter based on MCU control. It has high efficiency and energy saving, low cost and excellent performance characteristics. The system includes a solar inverter system and DC battery charging system of two parts.In the inverter

5、design part, this paper will use the design strategy of one-way full bridge inverter + high frequency boost +LC filter to realize inverter, low cost, simple circuit and easy to control.Due to the output voltage of the inverter for sinusoidal voltage and output voltage harmonic content is as small as

6、 possible, so the inverter control method is SPWM control technology.In part this paper will introduce the design of the charger, and battery charging output of solar battery, charging battery is used in two stepcharging method.Then, the DC boost circuit and protection circuit detection and protecti

7、on circuit, protection circuit for battery charge discharge and AC output, making it more clever, I will use the MCU control, and through MATLAB simulation.Through the analysis of simulation data and images, the design reached the initial design requirements, can be put into actual use.Keywords：Inve

8、rter，Solar cell，Digitization，SPWMII目 录摘 要.IABSTRACT.II1绪言1.1太阳能利用的背景和现状.31.2太阳能光伏发电系统.31.3太阳能逆变电源的发展与现状.51.4电力电子技术的发展与现状.61.5本文的主要工作任务和设计要求.62太阳能直流充电系统2.1太阳能电池及其工作特性.72.2太阳能电池的电流电压特性.82.3太阳能蓄电池充放电特性和理论.92.4太阳能充电系统设计.102.4.1直流升压.112.4.2蓄电池的充电控制.133逆变系统3.1逆变电路的选择.163.2单相全桥逆变电路的工作原理.173.3逆变电路的设计.193.3.

9、1滤波电路的设计.213.3.2逆变系统的控制方式.234电路的控制、检测和保护4.1控制电路.274.1.1AT89C51简介.274.1.2控制流程.274.1.3软件设计流程.274.1.4控制电路图.284.2驱动电路的设计.294.3保护电路的设计.294.3.1蓄电池的过压、欠压保护.294.3.2过流保护.314.3.3过载短路保护.325基于单片机控制的太阳能逆变电源仿真6总 结.357致 谢.36参考文献.37附 录.391 绪言 由于全球工业化进程的迅猛发展和人口的飞速增长，全世界对于能源的需求急剧增加，而目前石油、煤炭、天然气这三大化石能源却日渐枯竭，全球已经面临着严重的

10、能源危机。中国的能源资源情况更是不容乐观，有统计数据称，中国的各项一次能源资源都要低于世界平均水平，因此中国的能源资源面临着更加严重的挑战，作为全球人口最多的国家，能源危机不仅仅影响了每个公民的生活，更加影响了我们国家的发展和制约了我们在世界的影响力。不仅如此，由于过度的能源开发，我们的环境已经受到了非常严重的破坏。现在，保护地球的生态环境也已经成为了全球关注的焦点。清洁能源革命已经悄然在在世界各国发起。1.1 太阳能利用的背景和现状 为了满足人类拥有长期稳定的能源供应需求、拥有一个适宜人类生存的生态环境和实现人类的长期可持续发展，所有国家已经达成了共识，那就是大力开发和利用新型能源，逐步替代

11、传统能源的消耗。此项共识已经开始在全球许多国家迅速开展起来。可以预见，可再生能源必将会成为未来人类的主要能源来源。在可再生新型能源中，太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。太阳能是一种取之不竭、用之不尽且不会对生态环境造成危害的清洁能源。每一秒钟有大概80万千瓦的太阳能从太阳射到地球，这是一个十分惊人的数字，人类只需要把其中的一小部分转化成电能便可以维持我们对能源的需求。我国有76% 的国土面积光照充沛，光能资源分布均匀，资源优势十分明显，理论储量达每年17000亿吨标准煤。由于地处北半球，我国许多地区的年平均日辐射量在4千瓦时每平方米以上，我国疆域辽阔，太阳能储量十分丰富，这比其他邻国如

12、韩国、日本等都要有优势，在中国开发和利用太阳能拥有巨大的潜力。太阳能发电比之风电、水电和核电等新型能源来说拥有着技术安全可靠且成熟，而且简单环保等许多优点。十分具有发展前景。1.2 太阳能光伏发电系统 光伏发电是太阳能的三种转换利用方式（光热转换、光化学转换、光电转换）之一，也是其中利用最为广泛和普遍的方式。其原理是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接变化为电能，称为光伏发电。 光伏发电的历史起源于1839年法国科学家贝克雷尔（Becqurel）发现的“光生伏特效应”现象。这就是人类第一次接触和认识光伏效应。将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术诞生于1954年的美国，在那一年第一

13、片单晶硅太阳能电池由美国科学家恰宾和皮尔松在贝尔实验室研制成功。现在，太阳能光伏发电技术已经引起全球许多国家的高度重视，由于其拥有的巨大的发展前景和战略意义，太阳能光伏发电技术得到了各国的大力投入和发展，并针对其制定了长期的发展规划。至1980左右年开始，太阳能光伏发电技术产业保持着以每年百分之十到十五的速度高速发展。使得到1990年左右，太阳能光伏发电技术产业已然成为了全球增长速度最快的高新技术产业之一，而且至今也保持着相当快的增长速度。我国的太阳能光伏发电技术起步于20世纪50年代，我国的第一块自主研制的太阳能电池诞生于1958年，并于20世纪70年代开始用于太阳能光伏发电技术中。经过几十

14、年的发展，中国的太阳能光伏发电技术已经得到了长足的发展和进步。太阳能光伏发电已经在远离电网地区的电力建设中发挥了重要作用。目前中国太阳能光伏发电产业正面临着一个大的发展,市场需求量巨大。可以预计,太阳能光伏发电必将会成为中国能源供应的中坚力量。 目前，我们将光伏发电系统分为三大类：独立光伏发电系统、并网光伏发电系统、分布式光伏发电系统。其中以独立光伏发电系统和并网光伏发电系统为主要存在的光伏发电系统。 并网光伏发电系统相对于独立光伏发电系统更为优良，太阳能电池可以一直运行在最大功率点位置，并且光伏阵列所发出的全部电能都能由大电网来接收，由此提高了光伏发电的效率;最后，加强了供电的稳定性和可靠性

15、。并网光伏发电系统其系统结构包含太阳能光伏阵列、直流变换器、充放电控制器、蓄电池（也可以不带）、并网逆变器、主配电开关等器件。通过并网光伏发电系统产生的电流已经可以直接为交流负载进行供电，但其主要是通过接入国家电网然后进去千家万户和工厂进行供电。 并网光伏发电系统结构图如图1.1所示：图1.1 并网光伏发电系统结构图 独立光伏发电系统比之并网光伏发电系统其系统结构相对较小，系统各参数也相对较低，但较并网光伏海淀系统来说运用得更为广泛。独立光伏发电系统可以用于如小型家用一般供电、太阳能路灯照明供电、未接通电网的偏远地区供电等。独立光伏发电系统结构图如图1.2所示。其系统结构包含太阳能电池组件、接

16、线箱、充放电控制器、蓄电池。其输出为直流电压，如果需要为负载提供交流供电，则还需包含逆变器。在紧急情况下，由于各种原因，太阳能电池组件不能持续有效的对蓄电池进行供电的情况下还可以配备紧急发电机进行供电，用以维持负载的正常运行。图1.2 独立光伏发电系统结构图 分布式光伏发电系统相比较并网光伏发电系统和独立光伏发电系统来说成本更低、而且具有很好的安全可靠性、操作更为简单。分布式光伏发电系统还可以在并网光伏发电系统和独立光伏发电系统失效的情况下成为补充系统。是一种比较经济可靠的光伏发电系统。1.3 太阳能逆变电源的发展与现状 在太阳能光伏发电系统中，太阳能逆变器有着举足轻重的地位，它是其中的核心部

17、件，用来进行直流交流变换，从而产生满足要求的电压电流。从太阳能光伏发电技术问世至今，太阳能逆变器也伴着它一直在不断改善和提升，其相关技术已经得到了长足的进步。 发达国家在占据了光伏逆变器的大部分市场，因为他们有着先进的技术和强大的工业基础，而且由于国家早已开始对太阳能光伏产业进行大力扶持，使得他们制造的光伏逆变器性能好、质量高、安全可靠。其产品在国际上拥有着良好的口碑。知名的国外逆变器厂商如：SMA、Fronius、lngetearTi、KACO、Siemens、studer等，其中的SMA、KACO、Fronius、lngeteam、Siemens这5家厂商占全球逆变器销售市场份额的百分之七

18、十，年销售额有数十亿美元之多。 由于我国的光伏发电产业启动相对较晚，国内的逆变器制造厂商规模相对较小，而且在逆变器的工艺、性能等方面比之国外的知名厂商的产品还是有一定的差距，不过对于一般要求的逆变系统来说还是可以满足其系统要求的。今年来，国家也开始加大了对光伏产业的扶持力度，并开始实施了相应的扶持计划，这是一个历史性的机遇，这将有利的促进我国光伏产业的发展，可以预见，中国光伏产业的未来必将一片光明。 为了适应现代社会科技发展的需求，现在，太阳能逆变电源的发展主要方向为更为数字化和模块化，从而提升整个太阳能逆变系统的安全可靠和简便实用性。1.4电力电子技术的发展与现状 电力电子技术是一门综合性的

19、学科，由其衍生出了许多学科，如电力半导体器件、现代电子技术、自动控制技术等学科。伴随着电力电子技术的发展，这些学科也得到了长足的进步和更为深入的研究。在人类科学技术的发展中,电力电子技术已经完美融入了微电子技术、电机工程、材料科学、等许多领域之中。 电力电子技术这门学科从诞生至今已经有五十年左右的时间。其诞生标志为20世纪50年代末期世界上第一只晶闸管的问世。电力电子技术在人类社会的发展中有着举足轻重的地位，它极大的推进了社会的现代化发展和人类文明前进的步伐。到现在，电力电子技术已经融入了我们每个人的生活，身边随处可见与电力电子技术有关的产品。在今天，电力电子技术已经在我们的计算机、电子仪器、

20、工业自动化等许多起着十分重要的作用。可以说，现在我们每个人的生活都离不开电力电子技术。它已经成为了促进人类社会文明发展的一门关键性学科。 现代电力电子技术的发展方向主要是从低频向高频发展。由传统的低频电子器件逐步朝着像IGBT等拥有着高电压、高频率、高电流的新兴电子器件发展。传统的电力电子时代已经成为了过去，现代电力电子时代的到来必将为人类社会文明的发展做出更大、更新的贡献。1.5 本文的主要工作任务和设计要求 综合上述分析，本课题的主要工作任务和设计要求如下： （1）根据太阳能电池的输出特性及蓄电池的特性,设计出蓄电池的充电和控制方法。 （2）进行太阳能电源逆变部分的设计，直流电压采用SPW

21、M逆变调制，产生220V/50HZ正弦交流输出，采用输出LC滤波和双闭环负反馈调节，确保输出波形的质量。 （3）进行MATLAB软件仿真并建立数学模型。 （4）进行保护电路设计。 （5）本课题的系统输入电压为DC12V （1015V），要求系统输出为220V正弦交流；输出功率额定5KW；输出电压稳定，整体效率达到80%以上。402 太阳能直流充电系统2.1 太阳能电池及其工作特性 太阳能电池，我们又叫做光伏电池，是太阳能光伏发电系统中把太阳光转换为电能的核心转换部件。在太阳能光伏发电系统中主要使用的是由硅制成的太阳能电池，其中又分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。除此之外，太阳能电池还分为

22、化合物太阳能电池和非晶硅太阳能电池等许多种类。太阳能电池是利用光生伏打原理来进行发电的。所谓的光生伏打效应是当物体受到光照时，物体内部分子中的电荷发生运动，进而出现电动势和电流的一种特殊效应。由于光生伏打效应的产生从而使得由光能到电能的转换。这种效应在半导体材料中体现得尤为清晰。所以我们通常用半导体材料来制造太阳能电池就是因为这个原因。 半导体太阳能电池的发电过程大致如以下几点： （1）首先是收集太阳光和其他光源照射到太阳能电池表面的光线。 （2) 然后当太阳能电池吸收到一定能量的光子后，便会使得非平衡载流子得到激发，从而产生电子空穴对。 （3）由于这些受激发后产生的非平衡载流子带电性相反，所

23、以在太阳能电池中P-N结产生的电场作用下他们将会被分离开来，一边将会聚集电子，一边将会聚集空穴，从而在太阳能电池内部形成了电势差，进而产生电流。 （4）从太阳能电池的两极引出电极，形成完整的电路，则电流就会通过电路到负载，从而获得功率输出。由此，太阳能电池便实现了把光能转换为电能的过程。 理想P-N结太阳能电池的输出特性如以下方程所表示： （2.1a） 在上面的方程中，命名为太阳能电池的输出负载电流、定义为光电效应产生的电流，正比于太阳能电池的面积和入射光的辐照度；是玻尔兹曼常量，；为太阳能电池的输出电压、为太阳能电池内部等效二极管的P-N结反向饱和电流；是电子电荷，；为P-N结的曲线常数；为

24、绝对温度。 在弱光条件下，由于远小于，则使得；而在强光条件下，由于远大于，所以使得。可见，在弱光条件下，太阳能电池的输出电压随光的强度呈近似线性的变化，而在强光条件下时，随光照强度呈对数关系变化。2.2 太阳能电池的电流电压特性 太阳能电池的实际等效电路如下： 图2.1太阳能电池的实际等效电路 由图2.1可得出太阳能电池的电流电压方程为： （2.2a） 根据方程2.2a可以得到太阳能电池的电流电压特性曲线，如图2.2所示：图2.2太阳能电池的IV特性曲线 从图2.2所示的太阳能电池IV曲线我们可以看出：太阳能电池是一种非线性的直流电源而非恒压电源和恒流电源，其电压、电流变化呈非线性变化。 根据

25、图2.2太阳能电池的IV特性曲线可以定义出太阳电池的几个重要技术参数： （1）在温度、光照条件一定的情况下太阳能电池可以产生的最高电流，我们定义为短路电流。 （2）在温度、光照条件一定的情况下太阳能电池可以产生的最高电压，我们定义为开路电压。 （3）在温度、光照条件一定的情况下太阳能电池可以产生的最大功率，我们定义为最大功率点功率。 （4）在温度、光照条件一定的情况下太阳能电池在最大功率点上输出的电压，我们定义为最大功率点电压。 （5）在温度、光照条件一定的情况下太阳能电池在最大功率点上输出的电流，我们定义为最大功率点电流。2.3 太阳能蓄电池充放电特性和理论 太阳能蓄电池在本课题研究系统中起

26、的是储存能量的作用，它是作为太阳能光伏发电系统中的重要部分。一般来说，太阳能电池产生的电能可以直接给负载提供电能，但是在晚上或者其他太阳能电池无法接受光能的条件下时，负载将会得不到稳定持续的电能供应从而无法运行。此时，太阳能蓄电池的作用便表现出来了。在光照条件充足的时候，太阳能电池可以为蓄电池进行充电并提供负载所需电能；在晚上或者太阳能电池无法接受光能的条件下时，太阳能蓄电池便会替代太阳能电池板对负载提供持续稳点的电能供应，从而保持负载的正常运行。 蓄电池是一种化学电池，当蓄电池在充电时，电能被蓄电池转变成为化学能从而储存在蓄电池中的化学物质中，当蓄电池在放电时，储存在其中的化学物质又会通过化

27、学反应释放出电能，从而进行放电。而且，蓄电池在的充放是一种非线性变化的过程，在充放电过程中的电压、电流均不是恒定的。而且，不同状态、不同型号、不同时间条件下的蓄电池的充放电状态都是不同的。 蓄电池的性能指标有：（1） 容量；（2）功率与比功率；（3）放电终止电压；（4）放电率；（5）放电电流；（6）自放电率 在我国的太阳能光伏发电系统中，大部分使用的是铅酸蓄电池。因为铅酸蓄电池具有造价低廉、使用简单、维修方便、原材料丰富等优点。铅酸蓄电池的充电电流与端电压随充电时间变化的曲线如下图：2.3 蓄电池充电特性曲线 蓄电池的发展已有几十年的时间，在科学技术日益成熟的今天，人们对能量储存方式的研究也也

28、来越多、越来越深入。新的能量储存方式开始出现，比如超导储能、燃料电池、超级电容储能等。这些新的更好的能量储存方式将会极大地推动太阳能光伏发电系统的发展。 在实际过程中，太阳能蓄电池的充电通常采用的是两段式充电法：第一阶段：蓄电池充电时，当电池电压上升到额定电压之前采用一定方法对蓄电池进行充电，在蓄电池电压达到一定值时，蓄电池充电控制器将会工作在稳定浮充状态；第二阶段，当蓄电池电压下降到浮充状态电压以下时，蓄电池充电控制器又会在充电和浮充这两种状态下来回工作。使用两段式充电法不仅可以很好的保护蓄电池并延长其寿命，而且可以使蓄电池的充电进行得高效且快速。2.4 太阳能充电系统设计太阳能充电系统的整

29、体结构图如图2.4所示，主电路电路图如图2.5所示：图2.4 太阳能充电整体结构图 图2.5 充电电路原理图 蓄电池充电电路原理图显示的是开关管G在接收到输出电压检测信号和端电压检测信号后对蓄电池实施充电控制和保护的过程。 2.4.1 直流升压 在太阳能逆变电源中，电压和电流的变化是由直流升压DCDC和交流逆变DCAC这两部分来得以实现的。DCDC就是将光伏阵列输出的低压直流变换成稳定的高压直流电；DCAC则是完成将前级升压后的直流电逆变成正弦交流电。本节针对太阳能直流充电系统讲述的是直流升压DCDC的设计。 对于升高太阳能电池的输出电压可以用Boost电路来进行实现，而且将Boost电路接到

30、太阳能电池的输入端还可对太阳能电池的最大功率点进行跟踪。本文采用的是MPPT控制电路。MPPT控制装置的系统框图如图2.6所示：图2.6 MPPT控制装置的系统框图 图中Boost的输入电压即为光伏阵列的输出电压,我们可以通过PWM的控制方式改变开关器件的占空比D，相当于改变了电路输入端的等效电阻值Req，负载特性的曲线也变了,光伏阵列的U一I特性曲线与负载特性曲线的交点也跟着改变,最终实现了光伏阵列的最大功率点跟踪。 Boost电路如图2.7所示：图2.7 Boost电路图 Boost电路的组成包括太阳能电池、开关管、二极管、电容、电感和负载，本文采用的是利用单片机来对蓄电池的充放电实行控制

31、管理。其电路的工作原理是：当电路的输出端接入蓄电池时可以实现由端电压来控制充放电过程；负载端接蓄电池时，此电路成为充电电路。 Boost电路的工作过程电路图如图2.8所示：（a）（b）图2.8 Boost电路的工作过程 Boost电路的工作原理和工作状态是：为了升高负载电压，电路将会以电感电流源的工作方式对负载进行放电。Boost升压电路有两种工作状态。当T导通时，Boost电路等效电路如图2.8（a）所示，输入端与输出端隔离，L,电感电流线性增加,电感中储存起来由电源提供的电能。当T断开时，其等效电路如图2.8（b）所示，输出端通过电感接收能量，电感电流逐渐减少，电感的储能向负载转移,负载电

32、压上升。 升压变换器的输出方程式如下： （2.4a） 在升压变换器的输出方程式中：表示的是在重复周期内开关的控制关断时间，表示的是开关控制周期，是开关管的占空比。2.4.2 蓄电池的充电控制 一般来说，在兼顾太阳能电池的特性和蓄电池特性的前提下来对蓄电池实施充电控制，可以实现设计的最优化。在实际过程中，太阳能蓄电池的充电通常采用的是两段式充电法。两段式充电法分别是恒压快速充电和恒压浮充，使用两段式充电法不仅可以很好的保护蓄电池并延长其寿命，而且可以使蓄电池的充电进行得高效且快速。 恒压快速充电是在蓄电池缺电的时候使用的，调节开关管使得系统成为一个稳压器,这样电池板的输出工作点总稳定在最大功率点

33、上的电压附近。近似于最大功率点跟踪MPPT控制，使得蓄电池可以最快的储存太阳能电池板输出的电能，从而达到快速充电的目的，这时蓄电池一般可以达到85%的蓄电容量。 恒压浮充阶段是在上一阶段完成后开始进行，当浮充电压值与蓄电池端电压相等时即充电完成。两段式恒压充电特性曲线如图2.9所示：图2.9 两段式恒压充电特性曲线蓄电池充电流程图如图2.10所示：图2.10 蓄电池充电流程图 由此可得到太阳能充电系统的实际充电图如图2.11所示：图2.11 太阳能充电系统的实际充电图太阳能充电系统由蓄电池，太阳能电池板和功率MOSFET管组成。其中，和，形成了MOSFET管的关断吸收回路；他们是二极管的吸收回

34、路；是限流电阻，用以弥补恒压充电的缺点；其它部件组成了MOSFET管的开通吸收回路；为单片机输出的PWM脉冲电压，从而控制MOSFET管的开通和关断进而对蓄电池进行充电。3 逆变系统3.1 逆变电路的选择逆变系统的主电路基本就是有整流器，逆变器，变压器，LC滤波器组成。图 3.1 逆变系统的主电路图逆变系统的电路一般分为全桥电路和半桥电路半桥式电路原理图如图3.2所示：图3.2 半桥式电路结构图全桥式电路如图3.3所示。图3.3 全桥式电路结构图考虑到本课题的设计要求，本文中采用的是单相全桥逆变电路。3.2 单相全桥逆变电路的工作原理图3.4 单相全桥逆变电路电路图 图3.4为单项全桥逆变电路

35、,它是以绝缘栅双极性晶体管(IGBT)为主开关器件的电路,其中L为交流输出电感,为直流侧支撑电容,也即DC一DC变换电路的输出电容,是其反并联二极管,对四个开关管进行适当的PWM控制,就可以使逆变器输出电压与电流与负载所需交流电相匹配的电能.这种结构的电路属于升压式结构,需要在直流侧滤波电容预先充电到接近交流电压的峰值时才能启动,且直流侧电压要不低于负载电压的峰值,否则电感电流不能完全可控。图3.5展示了单项全桥逆变电路的几种功率器件共有四种工作形态。 工作状态1：如图3.5(a)图所示,功率器件和导通,直流侧电压通过电感L直接加到负载两端,电感电流增加,此时电感开始存储能量,并同时将能量传递

36、给负载。 工作状态2：如图3.5(b)图所示，功率器件和导通，直流侧电压直接给支撑电容C充电，由于输出电感中的电流不能突变，负载电流将通过和导通续流，电感电流逐渐减小，并释放能量。 工作状态3：如图3.5(c)图所示,功率器件和导通，直流侧电压通过电感L反向加到负载两端，电感电流增加，此时电感同样开始存储能量,并同时将能量送给负载。 工作状态4：如图3.5(d)图所示，功率器件和导通,直流侧电压直接给支撑电容C充电，由于输出电感中的电流不能突变，负载电流将通过和导通续流，电感电流逐渐减小，并释放能量。(a)(b)(c)(d)图3.5 单相全桥逆变电路工作状态图3.3 逆变电路的设计逆变系统的主

37、电路部分是一个单相全桥SPWM逆变器，其基本电路结构如图3.6所示：图3.6 逆变系统主电路结构从逆变系统基本结构电路图可以看出，单相全桥逆变电路其实可以表示为一个电容电压源。同时，系统的负载类型不定，考虑到环节的负载效应，将负载的扰动电流I。也视为输入电源。通过上述等效，整个电路可等效视为如图3.7所示电路：图3.7 主电路等效结构图在此模型中，对电路进行了理想化的假设：（1）直流母线电压Udc为恒定不变的；（2）功率开关管为理想器件；（3）输出电压基波频率及LC滤波电路自然震荡频率远低于开关频率。以流经滤波电感的电流和滤波电容两端电压为状态量，可得上述模型在连续状态下的状态方程： （3.3

38、a）将上述方程转化为复频域形式，可推到出系统的状态方程图，如图3.8所示： 图3.8 系统状态方程图 其中，根据SPWM波形调制规律，输入为： （3.3b） 式中：为调制信号幅值（V） 为三角载波信号峰值（V）由此，可得出系统的传递函数： （3.3c）从传递函数可以看出，这是一个二介滞后系统。设计的逆变电路结构如图3.9所示：图3.9 逆变电路的图形3.3.1 滤波电路的设计 设计滤波器的时候，应主要考虑一下的类容：（1）必须在规定范围内进行对电压、电流属性的合理控制；（2）必须保证滤波电路中的电容对电流的影响在可控制范围内；（3）滤波电感基波压降小，负载变化所引起的输入，输出电压波动小；（4

39、）滤波器体积、重量小，成本低。 表面看来好像LC滤波参数越大,系统输出波形越好。实际上,滤波时间常数越大,不仅滤波电路的体积和重量过大,而且滤波电路引起的相位滞后变大,采用闭环波形反馈控制时,整个系统的稳定性越差。相反,滤波参数选的过小,系统中的高频分量得不到很好的抑制,输出电压不能满足波形失真度的要求。所以，我们要兼顾这两方面的条件来对滤波器的参数进行合理选择。LC滤波器等效电路如图3.10所示。图3.10 LC滤波电路等效电路图电源侧第k次谐波电流有效值相量为： （3.5a）在上式中，逆变器的开关角频率和脉冲电流的基波角频率是一样的，均为，逆变器的输入有效电流值是，系统谐波次数是K。为LC

40、输入滤波器的谐振角频率。 电源内阻很小，可忽略不计。则由上式可得： （3.5b）由此可见，谐波次数越高，对应的电源侧谐波次数的分量就越小，并且，在脉动直流电流基波角频率不变的情况下，可以通过增大滤波电感L，滤波电容C来降低电源侧谐波电流（即减小输入滤波器的谐振角效率，从而减小的值）。在本设计中：为了使足够小，可以取：这个时候，我们可以计算并得到滤波器的截止频率。其值为100HZ由此可得：对于电感、电容各自参数的选取，一般以电感为主进行设计。若电感太大，则会降低系统的反应速度，会阻碍检测输出电流的响应速度。若电感太小，则会对磁带造成比较严重的损害，并且是输出脉冲波形质量变差。电感设计首先要满足电

41、流上升率的要求：由于：所以有：由此可以确定电感的最大值。在计算L的有效范围时，我们可以综合电感的最小值和电流的最大值来进行计算。通过仿真中进一步调试，最终选取滤波电感L=2.5mH。再根据LC滤波器已确定的截止频率，可计算出滤波电容C=1000uF。3.3.2 逆变系统的控制方式我们需要逆变部分发出的电压信号为正弦，同时不希望信号中含有谐波分量并能够对其进行控制，便能够保证波形良好的余弦波电压。目前逆变电路控制方法通常采用的是SPWM控制技术。SPWM便由此得来,用SPWM信号来对开关元器件的开通或是断开进行控制,最好能够让脉冲电压曲线所围成的面积能够和我们希望输出的余弦波围成的面积相等,这样我们就能通过改变调制波的频率以及幅值就可以对输出的电压和幅值进行调节和控制则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。SPWM波形可以通过我们说学的相关