微電網模擬系統

西華師范大學電子信息工程學院 黃福香 陳元莉

微電網模擬系統

西華師范大學電子信息工程學院 黃福香 陳元莉

本系統是一種采用STC15F2K60S2單片機為核心的SPWM逆變電源，由單片機內部的3路硬件PWM模塊生成3路SPWM脈沖信號，具體采用的是自然數查表的控制方法，而這里驅動三相全橋逆變電路采用的是雙極性調制方案，將輸出經過LC濾波器濾波后在負載上得到穩定的三相對稱正弦波交流電。其正弦波輸出頻率由單片機內部程序控制調節。

SPWM；雙極性調制；三相逆變；STC單片機

逆變電源的發展與電力電子器件的發展密切相關，上世紀60年代逆變電源就已經產生了，迄今為止，逆變電源經過了三代的發展，逆變技術不斷被更新和完善，其運用也越來越廣泛。本設計采用了SPWM控制方式對逆變橋進行調制，通過軟件控制位移，最后經電容、電感過濾得到理想的三相對稱的正弦波，具有結構簡單和容易實現的優點。

1.系統設計原理

1.1 逆變器的基本概念與工作原理

圖1 逆變器的基本工作原理

如圖1所示，首先采用電容進行濾波,濾波器的作用是將波動的直流量過濾成平穩的直流量。逆變器采用三相橋式逆變電路,用單片機輸出SPWM波來控制調節輸出電壓頻率的大小，逆變器的作用就是把直流信號轉化為交流信號。經過逆變器后還不能得到理想的正弦波，所以還需要經過濾波器濾除交流輸出信號的高次諧波后得到正弦波才能供給負載。

圖2 雙極性調制等效正弦波的SPWM波圖

1.2 PWM控制技術

PWM控制技術也就是脈寬調制技術，其原理是假如有一系列的脈沖想要變成需要的波形，那么就可以通過面積等效法對脈沖的寬度進行改變來獲得需要的波形，波形包含形狀和幅值，這種控制的想法來源于通信技術。

PWM控制技術的理論基礎就是面積等效法，而面積等效法的核心思想就是把一系列具有相同沖量但是形狀不一的窄脈沖施加在一個具有慣性的環節上，那么它們的效果就基本上是一樣的，本文采用的等效方式是雙極性調制，如圖2所示。

2.硬件設計

2.1 總體原理圖

本系統主要采用單片機及外圍電路、IR2104驅動電路、三相全橋逆變電路、LC濾波器等組成，具體系統結構如圖3所示。

圖3 系統結構框圖

2.2 三相逆變電路

三相逆變電路具體組成如圖4所示，在逆變的部分用了6個IRF3205MOS管組成一個三相橋式逆變電路，輸出的三路SPWM波形通過LC濾波器來濾除高次諧波，最后在負載就能獲得三相的純正弦波交流電壓輸出。從理論上來講是Q值越大越好，但是實際上需要考慮電路結構和成本，這里所采用的電感和電容值的實際大小如圖4所示。

圖4 三相逆變電路

圖5 IR2104驅動電路

2.3 驅動電路

本全橋驅動電路采用IR2104作為它的驅動芯片，該芯片可以自行控制死區，降低了軟件設計難度。同時此電路還具有結構簡單、性能可靠、并且能夠提升電路的穩定性等優點。

3.軟件設計

3.1 SPWM波形表

每個脈沖的寬度和他們之間的間隔是根據正弦波的一系列數據進行精確計算而得出來的，否則不能正常控制開關器件的通斷得到想要的波形。本設計將一個正弦波按照相同的相位平均分成300等分然后計算余弦數值得到300個數據，再把這些數據做成程序列表，由單片機的ROM來儲存，用于后續查表。

圖6 程序流程圖

3.2 系統主程序流程

在定時器中斷程序中，通過查表的方式來得到想要的SPWM波形。具體而言，是先設定好50HZ輸出正弦波輸出頻率，本設計中一個正弦波分辨率為300，它們對應的是正弦波中的SPWM波的占空比。每一個占空比需要保持的時間必須通過計算求得，為（1/50/300）66.666us。則定時器就設置為每66.666us進入一次中斷，由此計算出定時器的初值。每次中斷就將此時對應的數組里面的數據賦給硬件PWM，同時把SPWM控制信號輸入IR2104芯片，如果中斷次數達到299，則數組又回到第一個，如此循環下去，這里三路都需要分別如此執行（只是起始數值不一樣，也就是0，100，200）。這樣就得到3個完整的、相移為120°的SPWM波形，程序流程圖如圖6所示。

4.結論

測試時負載采用星（Y）形連接然后用示波器觀察三相輸出的波形。通過測試結果可以看出，該逆變器可以輸出三相對稱的50HZ的正弦波電流，其相電壓可調，有效值為24V時，誤差小于0.1V。該系統具有過流保護功能，可以在輸出大于2A電流的情況下切斷交流輸出，大大增加了系統的安全性和穩定性。同時，并網也可以增加電路的可靠性，并網時需加保護繼電器保護電路。系統軟件采用模塊化設計，為二次開發提供了非常便利的條件。

[1]宋淑蘋．基于SPWM技術的獨立逆變電源設計[D]．保定：河北大學,2011．

[2]童詩白,華成英．模擬電子技術基礎[M]．北京：高等教育出版社,2006,5．

[3]洪峰．雙降壓式半橋逆變器及輸出并聯型組合變換器研究[D]．南京：航空航天大學,2008．

[4]許翏,王淑英．電氣控制與PLC控制技術[M]．北京：機械工業出版社,2005．

黃福香（1995—），女，四川中江人，大學本科，主要從事電子技術和計算機應用方面的研究。

陳元莉（1966—），女，四川南部人，碩士研究生，副教授，主要從事電子技術和計算機應用方面的研究。