主要參數(shù)計算

線電壓：三相電的AB,BC,AC任意之間的電壓。三相電功率公式：P=√3*U*I*cosφ式中：P代表功率，U代表線電壓，I代表電流，cosφ代表功率因素。√3=1.732功率因素cosφ對于阻性負載，取值1功率因素cosφ對于感性負載，比如電機，取值0.8線電壓：24V，I=2A 需要的供電電壓為:√3*24=41.568V輸出：P=√3*24V*I*2A*1=83.1W逆變器 1 的效率 ? 不低于 87%。意味著驅動電路損耗的能量要<83.1/87%-83.1=12.4W。

本次采用STC15F2K60S2單片機為核心的SPWM逆變電源，單片機通過自然數(shù)查表法控制內部的3路硬件PWM模塊生成SPWM脈沖信號，采用雙極性調制方案驅動三相全橋逆變電路，輸出經LC低通濾波器濾波，最后在負載上得到穩(wěn)定的正弦波交流電。其正弦波輸出頻率由單片機內部程序控制調節(jié)。另外本系統(tǒng)外接按鍵，按鍵能設定開始與停止。

 逆變電源的發(fā)展與和電力電子器件的發(fā)展息息相關，可以說電力電子器件器件的發(fā)展引導著逆變電源的發(fā)展。上世紀60年代正是電力電子技術飛速發(fā)展的時期，逆變電源就是在這個時期產生的，直到現(xiàn)在，逆變電源已經經過了三代的發(fā)展。

最初的逆變電源用的是晶閘管作為逆它的開關器件，稱為可控硅逆變電源，但是因為早期晶閘管沒有自關斷的能力，即使增加了換流電路使其擁有了這種能力，但換流電路的復雜結構和極低的效率等原因卻使逆變電源下一步的發(fā)展進退維谷。

從上世紀70年代末開始，許多自關斷器件相繼被發(fā)明出來，例如可關斷晶閘管、電力晶體管等，這也促進了逆變電源的發(fā)展，于是使用自關斷器件作為開關器件的逆變器產生了，這就是第二代逆變電源，使用了自關斷器件的逆變器它逆變電源的性能獲得了極大的提升，使用了自關斷器件的逆變器與初代逆變器相比有了許多優(yōu)點，首先因為有了自關斷功能，所以不再需要換流電路，這樣使主電路得到簡化以至于降低了成本；其次由于逆變器使用了自關斷器件，以至于其性能相比初代得到了極大的提升。這一代的逆變電源通常采用帶輸出電壓有效值反饋的SPWM控制技術來控制。這一代的逆變器擁有簡單的結構和容易實現(xiàn)的優(yōu)點，但也并不意味這他沒有缺點，由于它沒有考慮信號傳輸過程中開關點的變化及負載的影響，所以還是有不少的缺點的，首先它如果負載是非線性的就沒有良好的適應能力，非線性的負載會使輸出電壓的波形發(fā)生畸變；其次因為沒有瞬時值的反饋所以它的動態(tài)特性也不好；最后因為有控制不到的時間域，同樣會使輸出的電壓波形發(fā)生畸變。這些缺點使得第二代逆變電源依然不夠完善。

    隨著近十年來新型電源控制技術的蓬勃發(fā)展，針對第二點逆變電源的缺點發(fā)明了實時反饋控制技術這也使得第三代逆變電源應運而生，三代逆變電源使用了這種技術又一次使逆變電源的性能提高了，同時還彌補了第二代的缺點，這種技術到目前為止還在不斷地被完善，實時反饋控制技術擁有許多種，基于對動態(tài)性能和適應性等方面的考慮目前被廣泛采用的技術是帶電流內環(huán)的電壓瞬時值反饋控制。  

正弦逆變電源作為一種可將直流電能有效地轉換為交流電能的電能變換裝置被廣泛地應用于國民經濟生產生活中,其中有:針對計算機等重要負載進行斷電保護的交流不間斷電源UPS(Uninterruptle Power Supply)針對交流異步電動機變頻調速控制的變頻調速器;針對智能樓宇消防與安防的應急電源EPS( Emergence Power Supply)針對船舶工業(yè)用電的岸電電源SPS(Shore Power Supply)還有針對風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等而開發(fā)的特種逆變電源等等。隨著控制理論的發(fā)展與電力電子器件的不斷革新,特別是以絕緣柵極雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)為代表的自關斷可控型功率半導體器件出現(xiàn),大大簡化了正弦逆變電源的換相問題,為各種PWM型逆變控制技術的實現(xiàn)提供了新的實現(xiàn)方法,從而進一步簡化了正弦逆變系統(tǒng)的結構與控制.

正因為逆變電源技術的核心部分是逆變器和其控制部分,所以選擇逆變器的設計作為研究課題可以慢慢跨入逆變電源的行業(yè)中去深入發(fā)展。眾所周知，雖然自關斷器件的產生簡化了逆變主電路，但它的開關頻率和功率仍受一定的限制， 于是逆變電源輸出波形正弦度仍不是很理想。雖然在控制方法上已經趨于成熟，但有些控制方法實現(xiàn)起來仍很困難。隨著開關頻率的提高，會引起開關損耗的增加，逆變效率和直流利用率的降低，因此，對逆變電源技術進行深入地研究有很大的現(xiàn)實意義。

逆變電源的發(fā)展與和電力電子器件的發(fā)展息息相關，可以說電力電子器件器件的發(fā)展引導著逆變電源的發(fā)展。上世紀60年代正是電力電子技術飛速發(fā)展的時期，逆變電源就是在這個時期產生的，直到現(xiàn)在，逆變電源已經經過了三代的發(fā)展。

 

掌握正弦波逆變器的電路的組成，需要重點明白其中中各元器件的原理及用處，對正弦波逆變電路在電阻負載、電阻電感負載是的工作情況及其波形作全面分析，并研究工作頻率對電路工作波形的影響。采用SPWM控制方式對逆變橋進行調制，最后經電容、電感過濾實現(xiàn)正弦波逆變的目的。

正弦波逆變器的電路構成如圖

 如圖所示，本電路由兩部分組成,將交流轉化為直流的這個部分屬于整流,整流器的作用是把交流電轉化為直流電，這個過程可以是不可控的，也可以是可控的，這部分采用不可控的二極管將交流變成直流。整流之后采用用電容進行濾波,濾波器的作用是將波動的直流量過濾成平展穩(wěn)定的直流量,整個過程無論是從結構上還是性能上都能滿足實驗要要。最后直流變交流的部分為逆變部分,逆變器的作用是將直流電轉化為交流電經過電感濾波后然后供給負載,這里的LC濾波是為了濾除高次諧波，得到到正弦波，而逆變器因為它輸出的電壓和頻率與輸入的交流電源無關所以為稱為無源逆變器，它是正弦波逆變電路的核心，這里采用采用三相橋式逆變電路,用PWM控制調節(jié)輸出電壓及頻率的大小。

首先講一下脈寬調制的大概理論

PWM控制技術就是脈沖寬度調制技術。他的原理是可以通過等效法對脈沖寬度進行改變來獲得一系列的脈沖想要變成需要的波形。波形包含形狀和幅值。

PWM控制技術核心就是面積等效法。即相同的沖量其實就是相同的面積。原理圖如圖。

在正弦波的負半周上使用等面積法依舊可得到PWM波形，所以在一個完的整周期內正弦波的等效PWM波如圖所示。

 目前還有一種更普遍的等效方式，用的也是等面積。如圖所示。

采用一定方法對脈沖寬度進行改變。從而使得輸出脈沖列在周期內的時間相對于均值按正弦的規(guī)律變化，這就是SPWM。傳統(tǒng)的SPWM方法，是從電源角度出發(fā)，通過正弦波控制信號與三角載波的交點產生觸發(fā)脈沖。從而產生開關動作，經過濾波生成可以調頻調壓的正弦波。在這里采用了雙極性PWM調制技術的方法，它的原理如圖 所示。

在采用雙極性PWM調制技術時候,把信號波用這種方法得到的交流正弦輸出波替代同時把載波用三角波替代,將這二者進行對比，各開關的通斷在這兩種波的交點時刻進行改變，由此可以看出在信號波的一個周期內,無論是載波還是調制來的輸出波形都是正負皆有,所以它其輸出波形具有±Ud兩種電平，把信號波和載波分別用ur和uc來表示，當信號波大于載波的時刻,同時施加開通和關斷信號，其中開通信號給V1和V4關斷信號給V2和V3,此時如果io是大于零的那么V1和V4開通反之則是VD1和VD4開通,但是它們的電壓輸出都是uo等于Ud。同理當載波大于信號波的時候,那么用同樣的方法可以得到V2和V3或著VD2和VD3開通的結果,不同的是它們的電壓輸出卻是uo等于負的Ud。

SPWM逆變器的主題思路就是有一個逆變器，希望它輸出的電壓波形是正弦的，因為至今為止以現(xiàn)在的技術造出的可以改變頻率和電壓的逆變器無法像正弦波逆變器那樣的小體積大功率且輸出波形光滑。

現(xiàn)在的SPWM逆變器都采用的是等效原理實現(xiàn)的，即讓逆變器輸出的波形是一系列的和正弦波一樣效果的雖不等寬但等幅的矩陣脈沖波形，它的主題思想方法就是等面積法。

 如圖所示，本電路由兩部分組成,將交流轉化為直流的這個部分屬于整流,整流器的作用是把交流電轉化為直流電，這個過程可以是不可控的，也可以是可控的，這部分采用不可控的二極管將交流變成直流。整流之后采用用電容進行濾波,濾波器的作用是將波動的直流量過濾成平展穩(wěn)定的直流量,整個過程無論是從結構上還是性能上都能滿足實驗要要。最后直流變交流的部分為逆變部分,逆變器的作用是將直流電轉化為交流電經過電感濾波后然后供給負載,這里的LC濾波是為了濾除高次諧波，得到到正弦波，而逆變器因為它輸出的電壓和頻率與輸入的交流電源無關所以為稱為無源逆變器，它是正弦波逆變電路的核心，這里采用采用三相橋式逆變電路,用PWM控制調節(jié)輸出電壓及頻率的大小。

常用的逆變器調壓方法：

可控整流器調壓：通過負載對電壓的要求，使用可控的整流器來完成對逆變器輸出電壓的調節(jié)。

直流斬波器調壓：在確定逆變器的電源側有較高功率的情況下，通過不可控整流器可以在直流環(huán)節(jié)中通過設置改變直流斬波器來進行對電壓的調節(jié)。                                                                         

逆變器自身調壓：在采用不可控整流器的前提下逆變器能用自身的電子開關進行斬波控制，這樣就可以得到脈沖列，通過改變輸出電壓脈沖列的脈沖寬度，就可達對輸出的電壓進行調節(jié)，這種方法被稱為脈寬調制（PWM）。

由于需要功率不大而且需要對電壓進行斬波控制因此選用第三個方案。

總體原理圖

本系統(tǒng)主要采用的硬件濾波電路、三相全橋逆變電路、LC濾波器、單片機、按鍵設置電路、顯示模塊、電壓檢測電流，電流檢測電路以及一些外圍電路，具體系統(tǒng)框圖如圖所示。

主回路原理說明

從圖中可以看出，直流電輸入后，先通過2個電容串聯(lián)構成的濾波電路，得到輸入電壓的一半作為中點電位，作為三相輸出的參考地。在逆變的部分采用了6個金屬氧化物半導體管（即MOS管）組成了一個三相橋式逆變電路，最后使用用雙極性的調制方式進行調制，輸出的SPWM波形過經電感、電容組成的LC濾波器濾除高次諧波，最后在負載就能獲得三相的純正弦波交流電壓輸出。

負載是星型接線，需要有中性線回路

本正弦波逆變器主要用的是SPWM控制技術，整體的電路具有簡單的結構而且在機械特性方面也表現(xiàn)良好同時價格也比較低廉，這樣的設計能完美達到題目的需求并且已經在各種相關的行業(yè)里被普遍采用。

如果是直流輸入端濾波器，那么它可以分為兩種，分別是電流型和電壓型，其中電流型逆變器它的中間部分采用的是大電感進行濾波，這樣的輸入電流的特點是具有阻抗大電流平，就仿佛似電流源，而電壓型逆變器的中間部分則采用大電容進行濾波，這樣的逆變器的輸入電壓的特點是阻抗小且電壓平直，就仿佛電壓源。而如果按電子開關的頻率進行區(qū)別則同樣可分為兩種分別是120°的導電型逆變器和180°的導電型逆變器。

本系統(tǒng)主要采用的硬件濾波電路、三相全橋逆變電路、LC濾波器、單片機、按鍵設置電路、顯示模塊、電壓檢測電流，電流檢測電路以及一些外圍電路，具體系統(tǒng)框圖如圖所示。

濾波電路的簡要說明

濾波電路的作用是把直流電壓過濾，過濾掉其中不平整的脈動，這樣的目的是確保之后的電路環(huán)節(jié)能得到優(yōu)秀質量的電壓或電流，本電路的濾波電路部分采用的是電容濾波電路。雖然從理論上來講只要電容值越大那么過濾的效果就越好，但是出于對實際的考慮無論結構上還是價值上都不能這樣，所以要計算電容的實際大小。

通過2個電容串聯(lián)構成的濾波電路，得到輸入電壓的一半作為中點電位，作為三相輸出的參考地。

單片機的選擇

本設計所采用的單片機是STC12F2K60S2，它能使系統(tǒng)的到充分的實現(xiàn)，內部自帶高精度（0.4%）內部振蕩器，它還擁有38個I/O口，該單片機內置上電復位電路，有8路10位ADC模數(shù)轉換、每個I/O能設置成輸入輸出模式，并且具有具有3路PWM輸出，通過軟硬件設計，實現(xiàn)多功能的電機控制。且性價比高，抗靜電，抗干擾，低功耗，低成本。

場效應管的選擇

如圖所示的三相全橋電路，其電路中需要用到6個場效應管，電路的A端和B端都要與用電器連接。由于是市電接入所以要選用擁有足夠大耐壓值的場效應管，本設計選用540場效應管即33A 110V的場效應管，這種場效應管無論是從耐壓方面考慮還是從通斷時間方面考慮都能滿足設計的要求。

 場效應管的驅動電路有倆種思路

1.基于三極管等元件組成的驅動電路，這種驅動電路的好處是價格便宜且結構簡單，但是本設計的要求的驅動電路必須高于電源電壓的電路，所以如果選擇這種驅動電路就需要再為它增加一個驅動電源，這無疑增加了設計的難度。

2.半橋式驅動電路，本全橋驅動電路采用IR2104作為它的驅動芯片，該芯片的優(yōu)點是結構簡單性能可靠并且能即大的提升電路的穩(wěn)定性且降低了設計難度。該芯片采用被動式泵荷升壓原理。上電時，電源流過快恢復二極管D向電容C充電，C上的端電壓很快升至接近Vcc，這時如果下管導通，C負級被拉低，形成充電回路，會很快充電至接近Vcc，當PWM波形翻轉時，芯片輸出反向電平，下管截止，上管導通，C負極電位被抬高到接近電源電壓，水漲船高，C正極電位這時已超過Vcc電源電壓。因有D的存在，該電壓不會向電源倒流，C此時開始向芯片內部的高壓側懸浮驅動電路供電，C上的端電壓被充至高于電源高壓的Vcc，只要上下管一直輪流導通和截止，C就會不斷向高壓側懸浮驅動電路供電，使上管打開的時候，高壓側懸浮驅動電路電壓一直大于上管的S極。采用該芯片降低了整體電路的設計難道，只要電容C選擇恰當，該電路運行穩(wěn)定。

下面介紹一下傳感采集電路

我們需要能把輸出的交流電壓的幅值給到單片機檢測到（隱含的需求是需要電隔）。但是單片機只能直流電壓，不能檢測交流電壓，所以我們還需要把交流轉換成直流。

電壓互感器是和變壓器一樣的東西。兩邊都是線圈，互相隔離的，變比是1000匝:1000匝，流入多大電流，流出也多大電流（額定電流2mA）。本文檔的最后附上該器件的規(guī)格書。

輸出的線電壓是交流24V（有效值），這里用20K電阻，那么流入互感器的電流是24/20K=1.2mA,那么互感器另外一側輸出的電流也是1.2mA,在輸出端并聯(lián)一個1K電阻，可以得到1.2*1K=1.2V的交流電壓（有效值）。

PT107 2mA_2mA電壓互感器

CT103C參數(shù)5A5mA

單片機采樣電路

精密整流電路

單片機不能檢測交流電壓，所以需要把這個交流的正弦波轉換成直流的信號，

這里采用精密整流電路，一個運放只輸出正弦的正向波形，另一個運放翻轉正弦的反向波形，合在一起就把正弦波變成了饅頭波（有效值1.2V）。

饅頭波直接給單片機檢測的話，軟件的數(shù)值濾波搞不定，所以采用了硬件濾波+軟件濾波。硬件上弄了個RC，47K電阻+22uf電容，RC輸出的平穩(wěn)的1.2V電壓信號（有效值一直保持不變）。程序上采集50個數(shù)值求平均。

上面是-輸入，肯定是反向的，把負周期的波整成正的，正周期的波不管

下面是+輸入，肯定是正向的，把正周期的波整成正的，負周期的波不管

整個加起來就是饅頭波了，饅頭波經過RC電路，就得到平穩(wěn)的電壓，給單片機ADC采集。

這個ADC值直接反映了饅頭波的有效值，也就是輸出的線電壓

顯示模塊采用lcd1604，用法和1602類似，在通過lcd1604 顯示屏驅動程序的簡易編寫后可以完成對系統(tǒng)參數(shù)的顯示

但是比之前多了倆行

原理圖如下

實物如下

接下來介紹一下系統(tǒng)控制模塊的供電系統(tǒng)也叫輔助電路的設計

單片機以及一些運算放大器利用7805作為輔助電源原理圖如圖

ir2104需要供電12v，因此采用7812作為輔助電源。因為7812和7805的電路一樣就不再重復發(fā)，參考上面即可。

由于精密整流電路需要吧負信號整成正信號，需要-5V供電，這里采用電荷泵IC 7660.

電壓互感器采樣電路

電流互感器采樣電路

精密全波整流電路

經過AD調試設計，完成了第一代的系統(tǒng)PCB

這次主回路的走線偏細，采用雙層版。利用雙層覆銅板蝕刻電路

Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。

于是做了基于proteus的主回路的仿真，如下所示。

頂一下

由于三相變頻的數(shù)據量很大，所以導致運行的時候會卡機，導致LC出來的正弦波有些地方有斷層，不過這個不重要，仿真只是為了驗證電路和程序的可行性。

根據仿真結果，證明這個目前設個設計的電路和程序是可行的。于是根據仿真做出實物作進一步研究。

利用做好的電路打出第一塊三相逆變的覆銅板

利用示波器測量spwm波形和正弦波，由于三相的板子有3個輸出端，而我們實驗室只有雙通道的示波器，所以只能測試其中的2個通道，

第一步：將雙通道示波器的兩個探針接在單片機輸出PWM的引腳；

第二步：記錄波形數(shù)據；

第三步：改變單片機輸出SPWM的頻率，返回第一步操作，直到調出50HZ的SPWM波測試完。

得到的SPWM波形如圖所示。

將該波形經過LC濾波后出來的波形如圖所示。

通過示波器發(fā)現(xiàn)電路基本正常，由于沒加保護功能因此，將保護做成一個單獨的一塊電路在進行連接使用

主回路三相逆變橋原理圖