基于SG3525设计单相正弦波SPWM逆变电源毕业设计(论文).doc
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1、摘 要本论文所需单相正弦波SPWM逆变电源的设计采用了运算放大器、二极管、功率场效应管、电容和电阻等器件来组成电路。 逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变换的装置,它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。通过对电路的分析,参数的确定选择出一种最适合的方案。输出频率由电压控制,波形幅值由电阻确定。本论文以SG3525驱动芯片为核心,完成了单相正弦波SPWM逆变电源的参数设计,并利用所得结果,完成了实际电路的连接,通过调试与分析,验证了设计的正确性。 关键词: SPWM,SG3525Title: Design of Sine Wave Inverter Power Supply By SG3
2、525 Speciality: Electrical Engineering And AutomationABSTRACTDesign of sine wave inverter power supply by SG3525 was designed using operational amplifier,diodes,transistors,zener diodes,the capacitor and resistor voltage devices such as to constitute circuit.Inverter power supply is one kind of powe
3、r electronics process transformation of electrical energy device.It alternating voltage or volts d.c input to acquire voltage stabilization constant amplitude the alternating voltage output.Get through the circuitanalytical.To ensure the parameter to chose one kind of best fit program.The output fre
4、quence is confirmed by voltage and resistance ect.The thesis use SG3525 as a core to achieve design of sine wave inverter power supply.Take the advantage of the result to achieve circuit ligature.Get through the debug to check the validity.KEY WORDS: SPWM,SG3525目 录1绪论41.1逆变电源的发展背景41.2逆变电源的研究现状41.3 设
5、计的主要工作和难点61.3.1 设计的主要工作61.3.2 论文的主要难点82 SPWM逆变电源原理与应用112.1 SPWM控制原理112.2 SPWM控制的发展前景122.3本章小结123 硬件电路的设计133.1SG3525介绍133.2 文氏电桥振荡电路153.3移位电路分析173.4 逆变电路的工作原理分析173.5 本章小结184 系统的检测与分析194.1正弦发生器部分的调试194.2逆变部分及整体运行结果205结论与展望23致谢25参考文献271绪论1.1逆变电源的发展背景 逆变电源是一种采用电力电子技术进行电能变幻的装置,它从交流或直流输入获得稳压恒频的交流输出。逆变电源技术
6、是一门综合性的专业技术,它横跨电力、电子、微处理器及自动控制等多学科领域,是目前电力电子产业和科研的热点之一。逆变电源广泛应用于航空、航海、电力、铁路交通、邮电通信等诸多领域。 逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的,器件的发展带动着逆变电源的发展。逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世界60年代,到目前为止,它经历了三个发展阶段。 第一代逆变电源是采用晶闸管(SCR)作为逆变器的开关器件称为可控硅逆变电源。可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转型变流机组,但由于SCR是一种没有自关断能力的器件,因此必须增加换流电路来强迫关断SCR,但换流电路复杂。噪声大、体积大、效率低等原因却限
7、制了逆变电源的进一步发展。 第二代逆变电源是采用自关断器件作为逆变器的开关器件。自20世纪70年代后期,各种自关断器件想运而生,它们包括可关断晶闸管(GTO)、电力晶闸管(GTR)、功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)等。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能 第三代逆变电源实时反馈控制技术,使逆变电源性能得到提高。实时反馈控制技术是针对第二代逆变电源非线性负载适应性不强及动态特性不好的的缺点提出来的,它是最近十年发展起来的的新型电源控制技术,目前仍在不断完善和发展之中,实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。1.2逆变电源的研究现状 最初的逆变
8、电源采用晶闸管(SCR)作为逆变器的开关器件,称为可控制逆变电源。由于SCR是一种有关断能力的器件,因此必须通过增加换流电路来强迫关断SCR,SCR的换流电路限制的逆变电源的进一步发展。随着半导体技术和交流技术的发展,有关断能力的电力电子器件脱颖而出,相继出现了电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)等等,可关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能,由于可关断器件的使用,使得开关频率得以提高,从而逆变桥输出电压中次谐波的频率比较高,使输出滤波器的尺寸得以减小,而且非线性负载的适应性得以提高。最初,对于采用全控型器件的
9、逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的PWM控制技术,其输出电压的稳定是通过输出电压的有效值或平均值反馈控制的方法实现的。采用输出电压有效值或平均值反馈控制的方法是有结构简单、容易实现的优点,但存在以下缺点: (1)对线性负载的适应性不强 (2)死区时间存在将使PWM波中含有不易滤掉的低次谐波,使输出电压出现波形畸变 (3) 动态性能不好,负载突变时输出电压调整时间长 为了克服单一电压有效值或平均值反馈控制方法的不足,实现反馈控制技术得以应用,它是10年来发展起来的新型电源控制技术,目前仍在不断的完善和发展之中,实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃,实时反馈控制技
10、术多种多样,主要有以下几种: 1. 谐波控制原理当逆变电源的负载为整流负载时,由于负载电流中含有大量谐波,谐波电流在逆变电源内阻上压的降致使逆变电源输出电压波形畸变,谐波补偿控制可以较好的解决这一问题,尤其是在逆变桥输出PWM波中加入特定谐波,可抵消负载电流中的谐波对输出电压波形的影响,减小输出电压的波形是畸变,而且这种方法只能由数字信号处理器来实现。 2.无差拍控制 1959年,Kalman首次提出了状态变量的无差拍控制理论。1985年,GokhalePESC年会上提出将无差拍控制应用于逆变控制,逆变器的无差拍控制才引起了广泛的重视无差拍控制是一种基于微机实现的控制原理,这种控制方法根据逆变
11、电源系统的状态方程和输出反馈信号来推算下一个采样周期的开关时间,使输出电压在每个采样点上与给定信号相等,无差拍控制的缺点是算法比较复杂,实现起来不太容易,它对系统模型的准确性要求比较高。对负载大小的变化及负载性质变化比较敏感,当负载大小变化及负载性质变化时不是获得理想的正弦波输出。 3.重复控制 为了消除非线性负载对逆变器输出的影响,在UPS逆变器控制中导入重复控制技术。重复控制是一种基于内模原理的控制方法,它将一个基波周期的的偏差存储起来,用于下一个基波周期的控制,经过几个周期基波周期的重复可达到很高的控制频度。在这种控制方法中,加到控制对象的输入信号除偏差信号外,还叠加了一个过去的控制偏差
12、,这个过去的控制偏差实际上是一个基波周期忠的控制偏差,把上一个基波周期的偏差反映到现在,和现在的偏差一起加到控制对象进行控制,这种控制方式偏差好像在被重复使用,所以称为重复控制。它的突出特点是稳定性好、控制能力强但动态响应速度慢,因此,重复控制一般都不单独用于逆变器的控制,而是与其他控制方式结合共同实现整个系统性能。 4.单一的电压瞬时值反馈控制 这种控制方式的基本思想是把输出电压的瞬时反馈与给定正弦波进行比较,用瞬时偏差作为控制量,对逆变桥输出PWM波进行动态调节,和传统PWM控制方法相比,该方法能对PWM波进行动态调整,故系统快速性、抗扰性、对非线性负载的适应性、输出电压的波形品质等都比传
13、统PWM控制方法有所提高。这种方法的缺点就是稳定性不好,特别是空载时。 5.带电流内环的电压瞬时值反馈控制 带电流内环的电压瞬时值反馈控制方法是在单一的电压瞬时值反馈控制方法的基础上发展起来的在这种方法中,不但引入输出电压的瞬时值反馈,还引入滤波电容电流的瞬时值反馈,电压环是外环,内流环具有将滤波电容电流或滤波电感电流改造为可控的电流源的作用,这一,控制输入和输出电压之间就形成了具有单极点的传递函数,因而系统的稳定性大大提高,克服了单一电压瞬时值反馈控制系统空载容易震荡的缺点。由于稳定性的提高使得电压调节器增益可以取比较大的值,所以突加负载或突卸负载时输出电压的动态性能大大提高,抗扰性能大大提
14、高,对非线性负载的适应能力也大大提高。1.3 设计的主要工作和难点1.3.1 设计的主要工作本课题的研究设计,把它分成4个阶段来进行完成:思路分析、体系结构设计、硬件连接、系统调试。 首先设计正弦波信号发生器,正弦波信号发生器由文氏电桥振荡电路和移位电路两个部分组成如图1-1所示 图1-1 正弦波信号发生器 如图所示把正弦波信号发生器产生的50HZ的正弦波送入SG3525芯片的9号管脚与SG3525芯片的5号管脚的锯齿波进行比较,从而获得SPWM信号,改变正弦波幅值,即改变M,就可以改变输出电压幅值,正常M1。再次设计SPWM驱动电路如图1-2所示,由正弦波发生器产生一50Hz、幅度可变的正弦
15、波,送人SG3525的第9端,和SG3525的第5脚(锯齿波)比较后,输出经调制(调制频率约为10kHz)的SPWM波形,经过到相器反相后,得到两路互为反相的PWM驱动信号,分别驱动功率场效应管VT1、VT2,使VT1、VT2交替导通,从而在高频变压器的副边得到一SPWM波形,经过LC滤波后,得到一50Hz的正弦波,幅度可通过电位器RP进行改变。图1-2 SPWM逆变电路1.3.2 论文的主要难点我在做设计时候遇到难题是由于选择正弦波振荡电路的电阻参数错误和SPWM逆变电路调节RP在SG3525的9号管脚和SG3525芯片的5号管脚得不到相应的信号输出。最后在指导老师的帮助下经过更换电阻参数和
16、负载R5从而得到应该得到的输出。2 SPWM逆变电源原理与应用2.1 SPWM控制原理 逆变电路理想的输出电压是图2-1(a)正弦波u0=Uo1sint。而电压型逆变电路的输出电压是方波,如果将一个正弦波半波电压分成N等分,并把正弦曲线每一等分所包围的面积都用一个与其面积相等的等副矩形脉冲来代替,且矩形脉冲的中点与相应正弦等分的中重合,得到如图2-1(b)所示的脉冲列这就是PWM波形。正弦波的另外一个半波可以用相同的方法来等效。可以看出,该PWM波形的脉冲宽度按正弦规律变化,称为SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)波形。 图2-1 SPWM电压等效正弦
17、电压 根据采样控制理论,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。脉冲频率越高,SPWM波形越接近正弦波。逆变器的输出电压为SPWM波形时,其低次谐波将得到很好的抑制和消除,高次谐波又能很容易滤去,从而可获得畸变率极低的正弦波输出电压。 SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通、断进行控制,使输出端得带一系列幅值相等而狂度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或者其他所需要的波形。 从理论上讲,在SPWM控制方式中给出了正弦波频率、幅值和半周期内的脉冲数后,脉冲波形的宽度和间隔便可以准确计算出来,然后计算的结果控制电路忠各开关器件的通、断,就可以得到所需要的波形,这种方
18、法称为计算法。计算法很繁琐,其输出正弦波的频率、幅值或相位变化时,结果都要变化,实际中很少应用。 在大多数情况下,人们采用正弦波与等腰三角波橡胶的办法来确定各矩形脉冲的宽度。等腰三角波上下宽度与高度呈线性关系且左右对称,当它与任何一个光滑曲线相交时,即得到一组等副而脉冲宽度正比于该曲线换数值的矩形脉冲,这种方法称为调制法。希望输出的信号为调制信号,接受调制的三角波称为载波。当调制信号是正弦波时所得到的便是SPWM波形;当调制信号是正弦波时,等效也能得到与调制信号的SPWM根据前面的法分析,SPWM逆变电路的优点可以对那如下: 1.以得到接近正弦波输出电压,满足负载需要。 2.整流电路采用二级管
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