逆变电源的设计精选(九篇)

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第1篇：逆变电源的设计范文

引言

本文所描述的交流稳流逆变电源应用于低压电器长延时热脱扣试验，适用于对断路器、热继电器等低压电器作长延时特性的校验和测试。为保证温升试验的准确性，测试正弦电流必须稳定、精确。根据国家标准GB14048.2－94要求，长延时热脱扣试验的电流误差≤±2％，正弦波失真度<5％。

    目前国内大多数采用的长延时热脱扣试验方案是通过变压器直接对断路器施加一个电压以获得测试电流[1]。在测试过程中，由于电网电压的波动、载流电路中引线电阻变化、负载本身电阻发热变化，使测试电流随之变动，难以满足国家标准的要求。本文介绍了一种新型的交流稳流逆变测试电源，具有工作稳定可靠、输入功率因数高、输出精度高、波形失真度小、效率高的优点。

1 交流稳流逆变电源体系结构

功率主电路采用AC/DC/AC结构，如图1所示。前级为功率因数校正（PFC）电路，由Boost变换器构成，用于提高网测功率因数、降低网侧电流的THD值，并为逆变部分提供一个合适的直流母线电压。后级的全桥逆变电路完成正弦波逆变、快速调压稳流功能。逆变输出的高频SPWM波经过LC滤波，得到平滑正弦波。由于负载电阻小，电压低，电流大（15～160A连续可调），采用升流变压器进行降压增流，可以使逆变电路主开关管的选取容易许多。由图1中可以看出，该逆变器实际上是一个电压型电流源，即通过对逆变桥输出电压的快速调节来实现恒流输出。

    交流稳流源采用全桥SPWM逆变电路，并工作于倍频单极性模式下，这样逆变桥在不增加开关损耗的情况下，其输出电压的频率比开关频率再提高一倍，而且谐波含量较小，可以简化输出LC滤波电路，也有利于减小波形的失真度。

    数字部分由MCS－51单片机电路组成，具有两个功能：其一，作为人机接口界面，带有键盘输入和液晶显示模块，实现给定值设定、负载电流显示等功能；其二，单片机与控制电路接口，实现标准正弦波的给定、逆变电路的软启动、电路时序控制、负载检测等诸多功能。

2 逆变电路控制系统的建模与分析

交流稳流逆变器的负载是纯阻性负载，增流变压器和负载可视为一等效电阻R。则逆变器输出滤波电感L、滤波电容C和R构成二阶振荡环节，其阻尼比为

满载时R最大，ξ最小，系统最不稳定；而轻载时R变小，ξ变大，系统较易稳定；所以，闭环稳定性的设计主要考虑R较大时的情况。

本文中采用了带有电感电流瞬时值反馈的双环控制策略，这是因为电感电流等于电容电流与负载电流之和，一方面可对输出电压进行超前控制，以取得比较好的动态特性；另一方面电感电流中包含了负载电流，在输出负载极小的情况下，也能对输出电流进行有效控制[2][3]。稳流源逆变器的控制系统原理图如图2所示，由小信号模型获得的传递函数框图如图3所示。

由图3可知，系统的开环传递函数为

系统的闭环传递函数为

则开环系统的零、极点分布为

式中：R为等效负载电阻；

KiR为外环反馈系数；

KiL为内环反馈系数；

n为输出变压器原副边变比；

Km为全桥逆变电路放大系数；

Ka为内环比例补偿增益；

Kp＋1/τs为外环PI补偿传递函数。

由式（6）可知，当R<L/(KiLKaKmC＋)，（此式可通过设计保证）时，此时等效负载电阻R较小，系统极点sp2,3分布在负实轴上，系统的根轨迹如图4所示（R1，R2对应的根轨迹）；当R>L/(KiLKaKmC＋时，此时等效负载R较大，系统极点sp2,3为一对共轭复数，系统根轨迹如图4所示（R3，R4对应的根轨迹）。根轨迹的渐近线σa=。对于无电感电流瞬时值反馈的系统，其根轨迹如图5所示。可以看出，根轨迹以虚轴为渐近线趋向于±∝，相应在控制上必会引起输出电流的振荡，系统不易稳定。而引入电感电流反馈后，根轨迹如图4所示，系统的稳定性增强，动态性能也得以提高。

在不同负载条件下式（2）和式（3）对应的波特图分别如图6和图7所示。由图6可以看出，系统是稳定的，并且系统的相位余量>50°。由图7可以看出，系统的幅值响应接近1/KiR，在50Hz的频率处，输出电流和给定电流信号之间的相移几乎为零，因此，输出电流能很好地跟随参考信号。高的转折频率和宽的频带能保证系统具有良好的动态性能。

3 一些其它的设计考虑

作为电流源必须考虑输出开路的情况。由于本文中的交流稳流源实质上是一个电压型电流源，即通过快速调节输出电压来实现输出稳流。当输出开路时，输出电压会迅速上升到到直流母线电压附近，而不会像电流型电流源那样升得很高。尽管如此，负载开路时，输出电压仍会迅速上升，并引起输出电压以LC谐振频率进行振荡，这两者均会导致输出波形严重畸变；此外，当输出负载重新接上时会引起输出瞬态过流。因此，系统必须进行过压保护，当输出电压超过设定值时迅速切断逆变器输出。

图8

    众所周知，在SPWM全桥逆变器中必然存在着直流偏磁，会导致铁心饱和，不仅加大了变压器的损耗，降低了效率，增大了噪声，严重时会导致励磁电流迅速增大，使功率开关管因过流而损坏。本文采用如图8所示的纠偏电路来抑制直流偏磁，即由LEM器件采样逆变输出滤波电感电流，检出直流电流分量，与零电压比较得到误差，积分后叠加到正弦给定上，实时校正变压器的直流偏磁。其优点在于与电感电流反馈共用一个检测器件，节省费用；当发生直流偏磁时，变压器励磁电流以指数规律迅速增大，比检测电压纠偏的方法灵敏。

4 实验结果

交流稳流逆变电源的规格和控制电路参数如表1所列。逆变器最大输出电流20A，经输出变压器增流后可达200A，以满足对低压电器的大电流测试要求。

表1 稳流逆变电源的规格和参数

参数

数值

输入电压Vd

380V

输出电流io（可调）

0～20A

最高输出电压Vom

250V

满载功率

5000W

输出频率

50Hz

开关频率

20kHz

S1～S4

1MB150N－060

变比n

10

L

5mH

C

5μF

KiL

0.2

KiR

0.025

Ka

3

Kp

5

Km

100

τ

第2篇：逆变电源的设计范文

关键词：矿用；三相逆变；SPWM

中图分类号：TM464 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0102-03

1 概述

煤矿井下施工过程中，经常需要进行设备的拆装、搬运、检修、维护，需要临时用电。然而，煤矿井下的供电通常是由井下中央变电所通过敷设输电线路供给电能的方式实现，这种供电方式只适用于设施固定、长期运行的场所。因此，煤矿井下迫切需要一种无需敷设供电线路的移动逆变电源，能够满足临时工作场所的照明和电动工具的使用。本文设计了一款矿用移动式三相逆变电源，可以提供容量2KVA的三相交流50Hz、127V电源，能够应用于井下部分区域的照明和煤电钻用电，为井下施工及意外事故提供临时用电，弥补了当前井下集中供电方式的输电线路长、安装周期长等不足。

2 系统方案设计

矿用移动式三相逆变电源的电路构成如图1所示，由大容量锂电池模块组、三相逆变主电路、逆变控制电路、人机界面和电池电压检测、交流输出检测电路组成。

锂电池选用磷酸铁锂电池模块，标称电压48V，标称容量100Ah。5组电池组模块串联连接，锂电池组总输出直流电压为240V，作为三相逆变主电路的输入。

逆变主电路使用智能功率模块IPM，选用FUJI electric的IGBT-IPM模块6MBP30RH060，这款IPM模块内部集成6组绝缘栅双极型晶体管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor）及其驱动电路，额定电流30A，耐压600V，内部集成了过电流保护（OC）、短路保护（SC）、控制电源欠压保护（UV）、过热保护（管壳过热TcOH、芯片过热TjOH）等保护电路，且可通过向IPM相连的MCU输出报警信号（ALM），确保系统停止工作。

逆变控制电路采用低功耗单片机作为控制核心，检测锂电池组电压和三相逆变主电路输出的电压、电流，运行PID调节算法程序，控制三相纯正弦波逆变器专用芯片EG8030的输出SPWM，对三相逆变主电路的逆变过程实施控制，得到符合要求的三相交流电。

3 EG8030的特性

3.1 EG8030性能特点

EG8030 是一款功能完善的自带死区控制的三相纯正弦波逆变发生器芯片，采用CMOS 工艺，+5V单电源供电，外接16MHz晶体振荡器，可选四种载波频率，能产生高精度、失真和谐波都很小的三相SPWM信号。芯片具备完善的采样机构，能够采集电流信号、温度信号、三相电压信号，可实现输出稳压，还具有死区时间控制、软启动、相序反转、相序清零等功能以及过压、欠压、过流、短路、过热等保护功能。

3.2 EG8030的引脚功能

引脚如图2所示：

3.3 EG8030的工作模式

EG8030具有四种工作模式：分别是三相同步开环调压模式、三相同步闭环稳压模式、三相独立开环调压模式和三相独立闭环稳压模式。其中三相独立闭环稳压模式是EG8030的一种测试模式。

三相同步开环调压模式是EG8030最简单的一个工作模式。只需提供一个比较稳定的高压直流电源和一个三相输出滤波器，即可调节VOLADJ 脚上的电压使输出电压达到目标值。

三相同步闭环稳压模式是EG8030的推荐应用模式，适用于对输出电压有精度要求的场合。在这种工作模式下，芯片采样AVFB、BVFB、CVFB脚上的反馈信号并取平均值得到当前三相的平均反馈电压，再经过内部PI调节器运算得到三相SPWM的调制深度MA、MB、MC，且MA=MB=MC，同步调节三相输出。

三相独立开环调压模式EG8030的另外一种开环工作模式。用户通过调节AVFB、BVFB、CVFB脚上的电压独立控制三相SPWM的调制深度MA、MB、MC。

4 移动式三相逆变电源的电路设计

4.1 逆变主电路

逆变主电路选用的6MBP30RH060型IGBT-IPM智能功率模块，内部集成6组IGBT器件及其驱动电路，内部结构如图3所示。直流输入端口与锂电池模块组连接，上桥臂驱动电路电源为三组独立的+15V DC隔离电源，下桥臂驱动电路共用一组+15V DC隔离电源；上、下桥臂PWM输入端与逆变控制电路的6路SPWM脉冲信号接入；报警输出端口经光电隔离后与逆变控制电路的通用输入/输出接口相连。

4.2 逆变控制电路

本设计中，采用EG8030的三相同步开环调压模式，由单片机通过D/A输出，控制调制深度控制引脚（Pin8：VOLADJ），D/A输出的0～5V直流电压线性对应着0～100%的SPWM波的调制深度，调制深度的数值大小影响着逆变器的交流输出电压。如式（1）所示：m代表调制深度，VACRMS代表逆变器输出交流电压的有效值，VDC代表电池组的直流电压。

单片机采用NXP公司的P89V51RD2，运行速度达36MHz，支持12时钟或6时钟模式，片上集成1kB SRAM和64kBFlashROM，拥有4个8位并行通用输入输出口、3个16位定时计数器。该款单片机无模拟量输入输出功能，本设计通过I2C总线外接扩展芯片PCF8591。PCF8591是一款8位A/D和D/A转换芯片，采用2.5V～6V单电源供电，采样速率取决于I2C总线的传输速率，支持最多4路A/D通道和1路D/A通道，模拟输入可配置成4路单端输入、3路关联的差分输入、2路单端和1路差分输入、2路差分输入等四种模式。

P89V51RD2检测锂电池组直流电压，逆变器输出的交流电流、电压，运行PID算法程序，根据结果调节D/A输出电压，从而改变SPWM波调制深度，得到稳定的逆变三相交流电输出。

4.3 光电隔离与驱动电路

EG8030的SPWM脉冲输出为推挽式输出端口，其灌电流能力达20mA，拉电流能力仅为5mA。接线时将SPWM脉冲输出引脚与光电耦合器一次侧发光二极管的阴极相连，SPWM脉冲电流由电源流出经发光二极管灌入EG8030。光电耦合器的输入侧提供的正向电流If足够大，降低了光电耦合器输出侧出现误动作的可能性。

5 逆变器软件设计

主程序流程图如图5所示。

本设计的SPWM脉冲序列由专用三相逆变控制芯片EG8030自主生成的，单片机无需参与。逆变控制电路中单片机的主要任务是实时检测锂电池组电压、逆变主电路输出的交流电流和电压，动态计算调制深度参数，进而设定EG8030的运行特征数据，维持和保障整个三相逆变器的正常工作。

6 结束语

按照上述方案设计的三相逆变电源，集成化程度高、电路简单、运行稳定可靠，与当前IGBT+驱动电路+数字信号处理器DSP的逆变器设计相比较，硬件电路和软件编程得以大大简化。该逆变器作为井下临时施工的便携电源、应急场合的备用电源进行了测试并取得良好效果。

参考文献：

[1]吴海东，任晓明，蒲强，等.基于SPWM控制的三相逆变器电路设计[J].电器与能效管理技术，2015（8）：43-45.

[2]周志敏，周纪海，纪爱华.逆变电源实用技术[M].北京：中国电力出版社，2007.

[3]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大W出版社，2007.

[4]富士IGBT-IPM应用手册[Z].富士电机电子设备技术株式会社，

第3篇：逆变电源的设计范文

关键词： ATmega8； TL494； 逆变器； 正弦波

中图分类号： TN710?34； TP271 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）08?0149?04

0 引 言

在风电行业中，经常需要在野外对风机进行维修，这时必须为各类维修工具和仪器进行供电。因此，设计一种便携式、低功耗、智能化的正弦逆变电源来为这些设备供电是十分必要的，可大大提高维修风机的效率。本文正是基于这种情况下而设计的一种基于单片机的智能化正弦逆变电源。

1 正弦逆变电源的设计方案

本文所设计的逆变器是一种能够将 DC 12 V直流电转换成 220 V 正弦交流电压，并可以提供给一般电器使用的便携式电源转换器。目前，低压小功率逆变电源已经被广泛应用于工业和民用领域。特别是在交通运输、野外测控作业、机电工程修理等无法直接使用市电之处，低压小功率逆变电源便成为必备的工具之一，它只需要具有一块功率足够的电池与它连接，便能产生一般电器所需要的交流电压。由于低压小功率逆变电源所处的工作环境，都是在荒郊野外或环境恶劣、干扰多的地方，所以对它的设计要求就相对很高，因此它必须具备体积小、重量轻、成本低、可靠性高、抗干扰强、电气性能好等特点。

针对这些特点和要求，研究一种简单实用的正弦波逆变电源，以低价实惠而又简单的元器件组成电路来满足实际要求，定会受到市场的普遍欢迎。当前，设计低功率逆变电源有多种方案，早期的设计方案是直接将直流电压用关管进行控制，在50 Hz方波的作用下，产生220 V的方波逆变电压。

但随着用电设备对逆变电源性能的要求不断的提高，方波逆变电源在多数场合已被淘汰，而正弦波逆变器的应用已成为必然趋势。现在，市场上低功率正弦波逆变电源的主要设计方案有3种。

1.1 一次逆变的正弦波逆变电源

该方案也是将要逆变的直流电压直接加到关管上，然后采用数十倍于50 Hz的正弦化脉冲宽度调制脉冲串对开关管直接进行驱动，之后对输出的电压实行“平滑”处理，进而获得类似于正弦波的连续变化的波形，这种方法的优点是电路一次逆变，高效而简单、但变压器过于笨重，没办法满足体积小，重量轻的要求。

1.2 多重逆变的正弦波逆变电源

该方案是将驱动开关管的50 Hz信号，分成若干相位不同而频率相同的驱动信号，分别驱动各自的开关管，使得各自的输出电压也错开一定的相位，然后再进行叠加处理，输出多阶梯的阶梯波再进行滤波就能输出所需的正弦波电压。此种方案电路较为复杂，一旦有一组开关管失效，输出的波形就有很大的失真。

1.3 二次逆变的正弦波逆变电源

随着高频开关管技术的日趋成熟，逆变电源的电路设计趋向于先变压，后变频，即先将直流电压转为高频交流电，再将高频交流电转换为50 Hz的正弦交流电源，其原理框图如图1所示。

由于开关管的价格低廉，因此组成图1的单元电路性价比高，当前市场上以此种设计方案来生产低功率逆变电源的居多[1]。

2 基于单片机控制的正弦波逆变电源

在以上列举的三种逆变电源设计方案当中，以二次逆变的正弦波逆变电源为佳。按照这种思路，早期的具体电路解决方案多采用PWM控制芯片如TL494，SG3524，SG3525A等，以固定的频率去控制DC?DC和DC?AC部分的开关管，并采用修正电路对输出的波形进行修正，以期达到正弦波的要求。但这种纯PWM芯片控制的电路，对于元件的老化、发热、受到干扰等情况无法自动加以修正，或者修正能力差，往往使得在实际的应用当中经常出现电路故障。随着单片机技术的发展，设计人员不断想将单片机引入到正弦逆变电源的控制当中，但对于高频部分的控制，低成本的单片机完成不了这个功能，高成本的单片机又会降低性价比，故本文提出了另外一种设计方案，就是采用低廉的ATmega8单片机，配合TL494，IR2110和开关管，构成一个体积小，成本低，控制能力强的正弦波逆变电源，其方框图如图2所示。

由图2可见，整个系统主要由ATmega8单片机进行控制，TL494和IR2110是否工作，全由单片机根据反馈信号作出调整。高频开关管及驱动输出部分采用单相全桥逆变电路构成。具体工作原理是采用ATmega8单片机作为系统控制的核心，利用TL494能产生高频PWM信号的功能，通过单片机对其脉冲宽度进行控制并输出，以控制高频开关管组成的全相逆变电路，将低直流电压逆变成为高压方波，并通过整流滤波之后，送到驱动输出全桥逆变电路，由单片机控制IR2110输出工频驱动信号，控制输出驱动电路输出50 Hz，220 V的正弦交流电压[2]。

3 主要电路的具体设计

整个逆变系统的核心主要由单片机控制电路与检测电路、DC/DC变换电路、DC/AC输出电路组成。

3.1 DC/DC变换电路

如图3所示，由TL494组成了高频脉冲输出电路，该电路采用了性能优良的脉宽调制控制器TL494集成块。该集成块内含+5 V基准电源、误差放大器，频率可变锯齿波振荡器、PWM比较器、触发器、输出控制电路、输出晶体管及死区时间控制电路等。该集成块的第5、6脚分别外接了C1和R6组成了RC振荡电路，可促使TL494输出频率为100 kΩ左右的高频脉冲方波信号，并由单片机的PD7引脚对图中的DCDC端进行控制。通过控制第4脚的死区时间控制端，可调节输出信号的占空比在0～49%之间变化，从而控制输出端Q1PWM、Q2PWM的输出，而P端、VCC端和VFB端则分别接收来自负载，高频逆变输出电压、输入电压的反馈信号，与TL494内部的电路组成过压、过载保护电路，形成逆变器的第一级安全保护网[3?4]。

如图4所示为高频电压逆变电路，由4只IRF3205管构成全桥逆变电路，IRF3205采用先进的工艺技术制造，具有极低的导通阻抗，加上具有快速的转换速率和以坚固耐用著称的HEXFET设计，使得IRF3205成为极其高效可靠的逆变管。从输入端Q1PWM，Q2PWM输入的高频脉冲串控制这4个管两两导通，对VIN输入的直流低压进行斩波，然后经升压变压器后，逆变成高频交流方波，此时流通的电流为磁化电流，所以选取Philips公司生产的BYV26C超快软恢复二极管组成了全桥整流电路，该管子重复峰值电压为600 V，正向导通电流为1 A，其反向恢复时间30 ns，可以满足电路的参数需求，整流后的电压经滤波电路后输出直流电压260 V，送往DC/AC逆变电路，另外260 VDC经降压处理后作为作为反馈信号输入图3中的VFB端，作为高频逆变电压的反馈信号。

3.2 DC/AC输出电路的设计

DC/AC变换输出电路采用全桥逆变单相输出，其驱动输入波形则由单片机输出信号驱动半桥驱动器IR2110输出工频驱动信号，通过单片机编程可调节该输出驱动波形的D

IR2110是IR公司生产的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路，可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，同时还具有快速完整的保护功能，因此它可以提高控制系统的可靠性，减少电路的复杂程度。如图6所示，HIN和LIN为逆变桥中同一桥臂上下两个功率MOS的驱动脉冲信号输入端。SD为保护信号输入端，当该脚接高电平时，IR2110的输出信号全被封锁，其对应的输出端恒为低电平；而当该脚接低电平时，IR2110的输出信号跟随HIN和LIN而变化，因此，在本系统中，两片IR2110芯片的SD端共同接到单片机的PB0引脚，用于实时控制IR2110是否处于保护状态。IR2110的VB和VS之间的自举电容较难选择，因此直接提供了15 V恒压，使其能正常工作。

逆变正弦电压输出电路有两种调制方式，一种为单极性调制方式，其特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压，另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗，但又不是固定其中一个桥臂始终为低频（输出基频），另一个桥臂始终为高频（载波频率），而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。另一种为双极性调制方式，其特点是4个功率管都工作在较高频率（载波频率），虽然能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗[1，5]。如图6所示，本文的逆变输出电路采用了单极性调制方式，这样可以提高波形的平滑度，增加电路的可靠性。图6中的PWM1～PWM2分别接收来自图5的输出驱动信号，驱动由4个具有500 V耐压值的IRF840开关管组成的桥式逆变电路，将260 VDC逆变成220 V，50 Hz的交流电，经LC滤波后供给负载。图6中的IFB端和ACV端，分别和为电流和电压的采样，送到单片机的PC4和PC5引脚进行A/D转换，再由单片机将转换果用于功率计算和电路保护之用[1，6]。

3.3 单片机电路及编程

本文采用的是Atmel公司生产的ATmega8单片机来进行控制的，它的工作电压范围宽，抗干扰能力强，具有预取指令功能。这使得其理速度快，引脚输出电流大，驱动能力强，输出的脉冲信号无需放大可直接驱动步进电机驱动模块，端口全内置上拉电阻，均可作为输入或输出，具体情况通过编程灵活配置，基于以上优点，选择ATmega8L单片机作为控制器，不仅可提高系统整体性能，也可简化电路。

本文主要将它应用于整个系统的信号驱动， 温度检测，风扇控制，安全保护，数据显示等。ATmega8单片机分别采集来自系统电路的温度、电流、电压，并根据这三个参数的情况分别控制启动风扇散热，控制是否输出报警信号，控制SD端和DCDC端是否使系统处于保护状态，QA1～QA4则是输出50 Hz的驱动信号，具体的编程控制如图7所示。当系统启动后，单片机先检查系统的温度环境是否正常，不正常则启动报警，并提示出错代码，如果正常则启动高频逆变电路工作，并检测260 VDC是否正常，不正常则报警，正常则启动正弦逆变电路工作，并一直检测输出的电压电流是否正常，正常则输出，不正常则报警。

4 结 语

综上所述，基于ATmega8单片机控制的正弦波逆变电源的整体设计方案，可高效、便捷的为野外作业提供所需的交流电源，该电路目前已实验成功并投入到实际的使用当中。实践证明，本文设计出来的逆变电源具有体积小，重量轻，稳定可靠的性能。

参考文献

[1] 陈永真，韩梅，陈之勃.全国大学生电子设计竞赛硬件电路设计精解[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2] 何希才，张明莉.新型稳压电源及应用实例[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3] 王擎宇.基于TL494的逆变电源的设计与制作[J].辽宁师专学报，2009，11（2）：81?82.

[4] 田松亚，顾公兵.基于TL494的PWM等速送丝电路的设计[J].河海大学学报：自然科学版，2004，32（3）：324?327.

[5] 刘萌，邓琛，李萍，等.基于PIC16C73B单片机的逆变电源的设计[J].电源技术应用，2011（3）：42?45.

第4篇：逆变电源的设计范文

关键词：地铁车辆；辅助电源；节能

辅助电源系统是车辆牵引控制系统的重要组成部分。SIV为车辆客室空调机组及通风装置、空压机、电加热器、交流照明等交流负载提供三相与单相交流电源；充电机为车载各系统控制电路、直流照明、电动车门及车载信号与通信设备提供直流电源并给蓄电池组充电。辅助电源系统工作的安全性、可靠性对车辆正常运营具有重要影响。在车辆设计的前期就需要对系统的构成、容量范围、功能与性能要求等进行计算、分析和对比，选择合适的系统及设备、合适的参数来构成最优的辅助供电系统，满足车辆运营要求、降低系统的全寿命周期成本。

1、直接逆变方式

直接逆变辅助电源电路结构原理是地铁车辆辅助逆变电源最简单的基本电路结构形式。开关元器件通常可采用大功率GTO，IGBT或IPM。辅助逆变电源采用直接从第三供电轨受流方式，逆变器按V/f等于常数的控制方式，输出三相脉宽调制电压向负载供电。这种电路的特点是电路结构简单、元器件使用数量少、控制方便，但缺点是逆变器电源输出电压容易受电网输入电压的波动影响，输入与输出不隔离，输出的电压品质因数差、谐波含量大、负载使用效率低。

2、斩波降压逆变方式

斩波降压加逆变方式的辅助电源电路结构主要由单管DC/DC斩波器、二点式逆变器、三相滤波器、隔离变压器和整流电路组成。逆变器输出经过三相滤波后，输出稳定的正弦三相交流电压，作为驱动空调机、风机等三相交流负载电源，同时三相交流电压经变压器和整流后，可实现电源的多路直流输出。其特点如下。三相逆变器输出电压不受输入电网电压波动的影响，DC/DC斩波的闭环控制可以保持逆变器输入电压的恒定。每台辅助逆变电源斩波器只需一只大功率高压IGBT元件，逆变器可以采用较低电压的IGPT元件。由于逆变器输入电压恒定，对于只要求#+#，控制的逆变器来说，只需要一定数量的梯波输出，即可保证逆变器输出稳定的脉宽调制电压，谐波含量小于5%。斩波器分散布置在每台车的电源上，机组结构统一。对于供电网，虽然每台电源斩波的开关频率相同，但它们之间的斩波相位差是随机的，同样可实现斩波器多相多重斩波作用。隔离变压器的使用实现了电网输入与输出负载之间的电气隔离。（图一）

3、两重斩波降压逆变方式

与单管直接DC/DC斩波降压逆变方式的辅助电源电路基本相同，两重斩波器替代了DC/DC单管斩波器，开关元器件可采用GTO或IGBT。其特点是采用两重斩波器，当上、下两个斩波器控制相位互相错开180°时，可以使斩波器的开关频率相应提高一倍，因而可大大减小滤波装置的体积和重量，降低逆变器中间直流环节电压的脉动量，提高辅助逆变电源的抗干扰能力。两重斩波器闭环控制起到了稳压和变压作用，因此可提高逆变器的输出效率。两重DC/DC斩波器与单管斩波器相比，开关元器件和斩波器的附件多了一倍，但管子的耐压可降低一半，提高了元件的使用裕度和设备的安全可靠性。直流供电网与负载之间的变压器隔离以及相应设计的滤波器，可以保证逆变器输出的三相交流电压谐波最小，且可降低对负载过充电压的影响，提高负载的使用寿命。

4、升降压斩波逆变方式

升降压斩波加逆变的地铁辅助电源的前级斩波是由一个平波电抗器及两个开关管、二极管和储能电抗器构成，升降压斩波器本质上相当于两相DC/DC直流变换器，控制系统采用PWM控制方式。两个开关管交替通断，按输出电压适当地控制脉冲宽度，可以获得与输入电压相反的恒定直流输出电压。后级逆变输出由两点式三相逆变器和三相滤波器组成。斩波器和逆变器开关元器件可采用GTO或IGBT，IPM等。此电路的特点是：电网电压的波动不影响斩波器输出电压的恒定稳定，当电网电压高于斩波器输出电压时，斩波器按降压斩波控制方式工作；当电网电压低于斩波器输出电压时，斩波器按升压斩波控制方式工作。两个开关管的交替导通和关断，提高了斩波开关频率，降低了储能电抗器体积和容量以及开关器件的电压应力，减小了输出电压的脉动量。

综上所述，采用静止辅助逆变电源代替传统的直流发电机组供电装置，已是地铁与轻轨城市轨道交通发展的必然趋势。静止辅助逆变电源方案的选择，应结合国内电力电子技术的发展、元器件的使用水平以及国外地铁电动车组辅助逆变电源的发展方向，研制和开发出适合我国城市轨道交通地铁和轻轨车辆的辅助逆变供电系统。地铁静止辅助逆变电源的研制成功标志着我们已具备了开发和生产国产化地铁辅助电源的能力。

参考文献：

第5篇：逆变电源的设计范文

【关键词】通信设备；电源；改造；可靠性

1改造背景

扬州地区电力通信网经过多年来不断的建设与发展，已经形成了光纤通信和微波通信为主要通信方式的一个综合数据传输平台，承载着信息管理系统、调度生产管理系统、保护安控系统、可视会议系统、行政、调度交换机系统等多种业务。担负着扬州辖区内三级以上的通信设备的运行维护工作，以及扬州地区市到县通信网和城区网的运维工作。

图1为早期的通信机房电源系统框图，从中可以看出，直流负载由于有蓄电池组作为后备电源，在市电供电异常的情况下，能保持稳定工作。但交流负载却会有断电情况的发生，因为不管是自动还是手动切换，只要是机械切换方式，交流无输出的时间段足以引起交流负载复位。好在时间比较短，通信设备恢复起来也比较快，而且这种现象的发生也比较偶然，所以也能接受。

通过增加1套并联式逆变电源系统，可有效避免了交流负载断电情况的发生，做到了同直流负载一样不受市电输入切换的影响。

该逆变电源系统的工作原理是：正常情况下有-48V直流供电，逆变后产生220V交流电，经配电后供交流负载。当-48V直流供电异常或需要检修时，可通过静态开关自动或手动切换到交流供电，正常后可手动恢复到逆变工作状态。在切换过程中，交流输出不会中断。

整流通信电源的负载率越来越大，越来越有必要切断逆变电源的供电，这样才能使整流通信电源的负载率处于合理的范围内。同时也是考虑到当发生断电时，按当初负载容量配置的后备蓄电池组同时供不断增大的交流负载和直流负载持续稳定的供电时间会大打折扣，出现严重问题的概率有明显的上升，这些不得不防范。

原有的的逆变系统设计容量偏小，只能负载容量为40A以下的通信设备，随着公司的电网的大力发展，负载容量已接近极限，扩容势在必行。

交流负载接线有待完善，先有不少具有双交流输入电源模块的服务器设备，虽然有了冗余功能，但却是单电源引入，万一该路断电，还是造成设备停止工作，没有更好地发挥该设备的双电源冗余功能。

2改造方案

在STS屏内采用了3只单相输入的STS静态切换装置，而不是采用1只三相静态切换装置来实现两路三相输入电源的切换。这样进一步缩小了因STS故障对负载影响的范围。为完全避免此类问题，今后随着技术发展，可采用模块化的带热插拔功能的STS装置进行STS分配电源系统设计。

3改造过程

3.1UPS交流分配屏安装

直接拆除原先的-48V直流输入，220交流输出的逆变电源系统，利用大容量UPS电源系统作为主备输入。具体实施过程如下：

（1）将UPS交流分配屏安装在原先的容量为40A的逆变电源屏旁边。

第6篇：逆变电源的设计范文

关键词：开关电源；Matlab；正弦波逆变器；脉宽调制

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2009)04-001-03

Simulation Research of Switching Power Supply Based on PWM

WANG Bing,ZHANG Runhe,SUN Yanxia

(Information Engineering College,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot,010051,China)

Abstract：The switching power-supply system can be symbolized by mathematical model or nonlinear control model.A discrete and nonlinear simulation model of switching power supply is established by Matlab,it is used in the simulation of the 220V high frequency switching power supply.The simulation analyzes the working process and dynamic characteristics of inverter,as well as the input voltage,spectrum and THD (Total Harmonic Distortion) of inverter.The waveform of output voltage is analyzed and conclusion is drawn.The results indicate that:its harmonic content is quite few and the stable state performance is good.

Keywords：switching power supply;Matlab;sine wave inverter;pulse width modulation

0 引 言

通过数学的方法，把小功率开关电源系统表示成数学模型和非线性控制模型，建立一种开关电源全系统的仿真模型，提高了仿真速度。Matlab是一个高级的数学分析软件，Simulink是运行在Matlab环境下，用于建模、仿真和分析动态系统的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性及非线性系统。

在Matlab 5.2中推出了电力系统工具箱，该工具箱可以与Simulink配合使用，能够更方便地对电力电子系统进行仿真。随着电源技术的发展，PWM控制的开关电源得到了广泛的研究和应用，如通信电源，机车电源等。这里以220 V高频开关电源为研究对象，建立模型。该电源采用脉宽调制控制方式，实现了减轻重量、缩小体积、提高精度等多项指标要求，在开关电源的系统模型研究中极具代表性。主回路采用DC-HFAC-DC-LFAC结构［1］，并利用Matlab建立一个离散的、非线性的模型。分别对系统进行开环和闭环仿真，并对仿真结果进行比较与分析。

1 电路原理图

电路原理如图1所示。

图1 逆变电源原理图

2 仿真电路

图2中各子模块的仿真模型如图3～图10所示。该系统的仿真参数为：直流升压电路仿真参数设置：工作频率f=20 kHz；变压器变比k=13；输出滤波L=8 μH,C=300 μF。全桥逆变电路仿真参数设置：工作频率f=25 kHz，输出滤波L=80 mH,C=100 μF。这里设置相应仿真参数进行仿真调试。

图2 逆变电源Simulink仿真模型

2.1 输入回路的建模

使用电力系统工具箱的电源模块以及电阻电容模块可以很便捷地建立输入回路的仿真模型。输入采用两级LC直流输入滤波技术［2］，在保证稳态滤波效果的同时，限制了瞬态谐振峰值，具有无功耗，高衰减，可控谐振峰值等优点。

图3 输入模块仿真模型

2.2 DC-DC回路的建模

由图1可知，输出回路中的整流二极管不能流过反向电流，这也是一个非线性环节，建立非线性的数学模型。

2.2.1 DC-DC主电路的建模

根据图1可知，滤波电感中电流为：

IL=1L∫ULdt=1L∫(Ui－UF)dt（1）

式中：Ui为不控整流的输出电压；UF为负载电压；UL为电感电压；负载电压为：

UF=UC=1C∫ICdt=1C∫(IL－IF)dt（2）

式中：UC电容电压；IL为电感电流；IC为电容电流；IF为负载电流。

图4 DC-DC升压电路仿真模型

2.2.2 PI调节器的建模

比例积分调节器仿真模型（PI）如图5所示。

PI调节器的输出波形如图6所示。

2.2.3 PWM控制器的建模

仿真利用积分关系来产生三角波，Simulink中Sources有脉冲发生器(Pulse Generator)，使其产生频率为20 kHz，幅值为4×104，占空比为50%的信号。

图5 比例积分调节器仿真模型（PI）

图6 PI调节器的输出波形

图7 脉冲宽度调制模型仿真模块（PWM）

图8 三角波与脉冲波的仿真结果

2.3 逆变电路的建模

逆变电路仿真模型（Inverter）如图9所示。

2.3.1 PI调节器的建模

比例积分调节器仿真模型（PI1）如图10所示,其输出波形如图11所示。

2.3.2 SPWM的建模

正弦宽度调制模型仿真模块（SPWM）如图12所示。

图9 逆变电路仿真模型

图10 比例积分调节器仿真模型（PI1）

图11 PI1调节器的输出波形

图12 正弦宽度调制模型仿真模块（SPWM）

2.4 输出回路的建模

输出及显示模块仿真模型（output）如图13所示。

图13 输出及显示模块仿真模型（output）

3 仿真结果

建立Simulink系统仿真模型，仿真模型设置仿真时间0.3 s，并选择变步长的ode15算法，在输入电压为48 V，负载为额定负载情况下，启动仿真可得其输出波形，输出电压波形图和THD频谱图如图14和图15所示。

3.1 开环仿真

开环仿真如图14所示。

3.2 闭环仿真

闭环仿真如图15所示。

图14 开环仿真图

图15 闭环仿真图

从频谱分析上可以看出，开环时，总谐波系数（THD）为3.02％，且三次谐波含量比较大。闭环时，总谐波系数（THD）为0.07％，谐波含量非常少。

从电压波形上可以看出，开环时电压输出波形在第3个周期才达到稳定，而闭环时在第2个周期就达到了稳定，所以闭环时电压达到稳定值的速度比开环时要快。

4 结 语

该模型不仅可用于来考查系统内部主要状态的瞬态变化过程，还可用于来对控制回路进行分析和设计。这对于提高控制系统的性能具有现实意义和研究价值。用数学方法实现开关电源系统的建模，选择仿真时间为0.3 s，完成仿真只要40 s左右，不仅避免了其他工具的极慢仿真速度，还提高了仿真的可靠性。Simulink是控制系统仿真的一种功能完善、实现系统控制容易、构造模型简单的强大的动态仿真工具。

参 考 文 献

［1］林渭勋.现代电力电子电路［M］.杭州:浙江大学出版社,2002.

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［4］李强,周希德.车载单相正弦脉宽调制IGBT逆变器的研制［J］.电力电子技术,1997(1):23-26.

［5］陆治国.电源的计算机仿真技术［M］.北京:科学出版社,2001.

［6］Abraham I Pressman.开关电源设计［M］.王志强,译.北ぞ:电子工业出版社,2005.

［7］Gent K Andersen.A New Green Power Inverter for Fuel Cell\.IEEE Trans. on Power Electronics,2002.

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［9］刘凤君.正弦波逆变器［M］.北京:科学出版社,2002.

［10］盖志武，李东升，宋蛰存.脉冲调宽式逆变电源的建模及仿真［J］.计算机仿真,2003,20(3):97-99.

［11］Xie Shaojun,Fang Ying,Zhou Dake.Research on a Novel Inverter Based on DC/ DC Converter Topology［J］.Journal of Southeast University,2002(12):341-345.

［12］Duan Shanxu,Liu Bangyin,Kang Yong,et al.Repetitive PD Control Strategy with Inverse Transfer Function Compensation for CVCF Inverter［J］.Journal of Control Theory and Application,2004:121-125.

［13］郭龙钢,刘兆魁.基于Matlab/Simulink的电力电子电路仿真［J］.河南科技大学学报,2005,26(5):42-46.

作者简介 王 冰 男，1983年出生，山东菏泽人，硕士研究生。研究方向为电力电子与电力传动。

张润和 男，1960年出生，内蒙古人，副教授。主要研究方向为电力电子与电力传动。

第7篇：逆变电源的设计范文

关键词：PIC单片机；正弦脉宽调制；逆变电源；仿真

作者简介：贺辉（1963-），男，山东聊城人，河北省精密数控专用设备工程技术研究中心，工程师。（河北 保定 071000）马t明（1991-），女，河北保定人，燕山大学电气工程学院本科生。（河北 秦皇岛 066004）

基金项目：本文系河北省重大科技创新项目资助课题（课题编号：122121012）的研究成果。

中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）02-0227-02

随着科学技术的进步，电源质量越来越成为各种电气设备正常和良好工作的基础。电源技术领域的一个持续的研究课题即是研究作为电子信息产业命脉的电源的可靠性和稳定性。而逆变器作为电源的核心部分，其调制技术很大程度上决定了电源输出电压的质量。目前最常用的调制技术是正弦脉宽调制（SPWM）。随着单片机的出现及其广泛应用，智能化控制方法已经逐渐替代传统的分立元件电路产生方法或是专用芯片产生方法。智能化逆变电源的优势在于它不仅能实现调制信号的输出，还为系统数据参数的监控、处理及显示提供接口。同时它与现代计算机技术更好地结合产生了故障自诊断和自我保护功能，可提高系统的稳定性。

在充分考虑工业控制成本及稳定性要求的前提下，本设计采用PIC单片机作为控制核心，再辅助相关外部电路，组成一个具有稳定和智能化等优点的逆变电源控制系统。

一、具体电路设计

单相桥式逆变电路如图1所示。[1]电路正常工作情况下，两对开关管需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制，使VT1、VT4同时通断和VT2、VT3同时通断。输入直流电压为220VAC，逆变器的负载为R。当开关VT1、VT4接通，VT2、VT3断开时时，电流流过VT1、R和VT4，负载上的电压极性是左正右负；当开关VT1、VT4断开，VT2、VT3接通时，电流流过VT2、R和VT3，负载上的电压极性反向，直流电即转变为交流电。若要改变输出交流电频率，改变两组开关的切换频率即可，继而得到正负半周对称的交流方波电压。负载为纯阻型时，负载电流电压波形相同，相位也相同；负载为感性时，电流滞后于电压，二者波形不同。输出为相当于三个差120°相位的单相逆变电路的叠加，即三相逆变，其原理不再赘述。

二、产生PWM波芯片选择

本设计电路为单相全桥逆变电路，其主电路是典型的DC-AC逆变电路。由单片机对LC滤波后的电压进行AD采样，把所得的数据输入到PIC16F873单片机，由PIC16F873单片机芯片对数据进行处理，并输出相应的SPWM信号给IR2136驱动电路，控制逆变电路的开关管通断，从而控制逆变器的输出，调节电流监测系统的工作温度，保护控制系统电路。另设有键盘、控制频率及幅值，同时显示模块，用于显示系统的工作状态。

PIC16F873单片机电路是此系统的控制核心电路，主要发挥以下两个方面的作用：为驱动电路提供SPWM控制信号，控制逆变桥的通断；对输出电压进行AD采样。

集成电路IR2136芯片主要作用是产生相应的触发电平来控制逆变电路的开关管通断，从而控制逆变器的输出。除此以外，由于系统输出的不仅有SPWM波，还包含低次以及高次谐波。本设计采用了LC滤波电路以达到最终输入标准正弦波的目的。[2]ω=2R/L为其截止角频率，R为公称阻抗，设截止频率为fc，则有：

L=2R/w= （1）

C=L/R2= （2）

三、系统软件设计

软件设计的核心部分是SPWM信号的产生。本设计采用三角波作为载波、正弦波作调制波的对称规则采样法较为经典，得到一系列幅值相等但宽度不等的矩形波。然后使用在线计算的方法计算矩形波的占空比：[3]

设N为载波调制波比，即有N=fc/fr。其中fc为载波频率，fr为调制波频率。本系统的SPWM信号由单片机产生，故载波频率可由下式计算：

fc=fOC1BPFCPWM= （3）

其中，变量N代表分频因子（1、8、64、256或1024），fclki/o是MCU时钟。

设M=UR/UC，为调制深度，其一般取值范围为0～1，其中UC为载波幅值，UR为调制波幅值。改变调制波的幅值就能使输出的基波电压幅值发生变化。

根据规则采样法的原理，假设一个周期内有N个矩形波，则第i个矩形波的占空比Di为：

Di=0.5+0.5Msin （4）

通过设置单片机，利用上述公式计算出占空比使之与计数器的TOP值相乘形成一个正弦表。然后将数据送到比较寄存器中，配置单片机I/O口寄存器，在PD4口输出SPWM信号。整个SPWM产生程序流程图及实时反馈图如图2：

常用的正弦调制法分为同步调制法和异步调制法。同步调制法在调制波的频率很低时，容易产生不易滤掉的谐波，而当调制波频率过高时，开关元件又难以承受；异步调制法的输出波形对称性差，脉冲相位和个数不固定。本软件设计时采用了分段同步调制法，[4-6]吸收上述两种方法的优点，且很好地克服各自的缺点，得到特性较好的正弦波。其具体操作为：把调制波频率分为几个载波比不相同的频段，在各个频段内保持载波比恒定，通过配置单片机内部的载波频率实现输出基波频率的变化，即改变计数器的TOP值，实现调频功能。选取的原则为：输出频率高的频段采用低载波比，输出频率低的频段采用高载波比。同时，载波比选取为3的倍数以得到严格对称的双极性SPWM信号。本系统中将频段分成五段，具体见表1：

对输出电压的实时反馈是软件设计的关键部分。电网的波动或是负载的变化可能导致输出电压不稳定，因此为了实现输出电压的动态稳定特性，在系统中加入PID增量数字闭环控制，公式如下：

（5）

根据单片机编程需要，将上式做如下改变：

（6）

其中Kp=1/σ是比例系数，Kl=KpT/Tl是积分系数，Kl=KpTD/T是微分系数。结合单片机中的A/D转换功能模块与PID闭环控制，可以很好地修正各开关周期的脉宽，达到动态稳定的目的。

四、逆变仿真结果

在逆变部分的仿真中，本系统使用的是MATLAB中的SIMULINK组件。电路原理为利用PIC16F873单片机输出PWM波控制IR2136进而控制晶闸管的栅极导通，从而实现变频调幅。

在此三相逆变电路中，运用三相全桥进行LC滤波之后得到输出。同时，该系统中还包括一个电压负反馈和一个电流负反馈系统。这样的设计可以对一些扰动起到一定的抵抗作用，使得输出的三相电压较为稳定，有较好的相角裕度和一定的幅值裕度，但在实际的逆变过程中可能出现同一桥臂的两个IGBT同时导通所导致的短路现象。考虑上述情况后，对上述电路原理图进行了改进，如下图3所示，加入了死区，其仿真结果如图4所示：

在图4中波形在下波峰处发生畸变，这是由于在下桥臂上引入了死区非线性所导致的结果，属于附加畸变。

五、结论

上述的实验结果表明，工业条件下对于电源的要求可通过利用PIC16F873单片机输出PWM波控制IR2136进而控制晶闸管的栅极导通的方法实现，且该方法具有谐波较小、滤波电路较为简单的优点。因此，它在高性能中变频调速、直流并网等领域有着广泛的应用前景。同时，采用单片机来产生SPWM信号有着不可比拟的优势，是智能化电源领域的必然发展趋势。

参考文献：

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[2]周志敏，周纪海，纪爱华.电路设计实例[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[4]林尚丰，缪传杰，钟龙平，等.基于AVR单片机的逆变电源系统研究[J].厦门大学学报（自然科学版），2009，48（5）：696-697.

第8篇：逆变电源的设计范文

【关键词】交直流一体化；电源；系统智能化

1 传统变电所站用电源分散设计存在的问题

一直以来，变电站站用电源包括交流电源系统、直流电源系统、UPS不间断电源系统、通信电源系统等，每个系统采用分散设计，独立组屏，不同设备由不同的供应商生产、安装、调试，各个供电子系统也分配不同的专业人员管理。这种分散设计与管理，存在着诸多问题：

1）站用变电源难以实现网络化系统管理

由于交流系统、直流系统等设备由不同厂家提供，所以通信规约一般不兼容，很难实现网络化系统管理，自动化程度低。由于没有统一的监控设备对整个站用电源进行管理，不能实现系统数据共享，无法进行站用电源协调联动、状态检修等深层次开发应用。

2）设备管理的可靠性降低

由于占用所有设备的信息不能网络共享，对于一些设备的故障和报警不能够综合分析和管理，不同专业的巡检人员分别管理各个电源子系统，缺乏对系统的综合分析判断，及时发现事故隐患。

3）重复运用、经济性较差

站用变中各系统设备由不同供应商提供，缺乏综合性考虑，造成配置重复使用，一次性投资显著增加。如：直流电源，UPS不间断电源、通讯电源分别配置独立的蓄电池，浪费严重；交流系统配置电源自动切换设备（ATS），充电模块的交流输入侧又重复配置，既浪费又影响设备之间协调运行。

4）设备维护不方便，增加成本

由于供应商之间利益与管理的差异性比较大，当设备出现故障的情况下，各个厂家到现场处理问题的速度不同，缺乏统一性的沟通，使处理问题的效率降低。

站用变的所有设备分配不同专业人员进行管理：交流系统与直流系统由变电人员进行运行维护，UPS由自动化人员进行维护，通信电源由通信人员维护。人力资源不能总体调配，通信电源、UPS等也没有纳入变电严格的巡检范围，可靠性得不到保障。

2 智能一体化电源设计方案及特点

图1 一体化电源一次原理图

通过上述对站用变设备分散设计存在的问题，针对性提出了智能交直流一体化电源的设计思路，来实现：第一，建立站用电源统一网络智能平台；第二，消除站用电源隐患；第三，提高站用电源管理水平；第四，进行深层次开发，提高站用电源安全与智能化水平。

1）智能交直流一体电源的定义

站用交直流一体化电源系统是指：将站用交流电源系统、直流电源系统、逆变电源系统、通信电源系统统一设计、生产、调试、售后服务，通过网络通信、设计优化、系统联动方法，实现站用电源安全化、网络智能化设计，达到效益最大化目标。

智能站用电源交直流一体化系统包括：交流电源子系统、直流电源子系统、逆变电源子系统、通信电源子系统、一体化监控子系统。

2）技术优势

智能交直流一体化电源系并不是对交流、直流等子系统的简单拼装，其主要技术特征表现在：

（1）网络智能化设计：通过一体化监控器对站用交流电源、直流电源、逆变电源、通信电源进行统一监控，建立统一的信息共享平台，实现网络智能化。支持61850通讯规约。

（2）对交流子系统进行安全、智能化设计：①进线采用ATS自动转化开关、实现电气与机械双闭锁；②馈线采用固定式安装技术；③统一监控管理，实现“四遥”功能等。

（3）优化蓄电池配置：①可取消UPS，使用逆变器直接挂于直流母线代替；②取消通信蓄电池组及充电设备，使用DC/DC变换器直接挂于直流母线代替。

3） 智能交直流一体化电源的特点

（1）实现对站用电源网络化、智能化、一体化程度的提高

对站用电源中的交流系统、直流系统、逆变电源系统、通信进行统一监控和管理，能够合理解决原有厂家分散设计造成的通讯规约不兼容等问题，提高系统网络化、智能化程度。

①各个子系统智能监控机通过通信网络连接到一体化总监控，一体化监控器1个通信口、一种规约接入综自/调度系统；

②在一体化电源的总监控就可以查看各子系统的电压、电流、开关量等数据，通过修改系统参数、运行方式、遥控开关，实现站用电源“四遥”功能；

③统一的信息共享平台，可以提高站用电源综合自动化应用水平。

（2）提高站用电源的安全性、可靠性

所有设备均采用成熟可靠技术，其本身不存在任何技术风险，通过一体化设计可以有效避免站用电源的安全隐患。

①蓄电池一体化设计，避免了UPS蓄电池与通信电源蓄电池维护不精细、损坏不能及时发现的问题

②对站用变电源出现的某一处故障进行综合分析，及时发现潜在问题；

（3）提高站用电源管理水平

一体化电源便于集中管理全站电源系统，提高站用电源的整体管理水平。由固定维护人员同时管理、维护全站电源，便于统一调配人力资源；将通信电源、UPS等纳入到整个系统当中，便于对信息的进行综合分析，及时发现事故隐患。

【参考文献】

第9篇：逆变电源的设计范文

【关键词】模块化UPS；逆变器并联；下垂控制；无互联线控制

不间断电源UPS（Uninterrupted Power Supply）出现于上世纪80年代，它解决了传统市电直接供电模式下电能质量差、可靠性低等问题，并开始为重要负载提供电能保障。随着用电负载对供电容量、可靠性方面越来越高的要求，传统UPS暴露出了诸如扩容难、维修性差不足。为解决这些问题并进一步满足用户对电能的质量和可靠性要求，基于高频链的模块化UPS技术正被广泛关注和研究。模块化UPS采用N+X冗余供电，在扩展性、可靠性和维修性方面较传统UPS有了长足的进步，成为未来UPS发展的一个重要方向。实现模块化的关键是逆变模块之间的并联均流控制，要求各个模块同步输出，即同幅、同频、同相，否则在逆变器间将会产生很大的环流，对并联系统造成不良影响甚至崩溃。

近年来随着数字信号处理器的广泛应用，极大地推进了UPS逆变模块并联均流控制技术的发展。实现逆变器并联均流控制的方法很多，就模块间有无控制连线而言，逆变器并联控制技术可分为有互联线逆变器并联控制和无互联线逆变器并联控制两大类。有互联线逆变器并联控制的主要思想是从传统直流电源的并联技术而来，是一种主动负载均分技术，使用较多的主要有集中控制、主从控制、分散逻辑控制。其中集中控制和主从控制在任意时刻都依靠于一个控制单元；分散逻辑控制是独立控制方式，可实现模块自我控制。尽管使用这些控制技术已经相对成熟，并且在输出电压调节和模块均流方面都取得了不错的效果，但是模块间不可或缺的信号连线却始终制约着有互联线逆变器控制技术的发展，并极大地降低了系统的可靠性和扩展性。无互联线逆变器控制的主要思想来源于下垂特性理论。针对逆变器输出的有功功率及无功功率，通过调节逆变器输出电压的幅值及频率，实现逆变模块间均流控制，相比有互联线控制，由于无互联线控制中逆变模块之间没有互联线，每个模块只需检测本模块输出信息，通过解耦计算就可直接得到控制信号实现对自身的控制，所以基于下垂法的无互联线控制具有很高的可靠性和灵活性。

1.环流分析

理想UPS中每个逆变模块的输出电流应相等以实现输出功率的均分，然而实际制作中每个逆变器模块的参数无法完全一致，加之线路阻抗的不同，使得各逆变模块输出电压的幅值和相位无法在任意时刻精确相等，导致各逆变模块间输出功率均分和电流无法精确均分，这将引起逆变器模块间的环流，对设备造成极大伤害，尤其是在系统空载或者轻载的情况之下甚至损坏系统，因为当模块间出现环流时，有的模块将吸收有功功率，从而运行在整流模式，这将导致直流侧电压上升，并对直流侧电容造成损坏。

因此对逆变器间环流进行分析十分重要，为此我们建立如图1所示的两台逆变器并联系统等效模型：

设E1∠φ1、E2∠φ2分别为逆变器1和逆变器2的出电压；r1+jX1和r2+jX2分别为逆变器1和2的输出阻抗和导线阻抗之和，负载为R，且负载电压为V

根据欧姆定律可以得到：

（1）

（2）

（3）

将式（1）、（2）带入式（3）中，并假设在并联系统中输出阻抗和线路阻抗中的阻性成份r1=r2≈0；系统并联运行时，逆变器间的输出电压相位差别很小，使得sinφi=φi，cosφi=1；逆变器模块组成部分参数差异不大，近似认为X1=X2=X。

得到经过简化后的有功功率和无功功率为：

（4）

（5）

对式（4）两边同时微分可得：

（6）

由于φ《E，所以ΔE×φ《E×Δφ，且ΔE×Δφ的值很小，故简化得到：

（7）

同理可得：

（8）

由此可知，在实际系统中由于每台逆变器模块的输出阻抗不同，导致逆变器模块间输出电压产生幅值差和相位差，使得各逆变器输出有功无功不均，形成环流。然而可以通过对输出电压的幅值和相位进行调节，实现对有功无功的控制。为了避免环流的产生，人们提出了许多控制策略，但就并联UPS模块间有无互联线而言，可分为两大类，即有互联线逆变器并联控制和无互联线逆变器并联控制。下面将对这两类控制方式依次介绍。

2.有互联线逆变器并联控制

2.1 集中控制

集中控制思想为建立一个控制中心，对各模块输出电压电流信息统一收集并处理，且所有逆变模块的控制指令由控制模块统一下达。其原理框图如图2所示，假设各单元中电流差是由电压幅值不一致造成的，直接把电流差作为电压指令的补偿量以消除电流的不平衡。

图2 集中控制原理框图

如图2所示，并联控制单元首先检测交流母线电压的频率和相位，以此为基准，得到输出电压参考频率f*，通过每个逆变模块中的锁相环PLL（PhaseLockLoop）进行锁相，使得每个逆变器输出电压频率一致；然后检测负载电流iL，iL除以并联模块数N后得到参考电流iref，用本模块输出电流i减去参考电流iref后得到的Δi作为输出电压补偿量，计算得到输出电压参考值V*；最后用V*与f*合成参考电压Vref，实现输出功率和电流的均分。

集中控制是最早出现的控制方法，其原理相对单且易于实现，但是由于系统共用一个集中控制中心，一方面使得并联系统难以实现真正的模块化，另一方面如果该控制单元出现故障，则整个系统就会瘫痪，无法运用到大型分布式系统之中。

2.2 主从控制

人们为了解决集中控制下由于控制中心唯一造成的系统可靠性较差问题，开始将控制单元做到每台逆变电源中，运行时选择一台主控逆变电源负责完成并联控制功能，其他逆变电源做从机，这就是主从控制基本思想。传统主从控制主要分为三类：单主机模式、轮流主机模式和最大电流主机模式。并联系统工作时首先起动的逆变电源为主机，行使控制功能，其他逆变电源则为从机，依照主机给出的同步基准信号工作。这种方式克服了集中控制下控制单元出现故障逆变电源就不能运行的缺陷，只要仍有逆变电源正常工作，就可切换主机并继续运行。图3给出了主从控制原理框图。

图3 主从控制原理框图

主从控制系统中增加了并联网络状态的传输信号线BL、反映模块状态的主从标志MI以及可控开关K，若一个模块被选为主模块，则该模块将向网络状态信号线发出信号，标志此时系统内已有主机，同时闭合开关K，将本模块计算得到的控制信号通过公共同步基准信号线传递给其余从模块；对于其余从模块而言，启动时检测到网络状态线BL=1，说明此时系统有主机，则开始接收主模块传递的控制信号对本模块进行控制。

这样，主模块以电压源逆变器运行，而从模块以电流源逆变器运行。主从控制较集中控制的可靠性有所提高，当主模块失效时，系统中任意一个从模块将会取代主模块的角色为整个系统提供输出电流参考信号，以避免整个系统的失效。然而从主模块故障，到从模块切换为主模块过程中系统可能因失去同步而出现大规模失效，同时各模块的控制逻辑判断电路复杂，故可靠性不高。

2.3 分散逻辑控制

从集中控制发展到主从控制，都未能解决系统在任意时刻需要一个控制单元而造成的稳定性和可靠性差的问题。人们设计出一种不依赖于集中控制单元或某个主模块的控制策略，实现独立检测、控制本模块工作状态并合理分配模块间的输出功率、抑制环流的方法，称为“独立并联控制技术”。如图4所示为分散逻辑控制原理框图。

图4 分散逻辑控制原理框图

如图4所示，单个逆变模块通过信号总线接收其余各模块输出信息，计算后得到输出电流平均值I/n作为本模块的参考输出电流，模块实际输出电流与参考输出电流之差ΔI经过电流环后得到输出电压参考幅值U*，输出电压参考频率f*则通过锁相环对交流母线电压锁相后得到，最后合成输出电压参考Uref，实现模块间的均流控制。

分散逻辑控制综合系统中各逆变器输出信号，计算并得出控制信号，这种方式可实现真正的N+1并联运行，当一个模块故障退出时，并不影响其他模块的并联运行。相对于集中控制和主从控制，分散逻辑控制去掉了集中控制单元，更容易实现扩容和冗余，可靠性也得到提高，但是作为有互联线控制策略的一种，各逆变模块之间仍存在控制互联线，使得整个系统会变得复杂，可靠性低。

3.无互联线逆变器并联控制

综上所述，可以看出随着有互联线控制策略的发展，逆变器并联系统的可靠性和冗余性有了很大提高，但正是模块间互联线的存在，系统不仅可靠性和灵活性仍然受到很大制约，且干扰严重，无法适应现代电源从传统集中式供电到分布式供电的转变，因此人们开始探索一种取消模块间互联线的控制方式，即无互连线并联控制。

3.1 无互联线并联控制基本思路

在有的文献当中，无互联线控制技术又被称作独立控制和下垂控制，其核心思想来源于大型交流发电机实际工作中输出电压频率随着输出功率增加而下降这一现象。无互联线控制下模块检测自身输出电压和电流，通过计算得到本模块控制信号并进行控制，实现均流。其理论依据为：如式（7）、（8）推导，通过利用逆变器输出有功与输出电压频率、输出无功与输出电压幅值之间存在下垂关系，通过控制输出电压的幅值与频率，调节模块输出有功无功。

如图5所示为无互联线控制原理框图，使用无互联线控制每个模块仅采集本模块输出量信息，经过一定算法的计算后就可以形成控制信号，不再需要收集其余逆变模块状态信息，真正实现了模块间的电气隔离，整个系统的可靠性和灵活性得到了很大提高，无互联线控制的优点有：系统中模块完全独立，易实现冗余系统，提高了系统的可靠度；系统易实现安装和扩容；系统抗外界干扰能力加强。但是，无互联线控制也存在控制方式复杂，难于实现高速数字化等不足。

图5 无互联线控制原理框图

3.2 基于电力线通信的无互联线逆变器并联控制

电力线通信并联基本思想和分散逻辑控制相同，只不过是通过扩频芯片将逆变器模块的信息叠加到交流母线上进行传播，当信号传输到其余逆变模块时，再通过信号解调芯片将信号分离出来供各逆变器模块所共享。相对于有连线控制的并联系统，电力线通信控制的并联系统确实可以提高系统的稳定性，而且可以获得较好的均流效果，但是由于采用了信号调制和解调芯片，一方面增加了成本，另一方面由于在输出交流母线上叠加了高频信号，不仅降低了输出电压波形的质量，而且控制系统易受到电磁信号的干扰，因此系统的电磁兼容性较差。

4.结论

本文介绍了几种逆变器并联的主要方法，随着供电模式的改变和用户对电能质量要求的提高，UPS模块化已成为UPS的发展方向，而UPS逆变器并联控制技术也成为实现UPS模块化的核心技术，纵向比较有互联线控制和无互联线控制可知道，有互联线控制相对比较成熟，但是受到互联线的制约，发展前景极为有限；相反由于模块间无互联线，模块真正意义上实现了电气隔离，无互联线控制必将成为未来UPS逆变器并联控制技术的发展方向。

参考文献

[1]段善旭.模块化逆变电源全数字化并联控制技术研究[D].武汉：华中理工大学，1999.