基于單片機(jī)控制新型逆變穩(wěn)壓電源的設(shè)計方案解析

1.1電源技術(shù)的發(fā)展概況
電力電子技術(shù)就是利用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)，對電氣設(shè)備的電功率進(jìn)行變換和控制的一門技術(shù)。上個世紀(jì)80年代以來，由于半導(dǎo)體器件，電子技術(shù)等的不斷推陳出新，電力電子技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其對工業(yè)發(fā)展所產(chǎn)生的巨大作用，被各國的專家學(xué)者稱為人類社會繼計算機(jī)之后的第二次的電子革命，它在世界各國工業(yè)文明的發(fā)展中所起的關(guān)鍵作用可能僅次于計算機(jī)。
電源是電力電子技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，隨著新的電子元器件、新電磁材料、新變換技術(shù)、新的控制技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，逆變電源技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。電源技術(shù)的發(fā)展，大體經(jīng)歷了幾個階段：由磁放大式到硅二極管整流式，再到可控硅（晶閘管）整流式，直到發(fā)展到逆變式(開關(guān)式)。采用逆變技術(shù)，可使所設(shè)計的電源具有許多方面的優(yōu)越性：
1.可靈活地調(diào)節(jié)輸出電壓或電流的幅度和頻率通過控制回路，我們可以控制逆變電路的工作頻率和輸出時間的比例，從而使輸出電壓或電流的頻率和幅值按照人們的意愿或設(shè)備工作的要求來靈活地變化。
2.可將蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換成交流電或其他形式的直流電，這樣就不會因為交流電網(wǎng)停電或劇烈變化而影響工作。
3.可明顯地減小用電設(shè)備的體積和重量，節(jié)省材料在很多用電設(shè)備中，變壓器和電抗器在很大程度上決定了其體積和重量，如果我們將變壓器繞組中所加電壓的頻率大幅度提高，則變壓器繞組匝數(shù)與有效面積之積就會明顯減小，變壓器的體積和重量明顯地減小了。
4．采用逆變技術(shù)的電源還具有高效節(jié)能的優(yōu)越性，表現(xiàn)在如下幾個方面：
1)在許多應(yīng)用交流電動機(jī)的場合，在其負(fù)載變化時，傳統(tǒng)的方法是調(diào)節(jié)電動機(jī)的通電時間所占比例，這樣電動機(jī)就會頻繁地制動、起動。而電動機(jī)的起動、制動消耗的能量往往很大，如使用變頻電源來調(diào)節(jié)電動機(jī)做功的量，則可節(jié)約很大一部分能量。
2)采用逆變技術(shù)的電源，其變壓器的體積和重量大大減小了，也即減小了鐵心橫面積和線圈匝數(shù)。變壓器本身的損耗主要包括原、副邊銅耗和鐵芯損耗，鐵芯橫面積和線圈匝數(shù)的大幅度減小也就大大降低了銅耗和鐵耗。因此，采用逆變技術(shù)大大提高變壓器的工作頻率，使得變壓器的損耗變得比工頻工作時小得多，從而達(dá)到節(jié)能的目的。
3)傳統(tǒng)的、采用工頻變壓器的整流式電源設(shè)備的功率因數(shù)一般在0.5-0.8之間，這是因為其電流諧波成分和相移角都比較大。在逆變電源中，如果用功率因數(shù)校正技術(shù)，能使輸入電流的諧波成分變得很小，從而使功率因數(shù)約為1，節(jié)能的效果非常明顯。
5.動態(tài)響應(yīng)快、控制性能好、電氣性能指標(biāo)好由于逆變電路的工作頻率高，調(diào)節(jié)周期短，使得電源設(shè)備的動態(tài)響應(yīng)或者說動態(tài)特性好，表現(xiàn)為：對電網(wǎng)波動的適應(yīng)能力強(qiáng)、負(fù)載效應(yīng)好、啟動沖擊電流小、超調(diào)量小、恢復(fù)時間快、，輸出穩(wěn)定、紋波小。
6.電源故障保護(hù)快由于逆變器工作頻率高、控制速度快，對保護(hù)信號反應(yīng)快，從而增加了系統(tǒng)的可靠性。另外，現(xiàn)代越來越復(fù)雜的電子設(shè)備對電源提出了各種各樣的負(fù)載要求，一個特定用途的電源，應(yīng)當(dāng)具有特定的負(fù)載性能要求和外特性，同時還應(yīng)當(dāng)具備安全可靠、高效、高功率因數(shù)、低噪音的特點，另外，無電磁干擾、無電網(wǎng)污染、省電節(jié)能也是我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)真考慮的設(shè)計要求。
電源技術(shù)發(fā)展到今天，已融匯了電子、功率集成、自動控制、材料、傳感、計算機(jī)、電磁兼容、熱工等諸多技術(shù)領(lǐng)域的精華，已從多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科成長為獨樹一幟的功率電子學(xué)。
1.2電力系統(tǒng)仿真工具箱SimPower的應(yīng)用及其意義
為了大幅度地提高效率，在研制新型電源系統(tǒng)的過程中，往往采用如下程序：首先提出一個新的設(shè)想，然后對其進(jìn)行仿真以驗證該設(shè)想的可行性，并驗證其性能參數(shù)，在達(dá)到了預(yù)期的效果后，再進(jìn)行硬件實現(xiàn)，這種方法已逐漸成為科研工作的一種主要模式。
目前，計算機(jī)仿真技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)中發(fā)揮了越來越重要的作用，其主要作用有：
(1)取代人工解析分析，減輕設(shè)計勞動強(qiáng)度和重復(fù)性勞動。
(2)提高分析速度、分析精度和分析廣度。比真實電路實驗可擴(kuò)大研究范圍，測得更多的數(shù)據(jù)，如元器件中的數(shù)值和波形，研究系統(tǒng)性能受其變化的影響。
(3)設(shè)計任務(wù)確定后立即做仿真，進(jìn)行充分可行性論證后再訂購貴重、特殊器件，既節(jié)省資金又縮短開發(fā)過程，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。用PC機(jī)仿真系統(tǒng)代替實驗可大大減小元器件損壞引起的損失，更重要的是某些無法進(jìn)行實地實驗、艱苦和危險場合（如太空），只有通過仿真，才能進(jìn)行全面的考察，故障的模擬，實基于單片機(jī)控制新型高效率正弦波逆變電路的設(shè)計與仿真際存在的非線性因素允許到什么程度。
(4)減小初投資，一套仿真設(shè)備就是規(guī)模很大的實驗室，可以做許多電路與系統(tǒng)產(chǎn)品的研究。