工频逆变电源及其控制系统的研究与开发

论文摘要

随着人类文明的发展,人类社会对石油、天然气等不可再生能源消耗量越来越大,同时也带来了负面影响,新能源的开发利用顺势而生。随着世界新能源行业的发展,国内新能源行业紧追不舍。国家大力投资光伏发电,风光互补技术,不仅对节能减排具有积极意义,同时对于提高国家科研能力具有深远意义。为更好地贯彻国家节能减排政策,提高精尖技术民用化进程,本文对30KW工频逆变电源原理分析和总结后,进行了改进设计。本设计主要是针对逆变器硬件电路进行设计优化,在以DSPIC33FJ32MC204-2为控制核心的基础上进行了matlab软件仿真及MPLAB IDE硬件电路模拟,并在理论论证其可行性后,进行了硬件电路搭建及实验。主要研究内容及已完成工作如下：在SPWM理论基础上完成了强电电路设计,主要包括以下模块：三相桥式全控整流电路、直流变压电路、三相PWM逆变电路、平波滤波电路、强电外围辅助电路、保护电路、风光互补逆变器并网及防雷电路,并对相关模块功能及原理进行详细分析及优化设计；以MATLAB为仿真平台,对SPWM调制算法进行了实验前的模拟仿真,对调制波、载波波形进行软件模拟,设计方案经反复仿真实验证实了其可行性。搭建了逆变主电路硬件实验平台,为减少科研经费、降低试验成本,在实验初期采用23N60功率管代替了价格昂贵的IGBT作为开关器件进行低电压小功率电路开通实验,详细记录了实验数据及波形,对数据波形进行分析,以便于为控制系统编程提供支持；硬件电路各模块经过反复小功率（1KW）调试能够顺利完成小功率下的独立工作后,对各子电路进行兼容综合调试,并使用UC3846为核心的硬件电路作为控制系统进行了小功率下的兼容性实验,系统在1kw、小电流环境能够协调工作,且性能稳定。通过实验证实了主电路优化方案的稳定性后,进入控制系统研发阶段。控制系统主要以DSPIC33FJ32MC204-2作为控制芯片,完成相关外围支持电路、驱动电路设计,最后完成了PCB制作。对电控板进行了焊接调试改进,编程仿真上电测试,电控板经MPLAB IDE仿真实验后,确定改进非隔离型驱动为隔离型驱动电路,以降低复杂电磁环境对微电信号的电磁干扰。在电控板和逆变主电路经反复调试、均能稳定工作的试验完成后,将电控板和主电路进行了上电微调,实验证实系统成功输出稳定市电。以上为本设计工作重点,为增加设计外观美感,使用CATIA三维制图软件根据电路结构进行了机箱钣金成型、散热窗等零部件设计,并完成装配设计。由于时间关系,还未进行装机测试,将在后序工作依次完成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 项目意义
• 1.2 国内外研究现状及前景
• 1.3 设计标准及研究内容简述
• 1.3.1 30KW逆变电源设计标准
• 1.3.2 研究内容简述
• 1.3.3 存在的技术难点
• 第二章 逆变器硬件电路设计
• 2.1 逆变器系统原理及结构概述
• 2.2 三相桥式全控整流电路
• 2.2.1 三相桥式全控整流电路设计思路
• 2.2.2 全控型整流电路器件选择原则及辅助电路
• 2.2.3 驱动电路的分类
• 2.2.4 选择自举元件原则
• 2.3 逆变电源直流变压电路优化设计
• 2.3.1 降压充电/升压放电
• 2.3.2 逆变电源直流变压结构框图及分析
• 2.4 三相SPWM逆变、平波滤波电路
• 2.4.1 逆变电路器件参数分析
• 2.4.2 正弦PWM逆变原理
• 2.5 调制的具体步骤和算法
• 2.6 并网技术及接地防雷方案
• 2.6.1 并网技术方案
• 2.6.2 接地及防雷
• 2.6.3 并网系统的监控通讯方式
• 2.7 本章小结
• 第三章 逆变电源控制器芯片选择及电路设计
• 3.1 控板各功能模块概述
• 3.2 DSPIC33FJ32GP204高性能16位数字信号控制器概述（CPU）
• 3.3 I/O端口配置
• 3.4 控制芯片的集成环境及开发平台概述
• 3.5 开/关机流程图
• 3.6 本章小结
• 第四章 仿真及实验数据分析
• 4.1 软件仿真环境及相关数据
• 4.2 本章小结
• 第五章 设计总结及后续工作
• 5.1 本设计工作重点及总结
• 5.2 完善设计后续工作
• 参考文献
• 致谢
• 附录一 控制系统程序
• 附录二 电路
• 附录三 主电路试验样机及测试电控板
• 附录四 实验数据照片
• 作者简介
• 攻读硕士学位期间研究成果