基于小型风力发电系统的逆变单元设计一、选题依据随着能源与环境的压力增加，清洁可再生的新能源近年受到普遍重视。
在各类绿色能源中，风能是前景潜力巨大的可再生能源之一，风力发电技术相对比较成熟，并且最具有大规模商业开发条件、成本相对较低。
利用风能发电日益受到关注并展现出广阔的成长空间。
风力发电具有装机容量增长空间大，成本下降快，安全、能源永不枯竭等优势。
风力发电在为经济增长提供稳定电力供应的同时，可以有效缓解空气污染、水污染和全球变暖问题。
大规模推广风电可以为节能减排做出积极贡献。
风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电。
本文选题是从风能发电的主要形式之一,小型独立风力发电系统中获取思路。
小型独立风力发电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为100W-5KW，通常不超过10KW。
它的构成为：风力发电机+整流单元（充电器）+逆变器。
风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。
叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
因风量不稳定，故小型风力发电机输出的是13～25V 变化的交流电，须经充电器整流，再将稳定的直流经逆变电路变换成需要的电压和功率。
二、国内外研究现状从国际国内形势看，风力发电产业的发展速度非常快，风电装备制造业面临着空前大好的发展机遇。
全球风力发电产业装机量近10年来以25%的速度飙升。
风电已经形成了一个很大的产业，2006年全球新装风电装备价值达到230亿美元，2007年全球新增风电装机容量约1800万千瓦，行业规模的增大和快速发展吸引了更多的企业投入到风电装备制造领域。
风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电美元燃料问题，也不会产生辐射或者空气污染。
风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。
据估计，全球潜在风力发电能力超过70万亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。
随着未来常规能源成本持续上升，风电优势更为明显，发展会更快。
根据全球风能委员会的报告，目前德国、西班牙、美国、印度、丹麦、意大利、英国、荷兰、中国、日本和葡萄牙等国的风电装机容量相对较多。
作为农村可再生能源主要支柱之一的小型风力发电行业在2005年度得到长足的发展，从事小型风电产业的开发、研制、生产单位达到70家。
据23个生产企业报表统计，2005年共生产30kW以下独立运行的小型风力发电机组共33,253台，比上年增长34.4%，其中200W、300W、500W机组共生产24,123台，占全年总产量的72.5%；15个单位共出口小型风力发电机组5,884台，比上年增长40.7%，创汇282.7万美元，主要出口到菲律宾、越南等24个国家和地区。
并且，由于汽油、柴油、煤油价格飞涨，且供应渠道不畅通，内陆、江湖、渔船、边防哨所、部队、气象站和微波站等使用柴油发电机的用户逐步改用风力发电机或风光互补发电系统。
从技术层次来看，我国的小型风力发电在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定的差距，在小功率并网逆变器上仍需进一步的提高和发展。
由于广大农民迫切希望不间断用电，因此“风光互补发电系统”的推广应用明显加快，并向多台组合式发展，成为今后一段时间的发展方向。
三、系统总体设计本设计首先通过对12V直流电压到220V交流市电的硬件电路进行了详细分析，确定了实际可行的硬件方案，然后根据对硬件电路的特点及模块的输出特性进行分析，确定了基本方案，通过搭建正弦波逆变器驱动板、8个功率管两两并联组成的全桥功率单元、LC滤波单元、低压电源管理单元、电压电流反馈单元来实践验证方案的可行性。
主要验证：逆变输出波形畸变率、电压、频率等参数，此外还涉及一些保护电路的可靠性，如温度保护、短路保护等。
图3.1为本设计的总体框图。
图3.1系统工作原理总体框图3.1、逆变系统设计：逆变电路如附图1所示。
它是由四组共8个MOSFET管两两并联构成的单相逆变。
具体设计在下面说明。
3.1.1驱动电路芯片IR2110S功率变换装置中的功率开关器件，根据主电路的不同，一般可采用直接驱动和隔离驱动两种方式。
其中隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种。
光电隔离具有体积小，结构简单等优点，但同时存在共模抑制能力差，传输速度慢的缺点。
快速光耦的速度也仅有几十kHz。
电磁隔离用脉冲变压器作为隔离元件，具有响应速度快(脉冲的前沿和后沿)，原副边的绝缘强度高，dv／dt共模干扰抑制能力强等特点。
但信号的最大传输宽度有受磁饱和特性的限制，因而信号的顶部不易传输。
而且最大占空比被限制在50％。
同时信号的最小宽度也要受磁化电流的限制。
同时脉冲变压器体积也大，而且笨重，工艺复杂。
本设计使用的驱动芯片是IR2110S芯片，其兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。
IR2110的结构特点：IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS工艺制造。
该器件具有独立的低端和高端输入通道。
其悬浮电源采取自举电路，高端工作电压可达500V， dV／dt=±50 Wns，15 V下的静态功耗仅116 mW。
IR2110的输出端f脚3，即功率器件的栅极驱动电压)电压范围为10～20 V，逻辑电源电压范围(脚9)为5～15 V，可方便地与TTL、CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5 V的偏移量；此外，该器件的工作频率可达500 kHz，而且开通、关断延迟小(分别为120 ns和94ns)，输出峰值电流为2 A。
IR2110的内部功能框图如图3.2所示。
由图可见，它由逻辑输入、电平平移及输出保护三个部分组成。
IR2110可以为装置的设计带来许多方便，尤其是高端悬浮自举电源的成功设计，可以大大减少驱动电源的数目。
图3.2 IR2110的内部功能框图IRS2110在该逆变器中的应用方法如下：第8、1脚对应的是独立的高、低端输出，内部驱动级三极管发射极，输出两路时序不同的正脉冲。
分别对应的是逆变中的上、下桥臂；第2、15脚是共地端；第3脚是底端固定电压电源，在10-20V之间均能使驱动芯片工作，本设计使用的是12V 稳压电；第6、7脚分别对应的是高端浮置电源偏移电压和电源电压，悬浮电源采用自举电路，高端工作电压可达到500V；第11脚是逻辑电源电压，其输入范围是5-15V，本设计选用5V，可方便的与TTL,CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有电压的偏移量；第12、14脚分别为逻辑高端输入和逻辑低端输入，是SPWM输出通过三极管的发射极输出给芯片；第4、5、9、10、16端为空端。
3.1.2全桥逆变电路本设计使用的是IRF840MOSFET开关管，一路输出上下两个桥臂，构成了全桥逆变电路，同时为了增加驱动能力，让每个驱动电路各驱动两只并联的500V/8A的MOSFET。
图3.3所示为逆变器开关管全桥式电路设计，其中V1、V2和V5、V6构成上下两个桥臂，V3、V4和V7、V8构成另外两个桥臂。
该电路不经调试即可正常工作，但是需要注意的是：宁可多选MOSFET并联，也不要选用单只Id大于50A的开关管。
图3.3逆变器开关管全桥式电路设计3.1.3工频电压反馈电路技术参数：12V DC -- 220V AC，使用工频模式加工频变压器逆变输出220V交流。
驱动电源提供：板上的驱动电源接口（P5）可以不接，驱动电源使用EG1181降压型开关电源模块，输入电压（+25V～+70V）、输出+12V/100mA。
工频变压器低压线圈输入电压:VACL (max) = VDC / 1.414 = 12V / 1.414 ≈ 8.5 Vn (min) = VACH / VACL(max) = 220 V / 8.5V = 25.9即工频变压器低压线圈输入的交流电压有效值将小于8.5V，也就是说高压线圈与低压线圈的匝数比必须大于25.9。
重载时建议留一定的余量，匝数比不宜太小。
此时可以选用6V - 220V或8V - 220V的工频变压器。
在系统不需要隔离的情况下，直接将工频变压器输出端口接到板上的工频反馈输入端，经过板上整流桥整流后由分压电阻分压到驱动板的VFB 脚，另外需在VFB脚与地之间加一个16V/4.7uF的电解电容。
工频电压反馈如图3.4所示。
图3.4工频模式下电压反馈原理图3.2控制器选型EG8010是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，应用于DC-DC-AC两级功率变换架构或DC-AC单级工频变压器升压变换架构，外接12MHz晶体振荡器，能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波50Hz或60Hz逆变器专用芯片。
该芯片采用CMOS工艺，内部集成SPWM正弦发生器、死区时间控制电路、幅度因子乘法器、软启动电路、保护电路、RS232串行通讯接口和12832串行液晶驱动模块等功能。
其管脚定义如图3.5所示。
产品特点为：（1）5V单电源供电（2）引脚设置4种纯正弦波输出频率：50Hz纯正弦波固定频率；60Hz纯正弦波固定频率；0-100Hz纯正弦波频率可调；0-400Hz纯正弦波频率可调；（3）单极性和双极性调制方式（4）自带死区控制，引脚设置4种死区时间：300nS死区时间；500nS死区时间；1.0uS死区时间； 1.5uS死区时间（5）外接12MHz晶体振荡器（6）PWM载波频率23.4KHz（7）电压、电流、温度反馈实时处理（8）过压、欠压、过流、过热保护功能（9）引脚设置软启动模式3S的响应时间（10）串口通讯设置输出电压、频率等参数（11）外接串口1602液晶显示模块显示逆变器的电压、频率、温度和电流等信息图3.5 EG8010管脚定义3.3 RS232串行通讯接口RS232是专门用于数据终端设备DTE和数据通信设备DCE之间的串行通信。
RS232的电平标准是EIA电平标准：高电平为+5V～+15V，低电平为-5V～-15V，在实际应用中常用±12V或±15V。
RS232C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系，即逻辑“1”为-5V～-15V，逻辑“0”为+5V～+15V，其噪声容限为2V，也就是说要求接收器能识别低至±3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”。
而计算机均采用TTL逻辑电平。
TTL电平规定低电平“0”在0～+0.8V之间，高电平“1”在+2.4V～+5V之间，因此在TTL电路与RS232C总线之间要进行电平的转换及正反逻辑的转换，否则将使TTL电路烧毁。
