CN204855662U - 一种单相光伏无源逆变器实验装置 - Google Patents
一种单相光伏无源逆变器实验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及逆变器领域，具体公开了一种单相光伏无源逆变器实验装置，包括太阳能电池阵列、DC/DC变换器、逆变桥、滤波器、负载与控制回路；太阳能电池阵列输出端与DC/DC变换器输入端连接；DC/DC变换器输出端与逆变桥输入端连接；逆变桥输出端与滤波器输入端连接；滤波器输出端与负载连接；控制回路通过采样电路与太阳能电池阵列、DC/DC变换器、逆变桥、滤波器控制端相连。控制回路以MC9S12XS128MAA单片机为核心。本实用新型由简单元器件构成的控制回路，能够有效地实现光伏逆变过程，且整个过程操作简单，能够很好地解决对于高校光伏逆变器实验教学难以开展的难题，为学习和研究光伏逆变器提供了实验工具。
Description
技术领域
本实用新型涉及逆变器领域，具体是一种单相光伏无源逆变器实验装置。
背景技术
随着全球能源危机的不断加剧，空气质量不断下降，是人们意识到节能环保的重要性，清洁无污染的太阳能越来越受到世人的亲睐，光伏产业从欧洲，澳洲，到现在的中国已经成了热门行业。光伏逆变原理也已经进入高校教学领域。光伏逆变器是实现太阳能电池板输出直流电转化为交流电的重要装置。目前，市场上大多数光伏逆变器结构均比较复杂，且价格昂贵，且技术保密，对于高校开展光伏逆变器教学实验带来极大的困难。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种单相光伏无源逆变器实验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种单相光伏无源逆变器实验装置，包括太阳能电池阵列、DC/DC变换器、逆变桥、滤波器、负载与控制回路；太阳能电池阵列输出端与DC/DC变换器输入端连接；DC/DC变换器输出端与逆变桥输入端连接；逆变桥输出端与滤波器输入端连接；滤波器输出端与负载连接；控制回路通过采样电路与太阳能电池阵列、DC/DC变换器、逆变桥、滤波器控制端相连。
作为本实用新型进一步的方案：控制回路以MC9S12XS128MAA单片机为核心，控制回路还连接有键盘、LED指示灯、蜂鸣器、语音播报系统、液晶显示器及RS232通信接口。
作为本实用新型进一步的方案：它的电路包括单片机系统工作电路U_xs128、系统电源电路U_power、DC/DC和DC/AC转换电路U_MOSFERT。
作为本实用新型进一步的方案：DC/DC和DC/AC转换电路包括BOOST升压电路和逆变桥开关管驱动电路。
作为本实用新型进一步的方案：逆变桥开关管驱动电路由74HC00驱动芯片和IR2104驱动芯片组成。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型由简单元器件构成的控制回路，能够有效地实现光伏逆变过程，且整个过程操作简单，能够很好地解决对于高校光伏逆变器实验教学难以开展的难题，为学习和研究光伏逆变器提供了实验工具。
附图说明
图1为本实用新型的实验装置总体结构框图；
图2为本实用新型的实验装置电路结构框图；
图3为本实用新型的逆变桥开关管驱动电路；
图4为本实用新型的逆变桥开关管驱动电路的IR2104信号时序图；
图5为本实用新型的线性霍尔电流传感器；
图6为本实用新型的光伏电池输出电流信号调理电路；
图7为本实用新型的BOOST升压电路电流信号调理电路；
图8为本实用新型的BOOST升压电路图；
图9为本实用新型的逆变桥开关管驱动电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
请参阅图1，本实用新型实施例中，一种单相光伏无源逆变器实验装置，包括太阳能电池阵列、DC/DC变换器、逆变桥、EMI滤波器、负载、控制回路；所述太阳能电池阵列与DC/DC变换器通过连接件连接。
请参阅图2，整个系统的电路由三部分组成：单片机系统工作电路(U_xs128)、系统电源电路(U_power)、DC/DC和DC/AC转换电路(U_MOSFERT)，单片机系统工作电路包含单片机能够正常工作时需要满足的最基本电路及系统相关的外设电路，系统电源电路主要包含单片机供电电源部分和其他外设供电电源电路，DC/DC和DC/AC转换电路主要包含BOOST升压电路和逆变桥电路以及相关驱动电路。
控制回路采用MC9S12XS128MAA单片机作为控制芯片。逆变桥工作过程中涉及的电压电流模拟量通过电压/电流传感器采样后，送入MC9S12XS128MAA单片机的AD端口，MC9S12XS128MAA单片机根据程序控制端口PWM1(PP1)和PWM3(PP3)产生PWM波，由驱动电路驱动BOOST电路和逆变电路的开关管，从而控制逆变器的工作状态。
下面对于本实验装置用到的部分引脚功能描述如下：
PAD00～PAD04。A/D转换输入端口，分别用于采集光伏电池输出电压Vpv、输出电流Ipv，BOOST电路输出电压Vboost、输出电流Iboost，逆变输出电压Vgrid。
PB0～PB3。I/O端口，设置其为输出，分别控制4个发光二极管，用于显示系统工作状态。
PP1～PP4。PP1和PP2级联用于产生BOOST电路开关管的PWM，PP3和PP4级联用于产生逆变电路开关管的PWM。
PP5和PP7。I/O端口，设置其为输出，用于控制逆变器输出电压换向。
PA0～PA4。I/O端口，用于单片机与LCD5110的连接。
PA5～PA7。I/O端口，用于语音芯片的驱动信号线。
PE0～PE3。I/O端口，设置为输入，用于四个按键信号的输入端口。
请参阅图3，逆变桥开关管驱动电路由74HC00驱动芯片和IR2104驱动芯片组成，系统使用两片IR2104控制四片N沟道的MOS管(IRF540N)组成一个全桥驱动电路实现逆变。IR2104驱动芯片通过HO输出端分别控制全桥驱动电路的上半桥Q2开关管、Q3开关管的导通与关断，而IR2104的LO输出端分别控制全桥驱动电路的下半桥Q4开关管、Q5开关管的导通与关断，从而达到控制逆变桥输出电压幅值与方向的效果。
具体的电路连接关系：第一个MBRS4201芯片的IN端分别连接74HC00芯片的3脚、4脚，74HC00芯片的2脚与74HC00芯片的10脚连接；第一个MBRS4201芯片的SD端分别连接第二个MBRS4201芯片的SD端、74HC00芯片的6脚；第一个MBRS4201芯片的VCC端通过0.1μF的电容C29接地，还直接连接+12V电压；第一个MBRS4201芯片的COM端接地且还提供电容C29连接+12V电压；第一个MBRS4201芯片的LO端通过10R的电阻连接标号为Q4的MOS管IRF540的栅极，第一个MBRS4201芯片的VS端连接标号为Q2的MOS管IRF540的源极和标号为Q4的MOS管IRF540的漏极，第二个MBRS4201芯片的VS端连接标号为Q3的MOS管IRF540的源极和标号为Q5的MOS管IRF540的漏极，第一个MBRS4201芯片的VS端还通过电容C25分别连接第一个MBRS4201芯片的VB端、二极管D7，二极管D7的另一端连接+12V电压；第一个MBRS4201芯片的HO端通过10R的电阻连接标号为Q2的MOS管IRF540的栅极；第二个MBRS4201芯片的VS端还通过电容C26分别连接第二个MBRS4201芯片的VB端、二极管D6，二极管D6的另一端连接+12V电压；第二个MBRS4201芯片的HO端通过10R的电阻连接标号为Q3的MOS管IRF540的栅极，第二个MBRS4201芯片的LO端通过10R的电阻连接标号为Q5的MOS管IRF540的栅极，第二个MBRS4201芯片的VCC端通过0.1μF的电容C28接地，还直接连接+12V电压；第二个MBRS4201芯片的COM端接地且还提供电容C28连接+12V电压；74HC00芯片的8脚分别连接74HC00芯片的5脚、第二个MBRS4201芯片的IN端。
图4是IR2104驱动芯片时序图，为IR2104驱动芯片的使能端且低电平有效。IN为IR2104驱动芯片输入端，HO为IR2104驱动芯片上半桥驱动信号输出端，LO为IR2104驱动芯片下半桥驱动信号输出端，HO与LO输出信号互补。74HC00驱动芯片包含四组二输入与非门电路，DIR1信号和DIR2信号分别为单片机PP5和单片机PP7端口输出的高低电平信号，SPWM信号为单片机脉宽调制端口输出的正弦PWM调制信号。开关管驱动信号逻辑表如表1所示。其中C25、C26为自举电容，电容值需要根据驱动信号的频率选取。D6、D7为自举二极管，需选取肖特基二极管。
表1
需要指出的是，本系统共有5路模拟量信号，分别光伏电池输出电压Vpv、输出电流Ipv，BOOST电路输出电压Vboost、输出电流Iboost和逆变输出电压Vgrid。其中逆变输出电压为Vgrid为交流电压，另外4路均为直流信号。
请参阅图5，电压/电流传感器采用型号为ACS712ELCTR-05B-T的霍尔线性电压/电流传感器，为了提高电流传感器的灵明度，减小相对误差，设计了如图6和图7所示的信号调理电路。
经过调理电路后电流测量电路灵敏度提高为925mV/A，提高为原来的5倍。
本装置逆变输出交流电压利用运算放大器电路测量，图7为测量电路原理图，在本装置中输出电压范围为-40～40V时，Vgrid的范围为0.5～4.5V。
请参阅图8，DC/DC变换器选用BOOST升压电路，MOS管Q为IRFS4321，为了确保电感工作在连续模式，电感L取值为330uH。由于单片机脉宽调制模块驱动能力有限，所以需要专门的驱动电路来保证功率开关管的可靠触发，为此本设计采用MICROCHIP公司生产的MCP14E14驱动芯片，图9为逆变桥开关管驱动电路原理图。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种单相光伏无源逆变器实验装置，其特征在于，包括太阳能电池阵列、DC/DC变换器、逆变桥、滤波器、负载与控制回路；太阳能电池阵列输出端与DC/DC变换器输入端连接；DC/DC变换器输出端与逆变桥输入端连接；逆变桥输出端与滤波器输入端连接；滤波器输出端与负载连接；控制回路通过采样电路与太阳能电池阵列、DC/DC变换器、逆变桥、滤波器控制端相连。
2.根据权利要求1所述的单相光伏无源逆变器实验装置，其特征在于，控制回路以MC9S12XS128MAA单片机为核心，控制回路还连接有键盘、LED指示灯、蜂鸣器、语音播报系统、液晶显示器及RS232通信接口。
3.根据权利要求1-2任一所述的单相光伏无源逆变器实验装置，其特征在于，它的电路包括单片机系统工作电路U_xs128、系统电源电路U_power、DC/DC和DC/AC转换电路U_MOSFERT。
4.根据权利要求3所述的单相光伏无源逆变器实验装置，其特征在于，DC/DC和DC/AC转换电路包括BOOST升压电路和逆变桥开关管驱动电路。
5.根据权利要求4所述的单相光伏无源逆变器实验装置，其特征在于，逆变桥开关管驱动电路由74HC00驱动芯片和IR2104驱动芯片组成。
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| CN108109459A (zh) * | 2016-04-07 | 2018-06-01 | 天津中德应用技术大学 | 可移动式光伏光热一体化实验实训系统 |
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