【導讀】應急電源已成為很多重要場(chǎng)所必不可少的重要設備,它解決了突然斷電給我們生活或生產(chǎn)帶來(lái)的麻煩,而逆變器是應急電源的重要組成部分,因此本文將介紹一款高精度應急電源逆變電路設計,該電路設計簡(jiǎn)單,使用器件少,可有效降低成本、提高可靠性。
隨著(zhù)社會(huì )發(fā)展,越是信息化、現代化,就越依賴(lài)于電力,突然斷電會(huì )給人們正常的生活秩序和學(xué)習帶來(lái)影響,尤其對于生產(chǎn)、生活中特別重要的負荷,一旦中斷供電,將會(huì )造成重大的經(jīng)濟損失。應急電源產(chǎn)品已成為很多重要場(chǎng)所必不可少的重要設備,也是能夠最有效地解決停電事故和電力質(zhì)量不穩定等問(wèn)題的有效途徑,而逆變電路是應急電源的重要組成部分。逆變電路在應急電源中的作用是當市電斷電或發(fā)生異常時(shí),將蓄電池提供的直流電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟娸敵?,以保證重要負荷或設備的正常運行。目前,逆變電源大多采用正弦波脈寬調制(SPWM)技術(shù),其控制電路大多采用模擬方法實(shí)現。模擬控制技術(shù)雖然已經(jīng)非常成熟,但存在很多缺點(diǎn)如:控制電路的元器件多,電路復雜,體積較大,靈活性不夠等。本文設計了一種全數字化的三相PWM逆變電源,利用專(zhuān)用SPWM波形發(fā)生器與單片機連接產(chǎn)生逆變驅動(dòng)信號SPWM波,設計中選用了單片機C8051F020控制和MITEL公司的SA4828芯片作為波形發(fā)生器。
逆變電路的結構與工作原理
圖1是逆變電路的構成。由蓄電池提供的直流電通過(guò)三相逆變電路變?yōu)榻涣麟?,其基波頻率是逆變電源的輸出頻率,該交流信號經(jīng)過(guò)輸出變壓器隔離,再由低通濾波器濾去諧波,獲得負載所需的三相正弦交流電。

圖1:逆變電路的結構
在逆變電路中,逆變器及其控制是逆變電路的核心。逆變器的控制采用SPWM控制方式,本文利用SPWM波發(fā)生器和單片機實(shí)現對逆變器及輸出電壓的控制。由控制器產(chǎn)生的SPWM波控制開(kāi)關(guān)器件的通斷,從而控制輸出電壓及其波形,并使輸出電壓穩定。
三相逆變器主電路設計
三相逆變器主電路如圖2所示,是由三相逆變橋、變壓器、濾波器組成。

逆變器開(kāi)關(guān)器件采用6單元IPM智能功率模塊。LCR低通濾波器中電感L的作用是抑制高次諧波通過(guò);電容C為逆變器產(chǎn)生的高次諧波提供旁路;電阻R起阻尼作用,防止或抑制諧波的產(chǎn)生。在市電工作中斷或者不正常時(shí),蓄電池電壓被加到直流總線(xiàn)上,通過(guò)由智能功率模塊組成的逆變器,然后通過(guò)由LCR組成的濾波器和三相功率變壓器,形成相電壓為220V的三相正弦交流電給負載供電。三相逆變器的開(kāi)關(guān)器件采用日本富士公司型號為PM100CVA60六單元IPM智能功率模塊,其耐壓可達600V,集電極最大允許電流100A,安全工作區較寬,驅動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)頻率高、飽和壓降低。另外該模塊還具有帶過(guò)流控制、濾波器體積小、噪聲低、易散熱、可靠性高等特點(diǎn)。模塊的驅動(dòng)信號為正弦脈寬調制(SPWM)信號。
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功率元件智能功率模塊IGBT-IPM是以功率器件IGBT為主體,同時(shí)把驅動(dòng)電路、多種保護電路及報警電路等功能電路集成在同一模塊內的新型混合集成電路。用智能功率模塊作為電源的功率器件,可以簡(jiǎn)化硬件電路的設計,縮小電源體積,更主要的是提高了系統的安全性和可靠性。在選用智能功率模塊IPM時(shí),根據電壓和電流的定額選擇。功率元件的電流定額考慮(2~3)倍的安全裕量。計算電流時(shí)應滿(mǎn)足在輸入電壓波動(dòng)為最低時(shí)仍能滿(mǎn)足輸出功率。根據給定的技術(shù)參數計算功率元件的最大輸出功率、額定電流值、額定電壓值,最終選用100A/600V的智能功率模塊,型號為PM100CVA60。
逆變控制器設計
控制電路的功能主要是產(chǎn)生SPWM驅動(dòng)信號。SPWM是實(shí)現逆變器輸出交流電壓調節、減小輸出電壓諧波的一種控制方法。利用SPWM控制構成的逆變器調節性能好,調節速度快,可使調節過(guò)程中頻率和電壓相配合,以獲得好的動(dòng)態(tài)性能,輸出電壓波形接近正弦。為了實(shí)現此功能及逆變電路的數字化,本文利用單片機和專(zhuān)用SPWM波形發(fā)生器SA4828集成電路構成逆變控制器。該種方法軟件編程簡(jiǎn)單,應急電源對波形產(chǎn)生的處理時(shí)間少,并能保證波形具有較高精度,而且硬件連接簡(jiǎn)單。
1、三相SPWM波形發(fā)生器SA4828
1.1、SA4828的性能特點(diǎn)
SA4828是英國MITEL公司研制出的一種專(zhuān)用于三相SPWM信號發(fā)生和控制的集成電路芯片。具有精度高、抗干擾能力強、外圍電路簡(jiǎn)單、無(wú)溫漂等優(yōu)點(diǎn),主要用于逆變電源、變頻調速及應急電源等工業(yè)領(lǐng)域。芯片的主要特性是:具有增強型微處理器接口,可與更多單片機兼容;可以單獨調整各相輸出,可以用于任意不平衡負載;內置“看門(mén)狗”定時(shí)器進(jìn)行監控,程序運行安全可靠;提供了軟復位控制功能;調制波頻率采用16位,增加了頻率的分辨率,提高了逆變器輸出頻率的精度;片內ROM提供三種可供選擇的波形,適用于多種應用場(chǎng)合,其中能提供的純正弦波可用于靜止逆變電源和單相交流調速。
1.2、SA4828的工作原理
SA4828原理框圖如圖3所示。它接收并存儲微處理器初始化命令和控制命令,主要由總線(xiàn)控制、地址/數據總線(xiàn)、存儲器、控制寄存器組成,以控制字的形式實(shí)現。三相輸出控制電路的每相輸出控制電路由脈沖取消和脈沖延時(shí)電路構成,脈沖取消將脈沖寬度小于取消時(shí)間的脈沖去掉,延時(shí)電路保證死區間隔,以防止在轉換瞬間橋路開(kāi)關(guān)器件出現直通現象。

三種不同波形的選擇通過(guò)傳輸給初始化寄存器和控制寄存器的命令來(lái)設置三種波形ROM。“看門(mén)狗”電路在接受單片機發(fā)出的命令時(shí),一旦出現問(wèn)題,總線(xiàn)控制會(huì )發(fā)出復位“看門(mén)狗”信號,使“看門(mén)狗”延時(shí)關(guān)斷驅動(dòng)信號。SA4828增設了8個(gè)寄存器單元以提高頻率精度及能獨立控制三相波形幅值。系統進(jìn)行初始化時(shí),微處理器通過(guò)SA4828內部的總線(xiàn)控制和譯碼電路向其初始化寄存器中寫(xiě)數據,完成載波頻率、調制頻率的范圍、脈沖延遲時(shí)間及計數器復位的設置。在運行過(guò)程中,實(shí)時(shí)地向控制寄存器中寫(xiě)數據,實(shí)現對調制波頻率、調制波幅值、正/反轉、過(guò)調制、輸出禁止等參數的刷新,使RPHT,RPHB,YPHT,YPHTB,BPHTB,BPHT6個(gè)引腳輸出的SPWM信號發(fā)生改變。
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2、控制電路硬件設計
以SA4828與單片機C8051F020為核心構成的控制器電路設計如圖4所示??刂齐娐犯鶕o定的參數輸出三相SPWM信號給智能功率模塊IP-M,實(shí)現對功率晶體管的通斷控制。C8051F020通過(guò)8位P0端口與SA4828的地址、數據管腳AD0~AD7相連,工作時(shí),單片機首先對SA4828進(jìn)行初始化,定義載波頻率,電源頻率范圍、死區、最小脈沖取消時(shí)間等參數。然后向SA4828的控制寄存器傳送電源的頻率控制字和幅度控制字等參數。正常工作時(shí),根據需要對SA4828的控制數據進(jìn)行修改,實(shí)現系統的反饋與實(shí)時(shí)控制,以及調壓控制。為實(shí)現系統的穩壓功能,采用平均值反饋PI調節。輸出電壓經(jīng)隔離送入C8051F020單片機的A/D轉換口即P3.0口,轉換結果參與PI運算,運算結果即為SA4828幅度控制寄存器的控制字。從RPHT~BPHB的6個(gè)引腳輸出相應頻率和電壓的SPWM控制信號,經(jīng)隔離電路后,分別控制智能功率模塊IPM的6個(gè)IGBT的導通與截止,最后在3個(gè)輸出端上產(chǎn)生對稱(chēng)的三相SPWM電壓。SA4828作為單片機的外設,與單片機并聯(lián),通過(guò)對單片機編程,只需將SPWM的初始化信息和控制信息寫(xiě)入SA4828的相關(guān)寄存器,即產(chǎn)生精確的全數字化的三相的SPWM波形。

3、控制電路軟件設計
軟件是逆變器控制系統的核心,它決定逆變器的輸出特性。SA4828產(chǎn)生SPWM信號的程序流程如圖5所示。

對SA4828芯片的控制是通過(guò)微處理器接口將相應的參數送入芯片內部的2個(gè)48位的寄存器R14,R15來(lái)實(shí)現的,它們是初始化寄存器和控制寄存器。數據先被讀入一系列臨時(shí)寄存器R0~R5中,然后通過(guò)一條虛擬的寫(xiě)操作將數據傳送至相應的R14,R15寄存器。單片機先將SA4828復位,向其傳送初始化參數和控制參數后,SA4828即可以輸出SPWM波,逆變器隨后處于工作狀態(tài)。同時(shí)單片機不斷查詢(xún)輸出狀態(tài),以便隨時(shí)調整SPWM輸出特性。對SA4828芯片的控制是通過(guò)微處理器接口將相應的參數送入芯片內部的兩個(gè)48位初始化寄存器R14和控制寄存器R15來(lái)實(shí)現的。數據先被讀入臨時(shí)寄存器R0~R5中,然后通過(guò)一條虛擬的寫(xiě)操作將數據傳送至相應的R14,R15寄存器。只要系統正常工作,看門(mén)狗定時(shí)器就不斷被更新,以防止其溢出而中斷SPWM輸出。逆變器控制系統的主程序流程圖如圖6所示。
單片機在初始化程序中完成對單片機、SA4828以及其他可編程器件的初始化,接著(zhù)對市電進(jìn)行檢測,如果市電不正常,則啟動(dòng)逆變器工作,通過(guò)控制將開(kāi)關(guān)元件切換至逆變器輸出。并將輸入狀態(tài)存入控制寄存器,顯示數據,如果輸出電壓或保護等發(fā)生改變,則報警輸出以采取措施使系統正常運行。
結語(yǔ)
逆變主電路采用的智能功率模塊不僅使電路結構簡(jiǎn)單,而且使得出現的浪涌電壓、門(mén)極振蕩、噪聲引起的干擾等問(wèn)題能有效得到控制。三相逆變電路SPWM控制方法,利用專(zhuān)用SPWM產(chǎn)生器和單片機構成逆變器的控制系統,設計簡(jiǎn)單,控制電路使用器件少,因而可降低成本、提高可靠性。
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