實現應急電源中逆變器輸出交流電壓適時調節的設計

實現應急電源中逆變器輸出交流電壓適時調節的設計

工程師黃明星 發表於 2018-07-01 13:51:00

引言

隨著社會發展，越是信息化、現代化，就越依賴於電力，突然斷電會給人們正常的生活秩序和學習帶來影響，尤其對於生產、生活中特別重要的負荷，一旦中斷供電，將會造成重大的經濟損失。應急電源產品已成為很多重要場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量不穩定等問題的有效途徑，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生異常時，將蓄電池提供的直流電壓逆變為三相交流電輸出，以保證重要負荷或設備的正常運行。目前，逆變電源大多採用正弦波脈寬調製（SPWM）技術，其控制電路大多採用模擬方法實現。模擬控制技術雖然已經非常成熟，但存在很多缺點如：控制電路的元器件多，電路複雜，體積較大，靈活性不夠等。本文設計了一種全數位化的三相PWM逆變電源，利用專用SPWM波形發生器與單片機連接產生逆變驅動信號SPWM波，設計中選用了單片機C8051F020控制和MITEL公司的SA4828晶片作為波形發生器。

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三相逆變電路變為交流電，其基波頻率是逆變電源的輸出頻率，該交流信號經過輸出變壓器隔離，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。逆變器的控制採用SPWM控制方式，本文利用SPWM波發生器和單片機實現對逆變器及輸出電壓的控制。由控制器產生的SPWM波控制開關器件的通斷，從而控制輸出電壓及其波形，並使輸出電壓穩定。

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。

圖2 三相逆變主電路圖

逆變器開關器件採用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；電容C為逆變器產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生。在市電工作中斷或者不正常時，蓄電池電壓被加到直流總線上，通過由智能功率模塊組成的逆變器，然後通過由LCR組成的濾波器和三相功率變壓器，形成相電壓為220 V的三相正弦交流電給負載供電。三相逆變器的開關器件採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600 V，集電極最大允許電流100 A，安全工作區較寬，驅動功率小、開關頻率高、飽和壓降低。另外該模塊還具有帶過流控制、濾波器體積小、噪聲低、易散熱、可靠性高等特點。模塊的驅動信號為正弦脈寬調製（SPWM）信號。

功率元件智能功率模塊IGBT-IPM是以功率器件IGBT為主體，同時把驅動電路、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，可以簡化硬體電路的設計，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，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。計算電流時應滿足在輸入電壓波動為最低時仍能滿足輸出功率。根據給定的技術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100 A/600 V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生SPWM驅動信號。SPWM是實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，可使調節過程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動態性能，輸出電壓波形接近正弦。為了實現此功能及逆變電路的數位化，本文利用單片機和專用SPWM波形發生器SA4828集成電路構成逆變控制器。該種方法軟體編程簡單，應急電源對波形產生的處理時間少，並能保證波形具有較高精度，而且硬體連接簡單。

1、三相SPWM波形發生器SA4828

1.1、SA4828的性能特點

SA4828是英國MITEL公司研製出的一種專用於三相SPWM信號發生和控制的集成電路晶片。具有精度高、抗幹擾能力強、外圍電路簡單、無溫漂等優點，主要用於逆變電源、變頻調速及應急電源等工業領域。晶片的主要特性是：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，可以用於任意不平衡負載；內置「看門狗」定時器進行監控，程序運行安全可靠；提供了軟復位控制功能；調製波頻率採用16位，增加了頻率的解析度，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，適用於多種應用場合，其中能提供的純正弦波可用於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。它接收並存儲微處理器初始化命令和控制命令，主要由總線控制、地址/數據總線、存儲器、控制寄存器組成，以控制字的形式實現。三相輸出控制電路的每相輸出控制電路由脈衝取消和脈衝延時電路構成，脈衝取消將脈衝寬度小於取消時間的脈衝去掉，延時電路保證死區間隔，以防止在轉換瞬間橋路開關器件出現直通現象。

圖3 SA4828原理

三種不同波形的選擇通過傳輸給初始化寄存器和控制寄存器的命令來設置三種波形ROM.「看門狗」電路在接受單片機發出的命令時，一旦出現問題，總線控制會發出復位「看門狗」信號，使「看門狗」延時關斷驅動信號。SA4828增設了8個寄存器單元以提高頻率精度及能獨立控制三相波形幅值。系統進行初始化時，微處理器通過SA4828內部的總線控制和解碼電路向其初始化寄存器中寫數據，完成載波頻率、調製頻率的範圍、脈衝延遲時間及計數器復位的設置。在運行過程中，實時地向控制寄存器中寫數據，實現對調製波頻率、調製波幅值、正/反轉、過調製、輸出禁止等參數的刷新，使RPHT，RPHB，YPHT，YPHTB，BPHTB，BPHT6個引腳輸出的SPWM信號發生改變。

2、控制電路硬體設計

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。控制電路根據給定的參數輸出三相SPWM信號給智能功率模塊IP-M，實現對功率電晶體的通斷控制。C8051F020通過8位P0埠與SA4828的地址、數據管腳AD0～AD7相連，工作時，單片機首先對SA4828進行初始化，定義載波頻率，電源頻率範圍、死區、最小脈衝取消時間等參數。然後向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，根據需要對SA4828的控制數據進行修改，實現系統的反饋與實時控制，以及調壓控制。為實現系統的穩壓功能，採用平均值反饋PI調節。輸出電壓經隔離送入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個引腳輸出相應頻率和電壓的SPWM控制信號，經隔離電路後，分別控制智能功率模塊IPM的6個IGBT的導通與截止，最後在3個輸出端上產生對稱的三相SPWM電壓。SA4828作為單片機的外設，與單片機並聯，通過對單片機編程，只需將SPWM的初始化信息和控制信息寫入SA4828的相關寄存器，即產生精確的全數位化的三相的SPWM波形。

圖4 SA4828的接口

3、控制電路軟體設計

軟體是逆變器控制系統的核心，它決定逆變器的輸出特性。SA4828產生SPWM信號的程序流程如圖5所示。

對SA4828晶片的控制是通過微處理器接口將相應的參數送入晶片內部的2個48位的寄存器R14，R15來實現的，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寄存器R0～R5中，然後通過一條虛擬的寫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後，SA4828即可以輸出SPWM波，逆變器隨後處於工作狀態。同時單片機不斷查詢輸出狀態，以便隨時調整SPWM輸出特性。對SA4828晶片的控制是通過微處理器接口將相應的參數送入晶片內部的兩個48位初始化寄存器R14和控制寄存器R15來實現的。數據先被讀入臨時寄存器R0～R5中，然後通過一條虛擬的寫操作將數據傳送至相應的R14，R15寄存器。只要系統正常工作，看門狗定時器就不斷被更新，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。

圖5 SA4828產生SPWM信號流程圖

圖6 逆變器控制系統

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，接著對市電進行檢測，如果市電不正常，則啟動逆變器工作，通過控制將開關元件切換至逆變器輸出。並將輸入狀態存入控制寄存器，顯示數據，如果輸出電壓或保護等發生改變，則報警輸出以採取措施使系統正常運行。

結語

逆變主電路採用的智能功率模塊不僅使電路結構簡單，而且使得出現的浪湧電壓、門極振蕩、噪聲引起的幹擾等問題能有效得到控制。三相逆變電路SPWM控制方法，利用專用SPWM產生器和單片機構成逆變器的控制系統，設計簡單，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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