基于M30624FGAFP控制的三相逆變電源的研制

哈爾濱電氣集團(tuán)阿城繼電器有限責(zé)任公司 李嘉亮

一、引言

隨著電力電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，逆變器控制技術(shù)也越來(lái)越受到人們的矚目。傳統(tǒng)逆變器采用外環(huán)控制，只能實(shí)現(xiàn)輸出電壓有效值的恒定值控制，不能保證輸出電壓波形質(zhì)量，并且在非線性負(fù)載條件下，輸出諧波含量大且波形嚴(yán)重失真。為實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備穩(wěn)態(tài)精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)良性能，現(xiàn)代逆變電源大多采用瞬時(shí)值反饋控制，解決了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問(wèn)題。本文以20KVA三相逆變電源為例來(lái)說(shuō)明。

二、原理及硬件

1.主要技術(shù)參數(shù)

1）輸出額定功率：20KVA

2）輸出額定電壓：380/220V±5%（三相四線）

3）輸出額定頻率：50±1%Hz

4）波形失真度(THD)：≤3%(非線性負(fù)載)

5）動(dòng)態(tài)響應(yīng)：≤5%（負(fù)載變化由空載到滿載）

6）負(fù)載功率因數(shù)：大于0.9

7）過(guò)載能力：120%，90秒

8）輸出電流峰值系數(shù)：3∶1

9）效率：≥80%

10）三相負(fù)載不平衡能力：100%

2.主電路結(jié)構(gòu)

圖1 逆變電源原理框圖

圖2 程序流程框圖

圖3 中心對(duì)準(zhǔn)PWM波形的生成

如圖1所示，系統(tǒng)由三個(gè)單相逆變器組成，它們的輸出端按星型連接，各自獨(dú)立控制。

系統(tǒng)中采用二極管橋式整流電路。逆變器開(kāi)關(guān)器件選用三菱公司的智能功率模塊IPM，它將功率開(kāi)關(guān)器件IGBT和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，使用時(shí)只需提供驅(qū)動(dòng)電源和控制信號(hào)即可。IPM還具有過(guò)流、過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，提高了逆變器的運(yùn)行可靠性。系統(tǒng)的基本工作原理是：交流電經(jīng)過(guò)整流濾波后，供給逆變橋。IPM在由單片機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制下，將直流電根據(jù)SPWM原理逆變成50Hz的交流電，同時(shí)使三個(gè)單相逆變器的輸出電壓相位差保持在120°，形成三相四線制交流電源，經(jīng)濾波后供給負(fù)載。單片機(jī)對(duì)輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，使輸出電壓和頻率穩(wěn)定在給定值。

3.控制電路的組成

控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)M30624FGAFP、信號(hào)采樣及處理電路、顯示回路、RS485通

訊接口及Gsm Modem組成。

M30624FGAGP是三菱公司推出的一款高性能16位單片機(jī)，該款單片機(jī)融合了基于寄存器型和基于存儲(chǔ)器型兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)類似RISC的高速處理性能。它具有超低功耗、極強(qiáng)的抗干擾能力和很高的C語(yǔ)言編程效率等特點(diǎn)，片內(nèi)集成了10位A/D轉(zhuǎn)換器、DMA控制器、異步通信通道、定時(shí)器等豐富的周邊功能電路模塊，內(nèi)部還有20K的RAM，256K的Flash等，可做到總線不出芯片，具有極高的穩(wěn)定性和極強(qiáng)的抗干擾性。而且通過(guò)對(duì)定時(shí)器A1、A2、A4和B2的聯(lián)合使用，可方便的獲得三相SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。

在裝置內(nèi)部安裝了Gsm Modem，它通過(guò)串行通訊接口與單片機(jī)交換信息，可及時(shí)的將系統(tǒng)的運(yùn)行信息以手機(jī)短信的形式傳遞。由于GSM網(wǎng)絡(luò)基本復(fù)蓋全國(guó)，且傳輸穩(wěn)定可靠，可隨時(shí)獲得運(yùn)行信息。

4.保護(hù)功能

1)輸出過(guò)載保護(hù)：負(fù)載功率超過(guò)105%小于120%額定功率時(shí)，90秒鐘延時(shí)后將關(guān)斷輸出，需關(guān)機(jī)才能復(fù)位。

2)輸出短路保護(hù)：輸出短路或負(fù)載功率超過(guò)120%時(shí)，逆變電源輸出將立即自動(dòng)關(guān)閉，需關(guān)機(jī)才能復(fù)位。

3)輸入欠壓告警：輸入交流電壓較低，導(dǎo)致整流后的電壓低于180VDC時(shí)，裝置的欠壓指示燈亮。

三、軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)逆變控制的核心，它決定著逆變器的輸出特性。圖2示出系統(tǒng)程序流程框圖。

在主程序中，完成對(duì)輸出電壓、電流的采樣及三相電壓的相位控制，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)整輸出電壓，完成顯示及與Gsm Modem通訊并控制其收發(fā)短信息的功能。

在TB2定時(shí)器中斷程序中，首先對(duì)逆變電流進(jìn)行采樣，并判斷該電流或電流上升率是否超過(guò)限值，若超過(guò)則關(guān)閉SPWM脈沖，否則允許SPWM脈沖輸出，查表取脈沖正弦值，計(jì)算脈沖寬度，給TA1、TA2、TA4定時(shí)器賦值。

在工作過(guò)程中，單片機(jī)不斷地處理檢測(cè)反饋回來(lái)的信號(hào)，調(diào)整SPWM控制信號(hào)和控制系統(tǒng)的輸出狀態(tài)，以滿足系統(tǒng)的性能要求。為提高抗沖擊性負(fù)荷的能力，對(duì)逆變電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖限制，有效的提高了其抗沖擊性負(fù)荷的能力。

建立標(biāo)準(zhǔn)正弦波半個(gè)周波的數(shù)據(jù)表格（0～180°），每隔1.8°左右一個(gè)數(shù)據(jù)，共96個(gè)數(shù)據(jù)（載波頻率9.6KHz）。負(fù)半周可重復(fù)采用該表格，即一個(gè)周波（0～360°）的正弦波數(shù)據(jù)表格共有192個(gè)數(shù)據(jù)。利用查表法求得每一時(shí)刻的脈沖寬度。

利用M30624FCAFP的三相馬達(dá)控制功能，通過(guò)控制定時(shí)器A1、A2、A4和定時(shí)器B2，產(chǎn)生三相正弦脈寬調(diào)制(SPWM)波形。

令M30624FCAFP的三相PWM控制寄存器（INVC0）工作在三角波調(diào)制方式，則SPWM波形占空比的瞬態(tài)值用下面的公式計(jì)算：

U_PHASE=WGCP_REF±(M*SIN_VALUE)/156

其中：

WGCP_REF-相中間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的占空比值；

M-調(diào)制深度系數(shù)；取值范圍1～0FFH；

SIN_VALUE-正弦函數(shù)數(shù)據(jù)表對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，取值范圍0～0FFH。0～180°范圍內(nèi)等

式左邊取“＋”號(hào)，180～360°范圍內(nèi)等式左邊取“－”號(hào)。

三角波調(diào)制方式波形的形成示意圖如圖3所示。

四、結(jié)論

介紹了基于單片機(jī)控制的三相全橋逆變器的原理及系統(tǒng)流程。整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可靠性高，軟件調(diào)節(jié)控制反饋是系統(tǒng)核心，通過(guò)精確的調(diào)節(jié)能使系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠運(yùn)行。適用于很多場(chǎng)合，今后在電力電子市場(chǎng)上會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

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