新型全橋逆變電源電路設(shè)計

周成虎，李 娜

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

用于井下電力設(shè)備的高標(biāo)準(zhǔn)逆變器，要求其正弦波的諧波含量較低，雖然傳統(tǒng)純硬件控制的逆變器就可以實現(xiàn)，但其體積龐大、效率較低，難以推廣應(yīng)用．另外，傳統(tǒng)逆變器的輸出電壓反饋調(diào)節(jié)復(fù)雜且效果不佳，輸出電壓波形約占總諧波失真(THD)的31%[1-2]，而采用數(shù)字算法控制可以提高逆變電源的開關(guān)頻率、減少其體積和質(zhì)量，并可消除變壓器的噪聲、改善輸出電壓的響應(yīng)速度[3-5]．本設(shè)計給出了新型數(shù)字正弦脈寬脈位調(diào)制(SPWPM)控制算法，分析了該算法的原理，并用ARM微處理器實現(xiàn)了該算法．

1 逆變電源電路的原理分析

圖1 逆變電源的系統(tǒng)圖Fig.1 Inverter power supply system diagram

本設(shè)計采用的直流電壓是蓄電池的輸出電壓VDC=48 V．使用全橋逆變器產(chǎn)生等幅不等高的不連續(xù)脈沖電壓Uef，該電壓供給負(fù)載,經(jīng)高頻變壓器隔離并濾波后得到正弦波Uo.該電壓控制芯片選用ARM微處理器，主要通過查找表的方法進(jìn)行PWM脈寬控制，經(jīng)光耦隔離并由專用驅(qū)動芯片IR2130驅(qū)動橋式逆變電路，如圖1所示．

電源VDC為蓄電池電壓，考慮到蓄電池在欠壓的情況下不宜工作，故設(shè)置欠壓保護．欠壓保護的功能由繼電器實現(xiàn)，其常開觸點與電源串聯(lián)，電源電壓不足時繼電器不吸合，電路無法工作．D1是一個大功率二極管，用于防止電源反接造成的短路．

采用全橋式DC-AC逆變電路輸出工頻交流電壓，通過ARM微處理反饋調(diào)節(jié)電路,使橋式逆變電路(V1～V4)輸出電壓為等幅不等高的不連續(xù)脈沖電壓Uef，如圖2所示．

圖2 電壓Uef的波形圖Fig.2 Voltage waveform Uef in figure

電源電壓和負(fù)載變化時，輸出電壓平均值Uf變小，與標(biāo)準(zhǔn)值相比得到一個系數(shù)k1=Uf/標(biāo)準(zhǔn)值．查找表的所有數(shù)值均除以系數(shù)k1，來調(diào)節(jié)ARM微處理器輸出的每個PWM波的占空比．這時，電壓Uef的平均值會上升，使正弦波Uo的幅值上升，該調(diào)節(jié)方法不影響其總諧波失真(THD)．反之，用同一方法減少查找表的所有數(shù)值．

諧波校正是該電路的難點，電壓Uo的總諧波畸變率

(1)

可將電壓Uo展開成傅里葉基數(shù)，從而得到一系列不同頻率的正弦波[6-9]，如果采用以前部分學(xué)者的反饋方法，逐個計算諧波分量，再按照分量逐個補償，其反應(yīng)速度較慢．

圖3 驅(qū)動電路原理圖Fig.3 Driver circuit diagram

逆變器控制系統(tǒng)選用具有Cortex-M3內(nèi)核的ARM微處理器(STM32F103RTB6)．外部晶振選為8 MHz，內(nèi)核頻率為72 MHz，諧振開關(guān)頻率是5.5 kHz．

2 驅(qū)動電路及軟件設(shè)計

驅(qū)動電路原理如圖3 所示，ARM微處理器的PWM驅(qū)動信號經(jīng)過高速光耦(6N137)隔離和升壓，得到15 V驅(qū)動信號．再經(jīng)過IR2130得到驅(qū)動開關(guān)管V1～V4的信號．IR2130內(nèi)置簡化的自舉電路和過流保護電路，自舉電路由電容(470 μF)和二極管組成，其原理參見有關(guān)手冊，不再詳述．

為了保證電源的可靠運行，在開關(guān)管V1～V4的柵源極并聯(lián)一個10 kΩ的電阻，用以消除感應(yīng)電壓，防止橋臂上下兩個MOS管直通斷路[10]．

根據(jù)以上分析，給出該電路的軟件流程，如圖4所示．

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

3 實驗結(jié)果

圖5 負(fù)載電壓波形Fig.5 Load voltage waveform

該電路的輸入電壓為48 V直流電壓，V0=660 V，輸出頻率為50 Hz，I0=0～1.5 A，開關(guān)頻fs=5.1 kHz．設(shè)定紋波電壓ΔV0<2 V．控制系統(tǒng)是設(shè)計的關(guān)鍵部分，由ARM微處理器控制DC-AC變換電路，實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出．ARM微處理器自帶A/D．采用閉環(huán)控制電路來實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定和減少諧波影響，實驗波形如圖5所示．

電路具有輸出電壓自動調(diào)節(jié)、輸入欠壓保護、過流保護等功能．采用該算法的逆變器克服了傳統(tǒng)SPWM逆變器的缺點，具有電氣隔離功能，電路結(jié)構(gòu)簡單．實驗驗證了所提出的電路功能，輸出電壓波形占總諧波失真(THD)的比例小于5%．

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