基于AVR的單/三相變換器的設(shè)計

臧海崗

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽　淮南　232001)

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基于AVR的單/三相變換器的設(shè)計

臧海崗

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001)

摘要：單/三相變換器一般采用裂相和移相技術(shù)，變換效果受負載影響較大，為了平衡變換器的三相輸出電壓，提高電能質(zhì)量，結(jié)合整流逆變原理，提出一種AVR控制的單/三相變換器，構(gòu)建硬件拓撲電路，采用SPWM控制方式和雙閉環(huán)反饋控制策略，利用MATLAB建模仿真并進行實驗分析。仿真和實驗結(jié)果表明，該變換器可以有效克服突變負載的干擾，輸出電能質(zhì)量較高，能在一定程度上提高邊遠地區(qū)三相電源的普及率，滿足中小功率三相負載的使用需求。

關(guān)鍵詞：AVR；SPWM；雙閉環(huán)反饋；突變負載

我國三相動力供電并未實現(xiàn)全覆蓋，民用電力系統(tǒng)中的單相供電體系難與三相動力負載相匹配[1]。傳統(tǒng)單相變?nèi)嘧儞Q器常采用裂相技術(shù)和移相技術(shù)，其三相輸出電壓易受負載影響，電纜和電器經(jīng)常燒壞，且系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率較低[2-3]。結(jié)合現(xiàn)代電力電子技術(shù)，提出一種基于SPWM控制方式的單/三相變換器，AVR單片機為控制中心，單相輸入交流電經(jīng)過整流升壓、逆變?yōu)V波和系統(tǒng)控制過程后，輸出可供三相負載使用的標(biāo)準(zhǔn)三相交流電，其穩(wěn)定性、精確性和轉(zhuǎn)換效率將得到大幅提高。

1硬件電路

變換器的主電路如圖1所示，整流電路采用單相不控整流方式，升壓電路采用Boost方式，逆變電路采用SPWM控制方式。接入單相交流電的瞬間，電容C1快速充電會導(dǎo)致浪涌電流的出現(xiàn)，并聯(lián)TVS器件可以快速吸收浪涌電流，保護整流橋和后續(xù)電路免受大電流沖擊。Boost電路在理想狀態(tài)下，電感L1和電容C2均為無窮大，實際電路中要考慮其效果和體積，折中取值。給定一個PWM信號驅(qū)動VT1，即可調(diào)節(jié)升壓輸出U3。

(1)

(2)

(3)

D越大，U3的調(diào)節(jié)時間越長；C2越大，U3的第一個峰值越大；L1越大，U3的波形越平滑。升壓電路中，并聯(lián)了一個大電阻R1防止輸出側(cè)開路。三相輸出電壓為矩形波，其含有工頻倍數(shù)的高頻諧波，嚴(yán)重影響負載元件。LC低通濾波器可以整理輸出電壓波形，消除高頻諧波，輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波[4]。選擇適當(dāng)小的截止頻率更利于濾除諧波，電容為三角型接法時可提高濾波效果?？紤]到三相負載變化的影響，L2、L3和L4的取值相對大一些。

2系統(tǒng)控制

2.1　控制策略分析

三相輸出的電能質(zhì)量對用電端影響很大，負荷也對傳統(tǒng)單/三相變換器的輸出電能質(zhì)量有很大影響，其輸出電壓會隨著負荷功率和類型的變化而產(chǎn)生較大波動。為了排除感性負載和非線性負載的干擾[5]，提高三相輸出的電能質(zhì)量，擴大單/三相變換器的適用范圍，需排除負載功率擾動，這里采取雙環(huán)反饋控制方法，即內(nèi)環(huán)控制瞬時值，提高三相輸出的動態(tài)性能；外環(huán)控制有效值，保證三相輸出的精確性。系統(tǒng)的控制策略如圖2所示，外環(huán)將三相輸出的有效值與給定有效值比較計算，得到的誤差信號經(jīng)過外環(huán)PI調(diào)節(jié)并與標(biāo)準(zhǔn)正弦信號疊加，其輸出信號為內(nèi)環(huán)給定；內(nèi)環(huán)給定與三相輸出電壓瞬時值比較計算，其誤差信號經(jīng)過內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)得到內(nèi)環(huán)PWM控制信號。外環(huán)PI調(diào)節(jié)器H1(s)和內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器H2(s)分別為

(4)

(5)

未加PI調(diào)節(jié)的內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為

G2(s)=K2KpwmU3G1(s)

(6)

設(shè)反饋系數(shù)K1=1，K2=1， 加入PI調(diào)節(jié)H2(s)的內(nèi)環(huán)閉環(huán)和外環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為

G3(s)=

(7)

(8)

根據(jù)內(nèi)外環(huán)傳遞函數(shù)，計算出PI調(diào)節(jié)器參數(shù)值，實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出的精準(zhǔn)控制。

2.2　系統(tǒng)程序分析

控制系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序如圖3所示，基本思想是基于中斷服務(wù)程序來實現(xiàn)對逆變輸出的控制[6-7]。系統(tǒng)經(jīng)過自檢和初始化后，通過設(shè)置定時器產(chǎn)生中斷，開始進入中斷服務(wù)程序。A/D采集輸出有效值和瞬時值，并分別與設(shè)定限值比較，若發(fā)生欠壓和過流等故障，則置位相應(yīng)的標(biāo)志寄存器，禁止輸出SPWM，并切除故障；若A/D采樣值在正常范圍內(nèi)，則分別執(zhí)行有效值PI運算和瞬時值PI運算，運算結(jié)果被寫入比較寄存器，然后將調(diào)控電壓信號經(jīng)信號調(diào)理折算成調(diào)制信號，并與定時器比較輸出相應(yīng)SPWM序列信號，進而驅(qū)動功率開關(guān)管，控制變換器調(diào)整輸出量。

3仿真與實驗分析

為了初步驗證所述原理的正確性，用MATLAB進行建模仿真[8]。變換器在0.1 s內(nèi)實現(xiàn)軟啟動，防止沖擊負載。仿真設(shè)置濾波前后的輸出對比來驗證該變換器的濾波效果(見圖4)。矩形正弦波是未濾波輸出，其含有高次諧波，波形不平滑，脈沖尖峰電壓高達670 V，電能質(zhì)量較差；正弦波形是濾波輸出， 無尖峰電壓，最大紋波波動為6 V，波形平滑，電能質(zhì)量高。

設(shè)置開環(huán)控制和雙閉環(huán)控制的仿真對比，在0.35 s投入重負載突變(見圖5~圖6)。開環(huán)模式下，重負載突變引起階躍性壓降，且無法自適應(yīng)調(diào)整，電能質(zhì)量變差；雙閉環(huán)模式下，負載突變瞬間引起了極小壓降，輸出隨即自適應(yīng)調(diào)整回歸標(biāo)準(zhǔn)值，其受負載突變的影響可以忽略。

應(yīng)用AVR ATMEGA16搭建實驗電路，用示波器測量三相輸出電壓波形，其中a相10~60 ms的輸出電壓波形如圖7所示，實驗波形與仿真波形無較大差異，波形整體平滑，峰值電壓略有波動，負載突變點的電壓波動在5ms內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定，響應(yīng)速度較快。

4結(jié)論

提出一種基于AVR的SPWM調(diào)制方法的單相/三相變換器，應(yīng)用雙閉環(huán)反饋控制策略克服突變負載的干擾，得到穩(wěn)定的三相輸出；應(yīng)用MATLAB和實驗對理論原理進行驗證，仿真和實驗結(jié)果證實了其正確性和可行性，達到了預(yù)期效果。該變換器適用于中小功率三相負載，包括阻感性負載和非線性負載，方便移動使用，在工業(yè)密度低的邊遠地區(qū)和電氣化鐵道輔助供電方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅)

Design of Single/Three-Phase Converter Based on AVR

ZANG Hai-gang

(School of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001,China)

Abstract:The splitting phase and shifting phase technologies are usually applied in single /three-phase converter and the effect of shifting is greatly affected by the load. In order to balance the three-phase output voltage and improve the power quality, based on the principle of rectifier and inverter, a AVR control single / three phase converter was proposed. The hardware topology circuit was built; SPWM control mode and double closed-loop feedback control strategy were adopted. Simulation and experimental analysis were conducted by modeling with MATLAB. The simulation and experimental results showed that the converter can effectively overcome the interference of the mutation load effectively. The good power output quality will improve the popularity rate of the three-phase power supply in remote areas to a certain extent and meet the needs of small and medium power of three phase load.

Key words:AVR; SPWM; double-loop feedback; mutation load

作者簡介：臧海崗(1990-)，男，江蘇徐州人，在讀碩士，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。

收稿日期：2015-01-22

中圖分類號：TM46

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098(2015)04-0057-04