變流器負載試驗中的能量回饋裝置電路的探析

唐 林

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程系，四川 遂寧 629000）

0 引言

通常情況下變流器進行負載試驗時，在變流器的輸出端連接負載,該負載的能耗就成為輸出電能消耗。為了實現(xiàn)節(jié)約電能，應(yīng)進行能量回饋利用。能量回饋裝置是依據(jù)上述工作過程進行設(shè)計，裝置原理是負載試驗時，直流電源通過逆變器變?yōu)榻涣麟?，將輸出的交流電通過反饋電路至供電電源端，交流電源通過逆變電路轉(zhuǎn)換成直流電，并通過反饋電路連接到逆變器的輸入端口，與直流電源共同給逆變器電路提供電源，從而實現(xiàn)了節(jié)能目的。

1 系統(tǒng)原理框圖

變流器負載實驗中能量回饋裝置的系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。該系統(tǒng)主要由直流電源、多路SPWM 調(diào) 制、H 橋驅(qū)動、AC/DC 變流器、MSP430 單片機系統(tǒng)、LCD12864 顯示等功能電路組成。

圖1 能量回饋裝置系統(tǒng)原理框

EG8010 芯片輸出SPWM 驅(qū)動H 橋，在通過LC 低通濾波器濾除高頻分量，還原低平交流電。通過單片機MSP430 對EG8010SPWM 模塊控制，使其輸出頻率在0-100 之間，并通過液晶屏LCD12864 顯示。H 橋輸出的交流電通過升壓變壓器以及整流濾波電路輸出直流電壓回收傳輸給H 橋的供電端，實現(xiàn)能量回饋。

1.1 調(diào)制方式

本能量回饋裝置的系統(tǒng)的工作模式分為雙極性調(diào)制方式和單極性調(diào)制方式，雙極性調(diào)制時雙橋臂同時做脈沖寬度調(diào)制（SPWM）輸出，應(yīng)用時使用兩路電感濾波特性將會更好，電壓取樣反饋電路需要兩路分壓網(wǎng)絡(luò)做差分反饋處理。單極性調(diào)制時僅一橋臂做脈沖寬度調(diào)制（SPWM）該輸出，另一橋臂做基波輸出，應(yīng)用時濾波電感需要接在脈沖寬度調(diào)制（SPWM）橋臂輸出端，電壓取樣反饋電路同樣需要接在脈沖寬度調(diào)制（SPWM）橋臂電感的輸出端。

通過比較上述兩種調(diào)制方式，結(jié)合工程實際要求，因此選擇具有穩(wěn)壓精度高、電壓調(diào)整速度快的EG8010 芯片，單極性調(diào)制模式時，采用峰值點采樣輸出電壓，受負載變化或輸入電壓波動等因數(shù)影響調(diào)制輸出電壓可能會出現(xiàn)偏離，信號通過EG8010 能在輸出交流電壓的1～3 個周期內(nèi)調(diào)整到期望值。EG8010 單極性調(diào)制輸出電壓反饋電路如圖2 所示。

圖2 EG8010 單極性調(diào)制輸出電壓反饋電路

1.2 控制系統(tǒng)

本設(shè)計的控制系統(tǒng)微處理器采用MSP430F14 9，MSP430F149 是基于RISC 的16 位混合信號微處理器，具有豐富的尋址方式，和高速的運算能力。專為超低功耗設(shè)計，擁有5 種低功耗模式，以適應(yīng)不同的需要。靈活的時鐘使用方式。片內(nèi)集成了豐富的功能模塊，具有很強的數(shù)字和模擬信號處理能力，既能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法又可使MSP430 單片機在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處，所以具有超低的功耗,廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、儀器儀表、軍事、家電、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。

2 理論分析與計算

2.1 EG8010 芯片

本電路采用的EG8010 是一款單相SPWM 逆變器專用芯片，采用5V 單電源供電，引腳設(shè)置4 種純正弦波輸出頻率，單極性和雙極性調(diào)制方式，自帶死區(qū)控制，引腳設(shè)置4 種死區(qū)時間，具有電壓、電流、溫度反饋實時處理，過壓、欠壓、過流、過熱保護功能。通過串口設(shè)置輸出電壓、頻率等參數(shù)。外接12832 串行液晶顯示模塊可顯示逆變器的電壓、頻率、溫度和電流等信息。可應(yīng)用于風(fēng)力、光伏發(fā)電逆變器、不間斷電源UPS 系統(tǒng)、數(shù)碼發(fā)電機系統(tǒng)、中頻電源、單相電機調(diào)速控制器、單相變頻器、正弦波調(diào)光器、調(diào)壓器、逆變焊機等。

2.2 脈沖寬度調(diào)制（SPWM）模塊

脈沖寬度調(diào)制（SPWM）理論基于沖量等效原理：大小、波形不相同的窄脈沖變量作用于慣性系統(tǒng)時，只要它們的沖量變量對時間的積分相等，其作用效果就相同。在理論上，無論沖量是何種表現(xiàn)方式，只要是沖量等效的脈沖作用在慣性系統(tǒng)上，其輸出響應(yīng)等效是基本相同的。

無論是正弦波還是與其沖量等效的等寬不等高的階梯諧波，還是與其沖量等效的等高不等寬的窄寬度脈沖序列，當(dāng)它作用于慣性系統(tǒng)后，最終輸出是效果是等效的。理論上通過上述變換正弦波通過慣性系統(tǒng)以后還是正弦波，與正弦波等效的窄寬度脈沖序列通過慣性系統(tǒng)后是與正弦波一致。正弦波的半個周期均分成n 個相等的時間段，每個時間段時長為Ts= T/2n，相對應(yīng)的角度為θs= wTs。假設(shè)第k 個時段的終點時刻為kTs，起點時刻為，相應(yīng)的第k 個時段中心處相位角為

第k 個時段幅值為Vd的窄脈沖的面積與對應(yīng)時段內(nèi)正弦波投影面積相等，脈沖寬度Tk必須滿足式

將式1 代入式2 得

因此，第k 個脈沖的寬度在Ts時段內(nèi)的占空比為

定義調(diào)制比為

如果n、Vd、V1m、w 的值確定，則M 為一常數(shù)，從而Dk變化規(guī)律是按正弦變化的，也就是說脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。這種按正弦規(guī)律輸出脈沖電壓的方法稱為正弦脈寬調(diào)制。

調(diào)制比為

從以上各式可以總結(jié)出，調(diào)制比M 如果改變，Dk相應(yīng)同比例改變，電路輸出的基波電壓也會同比例改變。

3 H 橋電路與程序設(shè)計

3.1 單相橋式逆變電路（H 橋）設(shè)計

如圖3 所示兩個三極管，一只可以實現(xiàn)對正極導(dǎo)通上拉，另一只可以實現(xiàn)對負極導(dǎo)通下拉。由完全對稱的這樣兩個電路，在同一個電路系統(tǒng)中，同時一個完成電位上拉，另一個完成電位下拉，或者相反，兩者總是保持電壓相反的輸出，這樣可以在單電源供電的情況下使負載上加載的電壓極性倒過來。由于這樣的接法加上中間的負載在電路畫中體現(xiàn)出來就像一個H 的字樣，故得名H 橋。

單相橋式逆變電路工作原理，開關(guān)T1、T4 閉合，T2、T3 斷開：Uo=Ud；開關(guān)T1、T4 斷開，T2、T3 閉合：Uo=－Ud；當(dāng)以頻率fS 交替切換開關(guān)T1、T4 和T2、T3 時則在負載電阻R 上獲得交變電壓波形（正負交替的方波），其周期，這樣，就將直流電壓E 變成了交流電壓Uo。Uo 含有各次諧波，如果得到正弦波電，則可通過濾波器濾波獲得。

圖3 單相橋式逆變電路（H 橋）

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

3.2 系統(tǒng)軟件流程圖

如圖4 所示為系統(tǒng)程序流程圖。首先配置MSP430 單片機的時鐘設(shè)置外部8M 晶振，配置串口，配置定時器，初始化串口，掃描按鍵觸值，通過按鍵控制單片機輸出頻率或電壓，通過另一按鍵控制單片機增加和減少電壓和頻率，通過串口發(fā)送到EG8010 模塊，循環(huán)掃描，實現(xiàn)電壓和頻率的調(diào)節(jié)。

4 設(shè)計裝置測試結(jié)果

4.1 測試方法

通過MSP430 單片機控制EG8010SPWM 模塊，輸出頻率在20Hz—100Hz 之間，用示波器檢測H 橋的輸出端，通過電流檢測，再通過示波器的顯示，檢查它的高頻分量是否濾除到位，其次再檢測整流濾波電路的輸出，檢查其是否為直流電以及其輸出直流電壓是否達到要求，檢測其輸出波形是否變換為50Hz、25V、0.25V、2A 的單相正弦交流電。

4.2 測試結(jié)果

表1 能量回饋裝置測試數(shù)據(jù)

（1）將H 橋逆變電路的輸出端連接一個阻性負載，用示波器檢測頻率為50Hz 0.02Hz，萬用表檢測交流電電壓為25V，達到所需要求；

（2）在滿足(1)的情況下，H 橋逆變電路的輸出交流電能夠滿足要求所需的的頻率范圍，步進1Hz；

（3）H 橋逆變電路與能量回饋裝置相連接時，系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)能量回饋，輸出電流I1=1A；

（4）H 橋逆變電路與能量回饋裝置相連接之后，其輸出端的電流I1 為2A

4.3 測試結(jié)果分析

通過以上數(shù)據(jù)可得，將阻性負載連接在H 橋逆變電路后，就能輸出50Hz、2A、25V±0.25V 的單相正弦交流電，其調(diào)節(jié)頻率在20Hz—100Hz 之間，實現(xiàn)了能量回收，達到了節(jié)能的目的。

5 結(jié)語

總而言之，隨著現(xiàn)階段節(jié)能裝置技術(shù)的快速發(fā)展，受到相關(guān)研究人員高度關(guān)注，在各項研究中對能量回收進行分析具有重要作用。該能量回饋裝置通過實驗測試數(shù)據(jù)分析能達到相應(yīng)的節(jié)能目的，裝置具有很多優(yōu)點，在設(shè)計和測試中已體現(xiàn)出來，隨著我國工業(yè)自動化程度的提高節(jié)能減排的發(fā)展需求，通過進一步的優(yōu)化在節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域可實現(xiàn)應(yīng)用推廣。