三相逆變電源設計

2015-03-27 07:33:12廣東工程職業技術學院饒光洋薛金水

電子世界 2015年20期

廣東工程職業技術學院饒光洋薛金水

1 引言

當今是全球經濟一體化的格局，信息技術高速發展產業鏈不斷擴展，這些對當今的社會和經濟的發展都產生的深遠的影響，甚至滲透我們生活的各個方面。當下已為人們廣泛的意識到的事實是：通信設備以及計算機等設備都是非線性負載的設備，他們在運行過程中產生的很多的“諧波污染”，這種諧波可以輕松的通過電源線路傳入普通電網的造成供電網絡電源的質量下降。如果電網中的電源質量得不到改善，這些諧波可能會引起電網的電壓和頻率急劇波動，有可能導致處理器計算結果錯誤甚至損壞硬件設備的嚴重后果。

在某些對電源有特殊的部門和機構，比如：醫用臨床系統，電信和移動電話通信系統，國防航空管理系統，銀行結算系統和證券交易系統中的計算機網絡通信系統，售票系統和公路鐵道調度等都需要可靠的高質量電源支持，而不間斷電源系統UPS就在這些領域和場合被越來越廣泛地采用。

2 系統整體方案設計框圖

圖2.1 逆變裝置系統結構框圖

2.1 主電路拓撲結構

全橋逆變結構是逆變器在主電路常用的拓撲電路，如圖2.2所示，全橋逆變電路具有機構簡單高效的能量轉化特性，因此在逆變器中得到廣泛應用，該器件低電壓下可以工作，不依賴變壓器參與逆變。

圖2.2 逆變拓撲

2.1.1 輸出濾波器

電源輸出部分采用LC濾波。參數計算[1]如下：

（1）參數

逆變拓撲輸出電感電流紋波最大值：

由此可得，在倍頻之后等效開關頻率f S=40kHz。關于等效開關頻率的選擇請見2.2節。

一般地，應滿足下式要求：

其中為逆變器最大輸出功率，為輸出電壓有效值。

依題目要求，得到：

（2）參數

根據LC截止頻率確定濾波電容的容值：

2.1.2 輸入解耦電容

2.2 SPWM調制方式

SPWM調制方式主要有：①雙極性調制；②單極性調制；③倍頻調制，這三種方式可以應用于全橋逆變電路。通過對上訴三者比較，其中倍頻調制有明顯的優勢。首先倍頻調制支持Ud 、0和-Ud這三種輸出電平，同在等開關頻率下所需要的濾波電感也是最小這樣有利于控制成本，而且dv/dt較小，在設備工作的過程中產生的EMI干擾較??；其次倍頻調制輸出在相同載波頻率時，由于每個載波頻率周期輸出的脈沖個數是加倍的，其含有的諧波成分大幅度的減少，這種高頻率也進一步實現精準的電壓控制。

在設計中載波頻率：f C=20k Hz，等效開關頻率：fS=40kHz。

2.3 正弦指令值產生策略

SPWM的全稱是脈沖寬度調試，它是通過改變輸出方波高低電平的占空比來改變等效的輸出電壓。被廣泛地應用電動機調速的工業自動化自動化控制系統中，工控變頻器就是采用這種控制方式。在用軟件編程過程中產生正弦指令值可以采用計算和查表兩種方法來實現。為了減少系統CPU的資源占用，在本系統中采用查表法。

圖2.3

為了得到平滑的正弦波信號，將一個標準正弦函數四分之一周期均勻的等分成一百份，將每個等份線處對應的位置通過相應的計算得到函數的一個值并把這些值制作成一個一維數組unsingned char mode [101]。

period和count分別表示當前輸出波形的相位和周期。表2.2的幾個點的結果，就是由此公式推算出來的，即：

如果n≥100，則可利用三角函數誘導公式計算。方法如下：

公式中正弦指令值用ucmd表示，幅度值用A表示。

腦卒中屬臨床常見多發疾病，尤以缺血性腦卒中占比較高，致死率、致殘率較高[1]。動脈粥樣硬化被認為是缺血性腦卒中常見病因，隨著缺血性腦卒中發病機制研究的不斷深入，越來越多的學者認為，炎癥細胞及炎癥介質在缺血性腦卒中發生、發展中起到重要作用[2]。脂蛋白相關磷脂酶A2是一種新型炎癥標志物，其可將低密度脂蛋白中的氧化磷脂水解并生成溶血磷脂酰膽堿及氧化型游離脂肪酸，這些促炎性產物參與動脈粥樣硬化的起始、形成、發展以及斑塊破裂等階段[3-4]。本研究旨在探討急性缺血性腦卒中影響因素，分析脂蛋白相關磷脂酶A2與急性缺血性腦卒中發生的相關性。現報道如下。

通過上面公式可以計算出各對應點的ucmd,這種方法只需要占用少量的系統資源，并通過簡單的計算便可以實現在載波頻率不變的條件下得到不同頻率正弦指令值。

2.4 死區時間及其補償

圖2.4

在逆變橋臂的設計上如圖2.4所示，在橋臂上驅動和下管驅動中加入死區時間可以有效的避免橋臂短路直通，圖2.6中 SPWM波形發生了畸變也就是由于圖2.5中陰影就是死區的時間所以造成的，其形成的主要原因分析如下：

電感電流方向如圖2.4中箭頭所示。S1向S2換流時S1是關斷的，死區時間對波形沒有造成任何影響，因為此時S2仍然是導通的；但是由S2向S1換流時，S2關斷后電流仍可以從S2的續流二極管流過，橋臂中點的電壓UMN保持為0，直到S1閉合。這樣就使得橋臂輸出電壓不是一條平滑的電壓曲線。當電感電流反向時，同樣的分析可知死區將導致橋臂輸出電壓抬高。這樣得到的電壓曲線有是不平滑的，如圖2.6所示, 在橋臂輸出波形出現了畸形的正弦波，造成這種現象的根源就是死區時間。這是一種低頻率的畸形波，LC型輸出濾波器對其濾波的效果并不理想。

圖2.5

圖3.1 全橋逆變電路

圖2.6

為了解決死區電壓對波形造成的影響，本設計通過軟件的方面對波形進行補償。補償的方法是監控流經電感的電流，當電流大于零，按相應比例減小SPWM的調制波占寬比；當電流小于零，則按相應比例增加SPWM的調制波占寬比。經軟件的這種矯正，輸出波形效果得到明顯的改善。

3 系統硬件設計

3.1 全橋逆變電路

選擇全橋逆變電路拓撲電路，使用雙極性SPWM進行控制，輸出50HZ的正弦波形。全橋逆變電路由兩個功率MOSFET組成的橋臂，如圖3.1 所示。

在理論上為MOSFET管的最大承受電壓應該是等于電源電壓，但考慮到在實際的工作工程中是高頻振蕩的這會產生高頻脈沖電壓，為了保證系統的可靠性，MOSFET管需要留一定電壓余量，通常設置MOSFET管的耐壓為倍電源電壓的1.5倍以上，即：

根據以上公式的計算，為了控制好成本減少磁通損耗，本設計選用低內阻高耐壓的快速開關管IRF630作為逆變器的功率管，實際工作工程發熱量很小符合設計要求。

3.2 開關管驅動電路

IR2110是IR公司專用驅動芯片，其電路原理應用圖如圖3.2所示。該芯片可以同時驅動定兩個功率MOSFET管，具有外圍電路簡單，穩定可靠的特性。

圖3 .2 開關管驅動芯片電路

4 系統軟件設計

4.1 SPWM的生成方法

采樣方式的確定：

在本項目中引用了固定的時間間隔對調制波的大小進行采樣的方法稱之為規則采樣。這種采樣法的基本原理是在三角波和正弦波的交點時刻控制功率開關器件的通斷，以每兩個交點的間隔時間差作為產生SPWM波形的依據，這種生成SPWM的方法稱為自然采樣法。自然采樣法是故障采用種的一種特殊形式有著廣泛的應用，而在實際工程應用上為了得到相對的數據，通過多次的采樣并應用用模糊算法可以有效的提高精度。

4.2 SPWM信號產生

為了高效的利用CPU的資源在本設計一組一維數組，通過設定STM32F103RC的高級定時器TIM1的相關值，產生三相互補六通道的SPWM驅動信號。如果定時器的時鐘的頻率為72MHz那么經過的預分頻分頻后作為時鐘周期，載入初值寄存器的數值與比較寄存器的數值不斷的進行比較，當兩個寄存器的數值相等時對應的IO空發生電平的反轉，并向CPU發出中斷請求，從而輸出SPWM信號。