單相純正弦波變頻電源設計

孟芳芳，　田　勝，　李珊紅

(合肥學院 電子信息與電氣工程系， 安徽 合肥　230601)

0　引　言

理想的交流電源的特點是頻率穩定、電壓穩定、內阻等于零、電壓波形為純正弦波(無失真)。變頻電源是將市電中的交流電經過AC→DC→AC變換，輸出為純凈的正弦波，輸出頻率和電壓一定范圍內可調，十分接近于理想交流電源。隨著現代工業和科技的快速發展以及人民經濟實力的不斷提升，變頻電源在當今高速發展的社會中起著非常重要的作用[1]。文中可采用逆變專用芯片EG8010產生占空比可變的SPWM波，并采用全橋逆變結構，以STC15W4K60S4單片機為控制核心，設計和制作了單相純正弦波變頻電源。

1　硬件設計

1.1　整體方案設計

設計的單相純正弦波變頻電源主要由輸入電路、Boost升壓電路、產生SPWM控制器電路、驅動電路、逆變電路、電壓電流反饋電路、輸出濾波電路等組成，其總體結構框圖如圖1所示。

圖1單相純正弦波變頻電源總體結構框圖

本設計采用24 V的蓄電池給予供電，經過Boost升壓電路將電壓升到50 V以上，進而提供電壓為后續的逆變電路做漏極的輸入，EG8010[2]產生SPWM波結合驅動芯片IR2110[3]的輸出驅動功率主板發生逆變，逆變出來的波形經過LC濾波電路得到正弦波電壓提供給負載。主控部分包括微機控制系統和保護模塊，MCU作為主控芯片進行鍵值的采集，從而對EG8010芯片進行控制，使輸出交流電的頻率在20～100 Hz范圍內步進可調。保護電路采用的是EG8010芯片內部自帶的電流電壓保護電路，主要是為了整個系統能安全、正常的運行而必須設定的，其中包括輸入欠壓保護和輸出過流保護。MCU對采集到的電壓電流數據進行分析，當其中一項或者多項發生故障時，系統能自動斷開輸出，以保證設備不被損壞，LCD實時顯示系統狀態。輔助電源給各個模塊供電，滿足各模塊芯片的供電要求。

1.2　關鍵硬件模塊設計

單相純正弦波變頻電源的關鍵模塊主要包括變頻模塊和逆變主板模塊。

1.2.1變頻控制模塊設計

單相純正弦波變頻電源采用的是一款以其自身獨特的數字化和自帶死區控制的優勢，并且功能非常完善的純正弦波逆變專用芯片EG8010，設計的變頻控制電路如圖2所示。

EG8010芯片的電源由降壓芯片78L05輸出，同時再經過濾波電容提供+5 V單電源供電。本設計變頻控制模塊的具體控制方式主要是通過設定該芯片FRQSEL1，FRQSEL0引腳高低電平和控制FRQADJ引腳的電壓大小,從而來調節頻率。此次變頻的主要方式是通過單片機寫數據根據串口協議將數據發送給EG8010，同時通過單片機控制模塊輸出的模擬電壓加到引腳FRQADJ來改變輸出的頻率。設置引腳PWMTY接高電平表示輸出的PWM 為負極性，它的輸出應用在死區電平都為高電平的場合下。同時此次設計利用電流保護模塊來控制引腳SPWMEN使能端從而來控制SPWM輸出，如果SPWMEN為高電平時，表示是啟動SPWM，電流反饋引腳IFB來檢測輸出負載電流大小，當輸出電流過大時，反饋給芯片，芯片會自動設置引腳SPWMEN為低電平，此時SPWM輸出停止，即逆變停止。

1.2.2逆變主板模塊設計

變頻電源系統逆變模塊采用全橋逆變電路[4]，功率晶體管選擇IRF3710，設計的逆變功率主板模塊如圖3所示。

圖2變頻控制模塊電路原理圖

圖3　逆變功率主板模塊電路原理圖

Q4與Q6的漏極接Boost升壓后的直流電壓高達51 V，它的源極與Q5和Q7的漏極相連，并且Q5與Q7源極接直流地。Q4到Q7柵極分別接驅動電路后的HO1、LO1、HO2、LO2。VS1、VS2作為交流輸出端；R5、R6、R7、R8為電路充電時限流電阻，作用是防止瞬時充電的電流值過大，燒壞MOS管，一般取值不大選擇4.7 Ω；R13、R14、R15、R16為泄放電阻，其作用是用來釋放在關機后由于柵極存儲的電荷，一般取值5～10 K；續流二極管D6、D7、D8、D9與充電限流電阻R構成放電通路。交流輸出端由濾波電感L4與濾波電容C10、C11、C12組成濾波回路，使其逆變輸出的波形更加光滑并且諧波很小。電流取樣電阻R12串聯在電路中用于采集負載電流，并且把電流信號變換為電壓信號進行反饋與引腳IFB內部的基準峰值電壓進行比較，從而控制其SPWM輸出。

1.3　總體硬件電路原理圖設計

單相純正弦波變頻電源的主電路采取全橋逆變的結構，實現將直流電轉換為交流電的功能，設計的總體硬件原理圖如圖4所示。

圖4總體硬件電路原理圖

采用EG8010產生SPWM波，同時將SPWM波輸入驅動芯片IR2110，IR2110輸出兩路反相的PWM波來控制兩個MOS管的通斷，進而實現全橋逆變的功能。保護模式下，電流保護采用HWCT霍爾傳感器來進行輸出電流的檢測。電壓保護主要采用電阻分壓的采樣設計，通過引腳VFB反饋給EG8010，從而保護整個系統的安全。MCU主要采用STC15F2K60S2作為主控芯片[5]來進行電流電壓的控制，并對數據進行采集，采集到的數據經過分析處理后送入LCD1602顯示屏進行實時顯示。輔助電源直接使用直流穩壓電源通過LM2596-12輸出+12 V，再級聯LM2596-5.0穩壓芯片產生+5 V電壓提供給各個電路模塊。

2　軟件設計

單相純正弦波變頻電源的軟件設計主要包括主程序、1602顯示、A/D轉化及按鍵消抖程序的設計，其中系統主程序軟件流程如圖5所示。

圖5單相純正弦波變頻電源主程序軟件流程圖

具體設計思路：系統啟動后先進行初始化，然后進行檢測是否有啟動鍵按下。如果檢測到啟動按鍵按下，則進行電壓電流的檢測，相反，如果沒有檢測到啟動按鍵的按下，則此時一直檢測是否有啟動鍵按下，直到檢測到啟動鍵按下為止。首先系統進行電壓、電流值的采集，然后進入欠壓、過流保護判斷，如果檢測到供電電壓小于18 V或輸出電流大于2.5 A時，那么系統就會自動停止工作，此時顯示器顯示系統處于關閉狀態。相反，如果系統檢測到沒有過流和欠壓時，那么就進行檢測是否有頻率鍵按下，如果檢測到有頻率鍵按下時，那么就要判斷這個頻率鍵是頻率加鍵還是頻率減鍵，然后對相應的鍵值根據串口協議發送相應的數據給EG8010，從而來控制輸出的頻率。系統保護后用戶需要重新啟動才能重新正常工作[6-9]。

3　系統測試

測試主要進行了輸出頻率步進可調測試、負載調整率測試、電壓調整率測試、輸出過流保護測試、整個系統效率測試5部分。輸出頻率步進可調實物測試圖如圖6所示。

圖6輸出頻率步進可調實物測試圖

測試數據見表1～表5。

表1　輸出頻率步進可調測試表

表2　負載調整率測試表

表3　電壓調整率測試表

表4　過流保護測試表

表5　變頻電源效率測試表

測試結果表明,輸出的頻率以10 Hz步進可調，并且輸出的電壓均在(36±0.5) V；負載調整率S均小于1%；電壓調整率u均低于1%；當Io超過2.5 A時，整個系統會自動停止工作,并通過顯示屏顯示系統工作不正常；單相純正弦波變頻電源的效率在95%左右。

4　結　語

本設計以STC15F2K60S2單片機以及EG8010 SPWM產生芯片為核心，采用全橋逆變結構實現對此次變頻電源的電壓轉換，并且保證了輸出電壓Uo=(36±0.5) V的情況下輸出頻率在20～100 Hz范圍內步進可調，同時也保證了輸出頻率為(50±0.5) Hz時，最大輸出電流Io≥2 A；當負載電流在0.2～2 A范圍變化時，負載調整率也在5%以內，并且負載電流Io=2 A，當U1在18～30 V范圍變化時，電壓調整率小于1%。電路具有過流保護功能，能在動作電流Io超過閾值Iom=(2.5±0.2) A時，保護時自動切斷輸入電源并進行提示；單相純正弦波變頻電源在輸出電流為2 A，輸出電壓為36 V時，輸出正弦波的總諧波失真在5%以內，并且變頻電源的整體效率在95%左右，效率高。

參考文獻：

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[9] 孟芳芳，李珊紅，衛明.基于WEB自動化創客實驗室管理系統[J].長春工業大學學報，2017,38(6)：584-591.