變流器負(fù)載試驗(yàn)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(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，在變流器的輸出端連接負(fù)載,該負(fù)載的能耗就成為輸出電能消耗。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能，應(yīng)進(jìn)行能量回饋利用。能量回饋裝置是依據(jù)上述工作過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，裝置原理是負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，直流電源通過(guò)逆變器變?yōu)榻涣麟姡瑢⑤敵龅慕涣麟娡ㄟ^(guò)反饋電路至供電電源端，交流電源通過(guò)逆變電路轉(zhuǎn)換成直流電，并通過(guò)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(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的。

1 系統(tǒng)原理框圖

變流器負(fù)載實(shí)驗(yàn)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(dòng)、AC/DC 變流器、MSP430 單片機(jī)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(dòng)H 橋，在通過(guò)LC 低通濾波器濾除高頻分量，還原低平交流電。通過(guò)單片機(jī)MSP430 對(duì)EG8010SPWM 模塊控制，使其輸出頻率在0-100 之間，并通過(guò)液晶屏LCD12864 顯示。H 橋輸出的交流電通過(guò)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(shí)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(shí)雙橋臂同時(shí)做脈沖寬度調(diào)制（SPWM）輸出，應(yīng)用時(shí)使用兩路電感濾波特性將會(huì)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(shí)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(shí)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(guò)比較上述兩種調(diào)制方式，結(jié)合工程實(shí)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(shí)，采用峰值點(diǎn)采樣輸出電壓，受負(fù)載變化或輸入電壓波動(dòng)等因數(shù)影響調(diào)制輸出電壓可能會(huì)出現(xiàn)偏離，信號(hào)通過(guò)EG8010 能在輸出交流電壓的1～3 個(gè)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(jì)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(hào)微處理器，具有豐富的尋址方式，和高速的運(yùn)算能力。專為超低功耗設(shè)計(jì)，擁有5 種低功耗模式，以適應(yīng)不同的需要。靈活的時(shí)鐘使用方式。片內(nèi)集成了豐富的功能模塊，具有很強(qiáng)的數(shù)字和模擬信號(hào)處理能力，既能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法又可使MSP430 單片機(jī)在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)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(dòng)化等領(lǐng)域。

2 理論分析與計(jì)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(shí)間，具有電壓、電流、溫度反饋實(shí)時(shí)處理，過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)功能。通過(guò)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(jī)系統(tǒng)、中頻電源、單相電機(jī)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(jī)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(shí)，只要它們的沖量變量對(duì)時(shí)間的積分相等，其作用效果就相同。在理論上，無(wú)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(wú)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(guò)上述變換正弦波通過(guò)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(guò)慣性系統(tǒng)后是與正弦波一致。正弦波的半個(gè)周期均分成n 個(gè)相等的時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段時(shí)長(zhǎng)為T(mén)s= T/2n，相對(duì)應(yīng)的角度為θs= wTs。假設(shè)第k 個(gè)時(shí)段的終點(diǎn)時(shí)刻為kTs，起點(diǎn)時(shí)刻為，相應(yīng)的第k 個(gè)時(shí)段中心處相位角為

第k 個(gè)時(shí)段幅值為Vd的窄脈沖的面積與對(duì)應(yīng)時(shí)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(gè)脈沖的寬度在Ts時(shí)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(shuō)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(huì)同比例改變。

3 H 橋電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 單相橋式逆變電路（H 橋）設(shè)計(jì)

如圖3 所示兩個(gè)三極管，一只可以實(shí)現(xiàn)對(duì)正極導(dǎo)通上拉，另一只可以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)極導(dǎo)通下拉。由完全對(duì)稱的這樣兩個(gè)電路，在同一個(gè)電路系統(tǒng)中，同時(shí)一個(gè)完成電位上拉，另一個(gè)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(fù)載上加載的電壓極性倒過(guò)來(lái)。由于這樣的接法加上中間的負(fù)載在電路畫(huà)中體現(xiàn)出來(lái)就像一個(gè)H 的字樣，故得名H 橋。

單相橋式逆變電路工作原理，開(kāi)關(guān)T1、T4 閉合，T2、T3 斷開(kāi)：Uo=Ud；開(kāi)關(guān)T1、T4 斷開(kāi)，T2、T3 閉合：Uo=－Ud；當(dāng)以頻率fS 交替切換開(kāi)關(guān)T1、T4 和T2、T3 時(shí)則在負(fù)載電阻R 上獲得交變電壓波形（正負(fù)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(guò)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(jī)的時(shí)鐘設(shè)置外部8M 晶振，配置串口，配置定時(shí)器，初始化串口，掃描按鍵觸值，通過(guò)按鍵控制單片機(jī)輸出頻率或電壓，通過(guò)另一按鍵控制單片機(jī)增加和減少電壓和頻率，通過(guò)串口發(fā)送到EG8010 模塊，循環(huán)掃描，實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的調(diào)節(jié)。

4 設(shè)計(jì)裝置測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試方法

通過(guò)MSP430 單片機(jī)控制EG8010SPWM 模塊，輸出頻率在20Hz—100Hz 之間，用示波器檢測(cè)H 橋的輸出端，通過(guò)電流檢測(cè)，再通過(guò)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(cè)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(dá)到要求，檢測(cè)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(cè)試結(jié)果

表1 能量回饋裝置測(cè)試數(shù)據(jù)

（1）將H 橋逆變電路的輸出端連接一個(gè)阻性負(fù)載，用示波器檢測(cè)頻率為50Hz 0.02Hz，萬(wàn)用表檢測(cè)交流電電壓為25V，達(dá)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(jìn)1Hz；

（3）H 橋逆變電路與能量回饋裝置相連接時(shí)，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(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可得，將阻性負(fù)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(shí)現(xiàn)了能量回收，達(dá)到了節(jié)能的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

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(xiàng)研究中對(duì)能量回收進(jìn)行分析具有重要作用。該能量回饋裝置通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析能達(dá)到相應(yīng)的節(jié)能目的，裝置具有很多優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和測(cè)試中已體現(xiàn)出來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化程度的提高節(jié)能減排的發(fā)展需求，通過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化在節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用推廣。