三相逆變器的并機模擬系統

張勇，孟麗囡，寧武

（遼寧工業大學電子與信息工程學院，遼寧錦州，121001）

0 引言

在電力系統中，分布式發電系統所組成的系統有助于減少對資源的消耗，逐漸成為發電行業的主要趨勢，但仍存在一定缺點，由于時間的不連續、可再生能源的多樣性及不確定性，在應用中要對電源進行優化調整。

三相逆變器的并機系統是由DC穩壓電源[1]、兩路三相逆變電路[2-3]、組協同開關、控制核心RX23T單片機和三相Y型負載構成，其輸出交流母線電壓THD小，效率高，負載調整率小，很好地解決了分布式系統的問題，有著重要意義和較為廣闊的前景。

1 整體設計方案

系統總體框圖如圖1所示，DC穩壓電源輸入，主機和從機中的單路三相逆變器既可獨立運行[4]，又能與另一路三相逆變器同步運行。單路逆變器獨立工作時，由EG8030產生三相SPWM信號，經過EG3012隔離驅動芯片，實現對逆變橋臂開關的控制。基于RX23T單片機[5]設計組協同開關實現主機和從機的同步控制。三相逆變器并機[6]工作時，采用主從模式對兩路控制信號進行同步，從而實現三相Y型負載輸出的同步。

圖1 系統總體框圖

2 電路設計

2.1 SPWM信號發生電路

本套系統由EG8030芯片產生三相SPWM信號，并工作在三相同步閉環穩壓模式，具有容易實現、可靠性高等優點。由于是采用同步穩壓，SPWM調制深度相同，所以當負載不平衡時，三相電壓會出現一定的偏移。EG8030芯片具備電壓失衡保護功能，該功能會限制每一相的最高電壓不會超過預設的10%，并且三相電壓嚴重失衡時，采取關斷保護。

2.2 驅動電路設計

如圖2所示，驅動電路采用EG3012芯片對功率開關柵極進行驅動，EG8030的三組SPWM信號輸出分別連接到U1-U3的高端HIN和低端LIN輸入引腳，經過內部達林頓輸出結構提高輸入信號功率，將芯片的高端HO和低端LO的輸出引腳分別連接至三路逆變半橋的高、低邊MOSFET的柵極，實現對開關驅動。

圖2 功率開關驅動電路

EG3012的高端輸出附加自舉電路，自舉電路由快恢復二極管FR107和10μF鉭電容組成，保證能夠實現對逆變橋中高端MOSFET的驅動。當LO輸出高電平，即上管關斷，下管開通時，自舉電容C充電至足夠電壓；當HO輸出高電平，即上管導通、下管關斷時，二極管具有反向阻斷作用，將連接至高端MOSFET源極的VS端鉗位，即抬高了高端地電位，保證了驅動電平始終大于源極電位，實現了高端MOSFET的穩定導通。

2.3 三相逆變器主電路結構及原理

如圖3所示，三相逆變電路的主回路由DC輸入、全橋逆變、濾波和負載四部分構成。40V電壓輸入到逆變器直流母線，經過三相逆變橋進行逆變操作，LC濾波器濾除高頻開關信號，輸出到三相Y型負載。其中逆變橋臂功率開關的柵極驅動信號是由EG8030產生所需的SPWM信號，并輸入到三路半橋隔離驅動芯片EG3012的HIN、LIN兩個邏輯輸入控制信號接收端口，其輸出端口HO、LO接到功率開關的柵極，實現對開關狀態的控制及切換。

圖3 三相逆變器主電路圖

其中，MOSFET的柵極前端1N4148二極管是為了防止其關斷時對前端驅動芯片產生電壓沖擊。由于功率開關的柵源間存在極間電容，在提供柵極高電平驅動信號時極間電容充電，如不加適當的驅動電阻就會在柵極產生較高的電壓變化率，因此本設計外加了一個4.7Ω電阻，從而保護MOSFET不被損壞。MOSFET的10kΩ對地電阻目的是為了加快MOSFET的關斷，進而提高開關速度。

2.4 三相對稱Y接負載電阻計算

負載電阻連接方式如圖4所示，IA、IB、IC為線電流，對于對稱星型電源，線電壓為UAB、UBC、UCA，相電壓為UA、UB、UC，根據公式(1)有：

圖4 負載電阻連接圖

因為UAB+UBC+UCA=0，當線電壓對稱時，相電壓也依序對稱，它是相電壓的1.732倍，且依次超前其30°。因此根據公式(2)計算，可以得出本系統的負載線電壓和負載相電壓為：

因此，調整負載來觀察輸出電流的變化。當負載線電流為1A，負載電阻應為13.86Ω；負載線電流為2A，負載電阻應為6.93Ω；負載線電流為3A，負載電阻應為4.62Ω，系統中的負載電阻功率均采用100W。

2.5 主控單片機電路

RX23T單片機可以隨時響應按鍵、通信等外部中斷信號，并對其進行相應處理，且響應速度比一般處理器快。RX23T單片機為32位CPU，最大工作主頻40MHz，片上調試功能，采用極低的功耗架構，多達12個擴展功能的定時器，具有重要寄存器寫保護功能及內存保護單元。

如圖5所示，主控單片機電路由RX23T單片機、按鍵電路、濾波電路、LCD液晶顯示電路、外部通信接口等五部分構成。單片機通過采樣輸出數據，外部中斷處理和內部數學運算，從而采集兩路逆變器輸出的SPWM信號。按鍵電路控制逆變器同步輸出的運行模式，濾波電路為濾除高次的諧波，實現兩路三相逆變器并機。單片機的A/D模塊采集輸出電壓、電流和頻率，并在LCD液晶顯示。

圖5 主控單片機電路圖

3 系統軟件設計

3.1 并機模擬系統程序設計

并機模擬系統程序流程圖如圖6所示，兩個RX23T單片機作為主機和從機的控制核心，若并行工作，則主機發送同步信號給從機，檢測SPWM信號，當從機接收到同步信號后，也立即檢測SPWM信號，在檢測完成后，從機向主機反饋就緒信號，主機收到就緒信號后，給自身和從機發送下降沿信號，使主機和從機同時觸發外部中斷，使兩路SPWM信號同步，三相逆變器并機模擬運行。此時，從機的單片機啟用數字PLL算法，對兩路輸出電壓的相位差進行實時檢測，通過數字PLL算法計算，并調整自身輸出電壓的相位，使其與主機輸出相位完全同步，保護逆變器的穩定運行，提高并機輸出效率。

3.2 A/D數據采集程序設計

本系統采用RX23T內部的兩個ADC，分別為ADC1檢測電壓，ADC2檢測電壓后轉換成電流。

ADC檢測程序流程圖如圖7所示，初始化ADC，設置ADC的規則組通道、序列和采樣時間，使能啟動ADC轉換，獲取ADC值為ADC1，轉換次數為times，根據公式(3)，多次運算，得到ADC平均值

圖7 A/D數據采集程序流程圖

在轉換結束后，采集平均值，經公式(4)運算，則得到ADC1電壓值U1。

同理，ADC2經運算可得到電壓值U2，采樣電阻為R，經公式(5)運算，則得到ADC2電流值I。

其數值均在LCD液晶屏幕顯示。

3.3 輸入捕獲程序設計

本系統采用輸入捕獲實驗，采集三相逆變器并網的頻率值。主控單片機對定時器輸入捕獲，通過兩次波形的下降沿來進行計算，從而得到對應輸出的頻率值。

輸入捕獲程序流程圖如圖8所示，初始化配置定時器和PF5端口的相關參數。對于輸入捕獲模式的中斷服務函數，在記錄定時器捕獲到值時，直接將TIM2的CCR2寄存器里面的值賦值給相應變量。第二次檢測到上升沿捕獲到的值Rise和第一次捕獲到的值Fall，兩者之差為定時器計數的數值差，根據TIM_Prescaler=0，主頻率為72MHz，根據公式(6)計算得到逆變器的頻率為：

圖8 輸入捕獲程序流程圖

其頻率在LCD液晶屏幕顯示。

4 測試結果及分析

三相逆變器獨立運行時，工作狀態參數如表1所示。

表1 逆變器1或2獨立運行狀態參數

在功率分析儀測試狀態下，逆變器電路在負載線電流有效值為2A時，穩定輸出線電壓24V，交流母線電壓總諧波畸變率為2.8%，頻率為50Hz，效率為91.8%。負載線電流有效值Io從0A到2A時，負載調整率低至0.2%。

兩路三相逆變器并機運行時，工作狀態參數如表2所示。

表2 逆變器1、2并機運行狀態參數

經萬用表測試驗證，兩路逆變器共同供電，線電壓有效值為23.99V，負載線電流有效值為3A，線電流差值絕對值為0.02A。

5 結論

單路三相逆變器獨立運行時，輸出交流母線電壓THD小于3%，效率高達92%，負載調整率小于0.3%。兩路三相逆變器并聯模擬運行時，線電壓有效值24V，負載線電流有效值可達3A，線電流差值絕對值不大于0.05A，系統實現了兩路三相逆變器完全同步運行。