基于單片機(jī)與SPWM控制應(yīng)急電源逆變電路設(shè)計(jì)

　　摘要：

　　逆變器是應(yīng)急電源的重要組成部分。為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)急電源中逆變器輸出交流電壓的適時(shí)調(diào)節(jié)，減小輸出電壓諧波達(dá)到逆變電路數(shù)字化控制目的，三相逆變電路采用了正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方法，以C8051F020單片機(jī)和SA4828為核心，完成對(duì)SPWM波的產(chǎn)生及系統(tǒng)的控制。利用單片機(jī)特有的端口連接完成外圍控制功能，這樣就減少了應(yīng)急電源對(duì)波形產(chǎn)生的處理時(shí)間，保證波形具有較高精度，而且電路硬件連接簡(jiǎn)單。

　　引言

　　隨著社會(huì)發(fā)展，越是信息化、現(xiàn)代化，就越依賴(lài)于電力，突然斷電會(huì)給人們正常的生活秩序和學(xué)習(xí)帶來(lái)影響，尤其對(duì)于生產(chǎn)、生活中特別重要的負(fù)荷，一旦中斷供電，將會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。應(yīng)急電源產(chǎn)品已成為很多重要場(chǎng)所必不可少的重要設(shè)備，也是能夠最有效地解決停電事故和電力質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題的有效途徑，而逆變電路是應(yīng)急電源的重要組成部分。逆變電路在應(yīng)急電源中的作用是當(dāng)市電斷電或發(fā)生異常時(shí)，將蓄電池提供的直流電壓逆變?yōu)槿嘟涣麟娸敵?，以保證重要負(fù)荷或設(shè)備的正常運(yùn)行。目前，逆變電源大多采用正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)，其控制電路大多采用模擬方法實(shí)現(xiàn)。模擬控制技術(shù)雖然已經(jīng)非常成熟，但存在很多缺點(diǎn)如：控制電路的元器件多，電路復(fù)雜，體積較大，靈活性不夠等。本文設(shè)計(jì)了一種全數(shù)字化的三相PWM逆變電源，利用專(zhuān)用SPWM波形發(fā)生器與單片機(jī)連接產(chǎn)生逆變驅(qū)動(dòng)信號(hào)SPWM波，設(shè)計(jì)中選用了單片機(jī)C8051F020控制和MITEL公司的SA4828芯片作為波形發(fā)生器。

　　逆變電路的結(jié)構(gòu)與工作原理

　　圖1是逆變電路的構(gòu)成。由蓄電池提供的直流電通過(guò)三相逆變電路變?yōu)榻涣麟?，其基波頻率是逆變電源的輸出頻率，該交流信號(hào)經(jīng)過(guò)輸出變壓器隔離，再由低通濾波器濾去諧波，獲得負(fù)載所需的三相正弦交流電。

　　圖1逆變電路的結(jié)構(gòu)

　　在逆變電路中，逆變器及其控制是逆變電路的核心。逆變器的控制采用SPWM控制方式，本文利用SPWM波發(fā)生器和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器及輸出電壓的控制。由控制器產(chǎn)生的SPWM波控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而控制輸出電壓及其波形，并使輸出電壓穩(wěn)定。

　　三相逆變器主電路設(shè)計(jì)

　　三相逆變器主電路如圖2所示，是由三相逆變橋、變壓器、濾波器組成。

　　圖2 三相逆變主電路圖

　　逆變器開(kāi)關(guān)器件采用6單元IPM智能功率模塊。LCR低通濾波器中電感L的作用是抑制高次諧波通過(guò);電容C為逆變器產(chǎn)生的高次諧波提供旁路;電阻R起阻尼作用，防止或抑制諧波的產(chǎn)生。在市電工作中斷或者不正常時(shí)，蓄電池電壓被加到直流總線(xiàn)上，通過(guò)由智能功率模塊組成的逆變器，然后通過(guò)由LCR組成的濾波器和三相功率變壓器，形成相電壓為220 V的三相正弦交流電給負(fù)載供電。三相逆變器的開(kāi)關(guān)器件采用日本富士公司型號(hào)為PM100CVA60六單元IPM智能功率模塊，其耐壓可達(dá)600 V，集電極最大允許電流100 A，安全工作區(qū)較寬，驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)頻率高、飽和壓降低。另外該模塊還具有帶過(guò)流控制、濾波器體積小、噪聲低、易散熱、可靠性高等特點(diǎn)。模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正弦脈寬調(diào)制(SPWM)信號(hào)。

　　功率元件智能功率模塊IGBT-IPM是以功率器件IGBT為主體，同時(shí)把驅(qū)動(dòng)電路、多種保護(hù)電路及報(bào)警電路等功能電路集成在同一模塊內(nèi)的新型混合集成電路。用智能功率模塊作為電源的功率器件，可以簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)，縮小電源體積，更主要的是提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。在選用智能功率模塊IPM時(shí)，根據(jù)電壓和電流的定額選擇。功率元件的電流定額考慮(2～3)倍的安全裕量。計(jì)算電流時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足在輸入電壓波動(dòng)為最低時(shí)仍能滿(mǎn)足輸出功率。根據(jù)給定的技術(shù)參數(shù)計(jì)算功率元件的最大輸出功率、額定電流值、額定電壓值，最終選用100 A/600 V的智能功率模塊，型號(hào)為PM100CVA60.

　　逆變控制器設(shè)計(jì)

　　控制電路的功能主要是產(chǎn)生SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。SPWM是實(shí)現(xiàn)逆變器輸出交流電壓調(diào)節(jié)、減小輸出電壓諧波的一種控制方法。利用SPWM控制構(gòu)成的逆變器調(diào)節(jié)性能好，調(diào)節(jié)速度快，可使調(diào)節(jié)過(guò)程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動(dòng)態(tài)性能，輸出電壓波形接近正弦。為了實(shí)現(xiàn)此功能及逆變電路的數(shù)字化，本文利用單片機(jī)和專(zhuān)用SPWM波形發(fā)生器SA4828集成電路構(gòu)成逆變控制器。該種方法軟件編程簡(jiǎn)單，應(yīng)急電源對(duì)波形產(chǎn)生的處理時(shí)間少，并能保證波形具有較高精度，而且硬件連接簡(jiǎn)單。