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本文介紹一種基于單片機數字控制可調三相變單相變頻電源的設計，該系統充分運用現代電力電子技術，利用功率開關器件集成電路實現開關電源的Dc—DC變換，采用自帶：PWM波的PIcl6F877單片機經過軟件程序編程實現SPWM調制波實現逆變橋IGBT器件的控制，通過反饋電壓與采樣電壓比例比較控制占空比實現穩壓。具有自動穩壓、調節頻率寬、輸出電壓工作可調范圍大、工作效率高、電路簡潔和抗干擾性能良好等特點。 主電路 三相交流電經過可變變壓器隔離，以實現輸入電壓的大范圍調節，后送人三相橋式全波整流器，本設計使用傳統的集成整流橋來整流，使用集成整流橋整流與分立二極管整流相比，它具有通過電流更大、散熱性能更佳的優點。整流后的直流電需并聯一個高壓電容來平滑濾波，通過電容濾波得到低紋波直流電源，主電路由4只IGBT組成全橋逆變器，輸出的電壓波經過傳統常模和共模扼流線圈濾波后輸出。 控制電路設計 早期控制方法得到輸出為矩形波，諧波含量較高，諧振含量高，且其頻率較低，濾波困難，本設計采用SPWM濾波法，具有線性調壓，抑制諧波的特點。本設計全橋逆變電路應用單極性SPWM波。單極性SPWM的載波為單極性的不對稱三角波，輸出電壓也是單極性的方波，輸出電壓中包含零電平。由于其載波本身就具有奇函數對稱和半波對稱特性，無論頻率比k取奇數還是偶數輸出電壓都沒有偶次諧波。輸出電壓的單極性特性使得輸出電壓不含有k次中心諧波和邊頻諧波但卻有少量的低頻諧波分量。單極性SPWM的控制信號為一組高頻(載波頻率fc)脈沖和一組低頻(調制頻率fg)脈沖，每組的兩列脈沖相位互補。由三角載波和正弦調制波的幾何關系可以得到，在k>>1時，高頻脈沖的占空比D為 利用含具有SPWM功能的外圍功能模塊CCP的PIC單片機編程實現SPWM波和控制頻率脈寬的調節，減輕了硬件的要求且成本低，產生干擾小，具有較快的執行速度，利用面積等效法實現對逆變系統的SPWM控制。 單片機的另一個功能是通過程序中頻率參數的改變來實現輸出頻率的變化。同時由反饋穩定電路控制頻率脈寬的調節以實現輸出穩壓的目的。并由各路檢測到的過壓、過流信號經單片機處理后輸出保護控制信號，保證系統及用電設備的可靠運行。 軟件設計 軟件主要實現SPWM波的輸出及控制功能。PICl7F877具有自帶PWM信號。通過軟件程序編程實現SPWM調制波后由CCPl和CCP2端口輸出。開機后初始化8279及單片機的參數，單片機初始產生占空比50％，周期為20ms的脈沖串信號。并設定中斷向量的人口，等待鍵盤中斷輸人。此時輸人單片機直流電壓取樣電壓與輸出反饋電壓按一定比例進行比較，控制占空比，使輸出電壓伴隨直流電壓而保持穩定。待輸入變頻信號或占空比信號后，8279芯片向單片機發出中斷信號并轉入中斷服務程序。中斷服務程序中通過接收到的信號改變占空比實現調壓，改變脈沖串周期實現輸出改變的目的。 驅動電路及保護吸收電路 本設計電路橋需4路不共地驅動信號且使用的IGBT的開通柵極驅動電壓需12～20V之間，反向偏壓在-5～15V之間才能可靠工作，而單片機所輸出的控制信號電平低，且是共地，因此必須對電平進行轉換隔離，本設計將2路控制信號直接分成4路，采用東芝公司的產品TLP250，電路非常簡單實用。 TLP250采用8腳DIP封裝，輸入端內置光耦的隔離電壓達到2500V，輸入電流為5～lOmA，輸出電流達O．5A，可以直接驅動50A／1200V的IGBT，驅動電路如圖4所示，采用單電源25V供電，使用時需接一個電阻和兩個對接的穩壓管穩壓約10V，把25v的隔離電源變為+15V的導通電壓和-10V的關斷電壓，并在靠近IGBT管柵極和發射極間并接一個20kQ的電阻進行柵極保護，在集電極與發射極間采用RCD緩沖保護電路，為防直流過壓，本設計采用H9915／G30N60C3D型IGBT。 隔離電源 為了滿足驅動主電路逆變橋上的IGBT25V及單片機、光耦等其他輔助器件所需5v電源，本設計采用效率、體積、重量等指標均優于線性穩壓電源的開關電源。 本開關電源采用TOPSWITCH系列智能開關電源集成芯片，該芯片把自啟動電路、功率MOSFET、PWM控制電路以及保護電路集成在一起，提高了電源效率，簡化了外圍電路設計，降低了成本，增強了系統可靠性。電路采用單端反激式多路輸出開關電路。如圖5所示，輸入為三相電的A、C相，經交流濾波、整流、電容穩壓后，通過控制功率開關管周期性通斷工作，調節占空比使變壓器耦合輸出多路電壓，電壓反饋電路采用由TI公司和摩托羅拉公司生產的可調式精密并聯穩壓器T431，經R6、R7分壓后送到T431的Ref端，轉化為電流反饋信號，再經光耦隔離后輸入TOPSWITGH的控制端，通過改變占空比實現穩定輸出的目的。 輸出濾波電路設計 圖5由逆變后輸出的帶高頻SPWM載波的交流信號波形，圖6為示波器對其信號的FFT分析結果，諧波較小。 變電橋變頻輸出為帶高頻載波的交流信號，不能直接使用，同時IGBT等開關功率放大器的導通和關斷，電容的充放電等會產生很強的電磁干擾，為減少EMI發射量以及避免外部干擾對本電源的影響，經測試諧波較大的截止頻率均在2000Hz以上，因此可采用技術成熟的典型EMI的Ⅱ型濾波電路，用噪聲分離測量法，根據噪聲源阻抗特性及阻抗失配原則確定EMI濾波器的具體參數如下：Ll、L2用來減少常模干擾同時與后面的電容配合直接濾除高頻載波，均為45μH，去除差模干擾的c1和c4為2μF；去除共模干擾的C2、C3、C5、C6均為330nF；共模扼流圈Ll為1mH，采取雙線并繞在低損耗高導磁率的鐵氧體上，對共模和串模干擾進行抑制。該濾波電路濾波效果明顯，既滿足EMI要求，又解決傳導干擾，保證了本系統的正常T作。 采樣負反饋穩壓及微調電路 本設計直接在輸出端利用變壓器耦合后由二極管全橋整流集成塊整流經電容濾波后，用小電阻分壓，經光電耦合器耦合送到單片機，再與主電路整流濾波后分壓所得的電壓在單片機內進行比例比較對占空比的調整來控制逆變橋的穩定輸出。 試驗結果 本設計調整后經過測試表明，該逆變電源輸出波形良好，運行可靠，滿足一般性能指標要求，通過改變三相變壓器實現電壓粗調，占空比按鈕實現細調，頻率按鈕能實現輸出頻率改變，實現輸入為3相50Hz380V，輸出為單相lHz～450I-lz／0～350V的工作壞境。 本文介紹了一種可調三相變單相變頻電源的設計，該系統充分運用現代電力電子技術，利用功率開關器件集成電路實現開關電源的Dc—Dc變換，采用自帶PWM波的PICl6F877單片機經過軟件程序編程實現SPWM調制波實現逆變橋IGBT器件的控制，通過反饋電壓與采樣電壓比例比較控制占空比實現伴隨和穩壓。 該系統與傳統的可調三相變單相變頻電源相比，在保留基本功能前提下，具有效率高、體積小、重量輕、損耗小等優點，還具有良好的傳導EMI性能，這種基于單片機軟件數字化SPWM控制方式，具有較高的智能化程度，進一步提高了電源設備的可靠性，具有廣闊的應用前景。 |
