基于單片機與SPWM控制應急電源逆變電路設計

　　摘要：

　　逆變器是應急電源的重要組成部分。為了實(shí)現應急電源中逆變器輸出交流電壓的適時(shí)調節，減小輸出電壓諧波達到逆變電路數字化控制目的，三相逆變電路采用了正弦脈寬調制(SPWM)控制方法，以C8051F020單片機和SA4828為核心，完成對SPWM波的產(chǎn)生及系統的控制。利用單片機特有的端口連接完成外圍控制功能，這樣就減少了應急電源對波形產(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(zhù)社會(huì )發(fā)展，越是信息化、現代化，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)習帶來(lái)影響，尤其對于生產(chǎn)、生活中特別重要的負荷，一旦中斷供電，將會(huì )造成重大的經(jīng)濟損失。應急電源產(chǎn)品已成為很多重要場(chǎng)所必不可少的重要設備，也是能夠最有效地解決停電事故和電力質(zhì)量不穩定等問(wèn)題的有效途徑，而逆變電路是應急電源的重要組成部分。逆變電路在應急電源中的作用是當市電斷電或發(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?，以保證重要負荷或設備的正常運行。目前，逆變電源大多采用正弦波脈寬調制(SPWM)技術(shù)，其控制電路大多采用模擬方法實(shí)現。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，電路復雜，體積較大，靈活性不夠等。本文設計了一種全數字化的三相PWM逆變電源，利用專(zhuān)用SPWM波形發(fā)生器與單片機連接產(chǎn)生逆變驅動(dòng)信號SPWM波，設計中選用了單片機C8051F020控制和MITEL公司的SA4828芯片作為波形發(fā)生器。

　　逆變電路的結構與工作原理

　　圖1是逆變電路的構成。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，獲得負載所需的三相正弦交流電。

　　圖1逆變電路的結構

　　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)生器和單片機實(shí)現對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，并使輸出電壓穩定。

　　三相逆變器主電路設計

　　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為PM100CVA60六單元IPM智能功率模塊，其耐壓可達600 V，集電極最大允許電流100 A，安全工作區較寬，驅動(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)。模塊的驅動(dòng)信號為正弦脈寬調制(SPWM)信號。

　　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)把驅動(dòng)電路、多種保護電路及報警電路等功能電路集成在同一模塊內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)化硬件電路的設計，縮小電源體積，更主要的是提高了系統的安全性和可靠性。在選用智能功率模塊IPM時(shí)，根據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。計算電流時(shí)應滿(mǎn)足在輸入電壓波動(dòng)為最低時(shí)仍能滿(mǎn)足輸出功率。根據給定的技術(shù)參數計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，型號為PM100CVA60.

　　逆變控制器設計

　　控制電路的功能主要是產(chǎn)生SPWM驅動(dòng)信號。SPWM是實(shí)現逆變器輸出交流電壓調節、減小輸出電壓諧波的一種控制方法。利用SPWM控制構成的逆變器調節性能好，調節速度快，可使調節過(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)現此功能及逆變電路的數字化，本文利用單片機和專(zhuān)用SPWM波形發(fā)生器SA4828集成電路構成逆變控制器。該種方法軟件編程簡(jiǎn)單，應急電源對波形產(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。