基于单片机控制新型逆变稳压电源的设计(编辑修改稿)

基于单片机控制新型逆变稳压电源的设计(编辑修改稿)内容摘要：

由两个 电力半导体器件组成的导电臂，电流从一个臂向另一个臂转移的过程称为换流（或换相）。 在换流过程中，有的臂从导通到关断，有的臂从关断到导通。 要使某一臂导通，只要给组成该导电臂的器件的控制极施加适当的信号，但要使某一臂关断，情况就复杂多了。 全控型器件可以用适当的控制极信号使其关断，而半控型晶闸管，必须利用外部条件或采取一定的措施才能使其关断。 晶闸管要在电流过零以后再施加一定时间的反向电压，才能使其关断。 一般来说，换流方式可分为以下几种： (1)器件换流。 利用全控型电力电子器件自身具有的关断能力进行换流，称为器件换 流。 (2)电网换流。 由电网提供换流电压称为电网换流。 整流电路的换流方式就是电网换流。 (3)负载换流。 由负载提供换流电压，凡是负载电流的相位超前电压的场合，都可实现负载换流。 (4)脉冲换流。 设置附加的换流电路，由换流电路内的电容提供换流电压，称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或电容换流。 脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流两种。 在上述四种换流方式中，器件换流只适应于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言。 单相电压型逆变电路 逆变电路根据直流侧电源的性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的 称为 18 电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。 在本文中，我们主要讨论单相电压型逆变电路的基本构成、工作原理和特性，图 27为其电路。 电压型逆变电路有以下一些特点： ，或并联有大电容，相当于电压源。 直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。 ，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。 而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。 ，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。 为了给交流侧向直流侧反馈的无 功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。 下面，我们讨论一下单相全桥电压型逆变电路。 单相全桥电压型逆变电路的原理图如图 27 所示，它共有 4个桥臂，桥臂 1和 4 作为一对，桥臂 2和 3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通 o180。 其输出电压 ou 的波形如同 25(b)所示，是矩形波，下面我们对其电压波形作定量分析。 把幅值为 dU 的矩形波 ou 展开成傅里叶级数得 : 4 11( s in s in 3 s in 5 )35do UU  ω t+ ω t+ ω t+ 其中基波得幅值 o1mU 和基波有效值 o1U 分别为 1 4 1 .2 7= do m dUUU  19 1 22 0 .9= dodUUU  SPWM控制技术及其原理 SPWM 控制的基本原理 如图 28(a)所示，我们将一个正弦波半波电压分成 N 等分，并把正弦曲 线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到如图 28(b)所示得脉冲列，这就是SPWM 波形。 正弦波得另外半波可以用相同得办法来等效。 可以看出，该 PWM波形的脉冲宽度是按正弦规律变化，称为 SPWM 波形。 图 28SPWM 波形 根据采样控制理论，脉冲频率越高， SPWM 波形便越接近正弦波。 逆变器的输出电压为 SPWM 波形时，其低次谐波得到很好地抑制和消除，高次谐波又能很容易滤去，从而可得到崎变率极低的正弦波输出电压。 SPWM 控制方式就是对逆变 电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其他所需要的波形。 从理论上讲，在给出了正弦半波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，脉冲波形的宽度和间隔便可以准确计算出来。 然后按照计算的结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的波形。 但在实际应用中，人们常采用正弦波与等腰三角波相交的办法来确定各矩形脉冲的宽度。 等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个光滑曲线相交时，即得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲，这种方法 20 称为 调制方法。 希望输出的信号为调制信号，把接受调制的三角波称为载波。 当调制信号是正弦波时，所得到的便是 SPWM 波形。 当调制信号不是正弦波时，也能得到与调制信号等效的 PWM 波形。 单极性和双极性 SPWM控制方式 图 29给出了电压型单相桥式 PWM 逆变电路原理图。 如图 210 所示，载波信号 CU 在信号正半周为正极性的三角波，在负半周为性的三角波，调制信号 rU 和载波 CU 的交点时刻控制逆变器电力晶体管 T T4的通断。 各晶体管的控制规律如下： 在 rU 的正半周期， T1保持导通， T4交替通断。 当 rCUU 时，使 T4 导通， 21 负载电压 odUU ；当 rCUU 时，使 T4关断，由于电感负载中电流不能突变，负载电流将通过 D3 续流，负载电压 OU0。 在 rU 的负半周，保持 T2导通，使T3交替通断。 当 rCUU 时，使 T3 导通， OdUU ；当 rCUU 时，使 T3关断，负载电流将通过 D4 续流，负载电压 OU0。 这样，便得到 u0 的 SPWM 波形，如图 210所示。 图中 ofU 表示 OU 中的基波分量。 象这种在 rU 的半周期内三角波只在一个方向变化，所得到的 PWM 波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性 PWM 控制方式。 调节调制信号 rU 的幅值可以使输出调制脉冲宽度作相应的变化，这能改变逆变器输出电压的基波幅值，从而可实现对输出电压的平滑调节；改变调制信号 rU 的频率则可改变输出电压的频率。 与单极性 SPWM 控制方式对应，另外一种 SPWM 控制方式称为双极性 SPWM 控制方式。 单相桥式逆变电路采用双极性控制方式时的 SPWM 波形如图 211 所示。 各晶体管的控制规律如下： 在 rU 的正负半周内，对各晶体管控制规律相同，同样在调制信号 rU 和载波信号 CU 的交点时刻控制各开关器件的通断。 当 rCUU 时，使晶体管 T T4 导通， T T3关断，此时， OdUU ；当 rCUU 时，使晶体管 T T3 导通， TT4关断，此时， OdUU。 在双极性控制方式中，三角载波是正负两个方向变化，所得到的 SPWM 波形也是在正负两个方向变化。 在 rU 的一个周期内， SPWM 输出只有177。 Ud 两种电平。 逆变电路同一相上下两臂的驱动信号是互补的。 在实际应用时，为了防止上下两个桥臂同时导通 而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟△ t时间，然后给另一个臂施加导通信号。 延迟时间的长短取决于功率开关器件的关断时间。 需要指出的是，这个延迟时间将会给输出的 SPWM 波形带来不利的影响，使其偏离正弦波。 第三章系统硬件设计 22 本次设计的目的是研制一种输入为市电三相 380V，输出为 220V， 50Hz 的交流稳定电压，输出功率为 3KW 的单相稳压电源。 考虑到所设计的系统为大功率电源，所以我们在这考虑使用 SPWM 逆变技术，图 31为所设计的系统框图。 该系统的工作原理是三相电源 380V 经整 流滤波变成直流电压，然后经 SPWM全桥逆变，变成 220V 的 SPWM 电压，再经输出滤波电路滤波为 220V、 50Hz 正弦波交流电压输出，另外，系统中 CPU 根据输出采样电压值来控制 SPWM 波发生器输出的 SPWM 波形参数， SPWM 发生器产生的 SPWM 波经四个驱动隔离电路去驱动逆变电路，从而把整流滤波后得到的直流电逆变成稳定交流电。 该系统 CPU 采用AT89C51， SPWM 波发生器采用 SA4828 三相 SPWM 波发生器，这里我们只使用其一相输出波形，驱动隔离电路采用富士公司生产的 EXB841，主电路采用高压整流模块和 IGBT模块，输出采样模块使用 ADC0809。 由于本系统的控制核心器件是AT89C51，所以我们在此对该器件作一下介绍： AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的，该单片机采用高密度，非易失存储技术，将闪烁存储器（即 flash memory 或 PEROM）和 MCS51 系列单片机相结合。 该单片机不但和 MCS51 系列单片机完全兼容，更以其便利的电擦写功能和低廉的价格而拥有很高的性能价格比。 适用于各种需要较高灵活性的嵌入式控制应用领域。 AT89C51 单片机芯片有 40 个引脚，是用 CMOS 工艺制造的芯片，采用双列直插 封装（ DIP）和方形封装方式。 图 32为它的引脚图，说明如下： Vcc和 Vss Vcc：接＋ 5V电压。 23 Vss:接地。 XTAL1：接外部晶振的一个引脚。 在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。 当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：片内反相放大器输出端。 外接晶振时， XTAL2 和 XTAL1 各接晶振的一端，借外接晶振与片内反相放大器构成振荡器。 3．输入 /输出引脚 ：双向三态 I/O 口。 在访 问外部存储器时，分别输出低 8 位地址线和 8位数据线。 在对内部 EPROM 编程时，用于数据的输入和输出。 ：8位双向 I/O 口。 对 EPROM 编程时，用于接受低 8 位地址。 ： 8 位双向I/O口。 在访问外部存储器时，输出高 8位地址。 在对内部 EPROM 编程时，用于接受高 8位地址。 ： 8 位双向 I/O 口。 每个引脚都有各自图 32 AT89C51 引脚的第二功能： 为 RXD（串行输入口）； 为 TXD（串行输出口）； 为 INT0（外部中断请求输入端 0）； 为 INT1（外部中断请求输入端 1）； 为 T0（定时器 /计数器 0 计数脉冲输入端）； 为 T1（定时器 /计数器 1 计数脉冲输入端）； 、 为 WR 、 RD（片外数据存储器写 /读选通信号输出端）。 4．控制引脚 ALE/PROG：地址锁存有效信号输出端。 24 PSEN：片外程序存储器读取选通信号输出端。 RST/Vpd：复位端。 当 Vcc 掉电期间， Vpd 如接备用电源 V 可用于保存片内RAM中的数据。 EA/Vpp：片外程序存储器选用端。 计 图 33是本系统主电路的电路图，下面我们分别来介绍主电路的各个部分： 输入 EMI滤波器的设计 一、高频电源中的噪声问题 电源中，噪声是指直流基础电源输出电压中的脉动成分以及其他的交流分量。 有些噪声来自设备外部，如大负荷用电设备起动造成电网电压瞬时跌落、工频波形失真等。 有些噪声来自设备自身，如在功率转换电路中开关管从导通到截止或从截止到导通的瞬态过程中，高速脉冲波形的电流、电压，尤其是脉冲上升、下降沿，其中包含丰富的高次谐波分量易产生噪声，另外，在开关管高速工作时，非线性元件、传输导线分布电感 、电容容易发生寄生振荡，加上器件本身高频特性的差异均有可能产生噪声。 电源中的噪声，按传导与辐射两种方式传播，按对负载的影响，可分为共模噪声、差模噪声和辐射噪声。 这里共模噪声是指主回路与机壳间传导的噪声；差模噪声是指回路中的常态噪声；辐射噪声既包括外界通过空间向电源辐射的噪声，又包括电源对外辐射的噪声。 二、 EMI 滤波器在本系统中，为了抑制交流电网和电源之间的相互干扰，在交流电网和电源输入端之间加上 EMI（电磁干扰）滤波器，一方面，加上 EMI 滤波器后，可以消除来自电网的各种干扰对系统的影响，如电动机的启动， 电器开 25 关的合闸和关断，雷击等产生的尖峰干扰；另一方面，该滤波器也可以防止系统产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。 EMI 滤波器主要由工频低通滤波器和共模抑制元件组成，在本系统设计中我们选用北京克普锐特电子技术有限公司生产的 KT3H420型三相三线滤波器，其原理图如图 3－ 4 所示。 Lc 为滤波扼流线圈，当电源输入电流流过 Lc 时，所产生的磁场可以互相抵消，相当于没有电感效应，Lc对共模噪声来说，相当于一个电感量很大的电感，故它能有效地抑制共模传导噪声，电容 Cy对共模噪声起旁路作用， Cx 对共模噪声起抑制作用， R 为 Cx的放电电容，其特性如下： ①滤波器采用新型软磁材料。 ②最大泄漏电流：相－地（ 250VAC、 50Hz） ③耐压：相－中 2150VDC ④额定工作频率： 50200Hz 图 34 KT3H420 型内部原理图 ⑤额定工作电流： 20A ⑥额定工作电压：相－相 380VAC 相－中 220VAC ⑦温度范围： 25℃ +85℃ ⑧绝缘电阻： 200M @500VDC EMI 滤波器的安装和布线对滤波器的性能发挥是极为重要的，在其安 中应注意以下几点： ①滤波器应安装在机柜底部离设备电源入口尽量近的地方，并加以板，不要让未经过滤波器的电源线在机柜内迂回。 如果交流电源进入机壳波器有较长的距离，则这段线应加以屏蔽。 26 ②滤波器的外壳必须用截面积大的导线以最短的距离与机壳连为一尽量使滤波器的接地点与外壳接地点保持最短的距离，输入、输出应靠近部布线以减少耦合，并将输入、输出线严格分开，绝不允许将滤波器的输输出线捆在一起或靠得很近。 ③机壳内的其他用电器（照明灯、信号。