基于M30624FGAFP控制的三相逆變電源的研制

哈爾濱電氣集團阿城繼電器有限責任公司 李嘉亮

一、引言

隨著電力電子科學技術的發展，逆變器控制技術也越來越受到人們的矚目。傳統逆變器采用外環控制，只能實現輸出電壓有效值的恒定值控制，不能保證輸出電壓波形質量，并且在非線性負載條件下，輸出諧波含量大且波形嚴重失真。為實現供電設備穩態精度高，動態響應快的優良性能，現代逆變電源大多采用瞬時值反饋控制，解決了系統動態響應慢的問題。本文以20KVA三相逆變電源為例來說明。

二、原理及硬件

1.主要技術參數

1）輸出額定功率：20KVA

2）輸出額定電壓：380/220V±5%（三相四線）

3）輸出額定頻率：50±1%Hz

4）波形失真度(THD)：≤3%(非線性負載)

5）動態響應：≤5%（負載變化由空載到滿載）

6）負載功率因數：大于0.9

7）過載能力：120%，90秒

8）輸出電流峰值系數：3∶1

9）效率：≥80%

10）三相負載不平衡能力：100%

2.主電路結構

圖1 逆變電源原理框圖

圖2 程序流程框圖

圖3 中心對準PWM波形的生成

如圖1所示，系統由三個單相逆變器組成，它們的輸出端按星型連接，各自獨立控制。

系統中采用二極管橋式整流電路。逆變器開關器件選用三菱公司的智能功率模塊IPM，它將功率開關器件IGBT和驅動電路集成在一起，使用時只需提供驅動電源和控制信號即可。IPM還具有過流、過熱等故障檢測電路，提高了逆變器的運行可靠性。系統的基本工作原理是：交流電經過整流濾波后，供給逆變橋。IPM在由單片機產生的驅動信號控制下，將直流電根據SPWM原理逆變成50Hz的交流電，同時使三個單相逆變器的輸出電壓相位差保持在120°，形成三相四線制交流電源，經濾波后供給負載。單片機對輸出電壓進行閉環控制，使輸出電壓和頻率穩定在給定值。

3.控制電路的組成

控制系統主要由單片機M30624FGAFP、信號采樣及處理電路、顯示回路、RS485通

訊接口及Gsm Modem組成。

M30624FGAGP是三菱公司推出的一款高性能16位單片機，該款單片機融合了基于寄存器型和基于存儲器型兩種結構的優點，從而能夠實現類似RISC的高速處理性能。它具有超低功耗、極強的抗干擾能力和很高的C語言編程效率等特點，片內集成了10位A/D轉換器、DMA控制器、異步通信通道、定時器等豐富的周邊功能電路模塊，內部還有20K的RAM，256K的Flash等，可做到總線不出芯片，具有極高的穩定性和極強的抗干擾性。而且通過對定時器A1、A2、A4和B2的聯合使用，可方便的獲得三相SPWM驅動信號波形。

在裝置內部安裝了Gsm Modem，它通過串行通訊接口與單片機交換信息，可及時的將系統的運行信息以手機短信的形式傳遞。由于GSM網絡基本復蓋全國，且傳輸穩定可靠，可隨時獲得運行信息。

4.保護功能

1)輸出過載保護：負載功率超過105%小于120%額定功率時，90秒鐘延時后將關斷輸出，需關機才能復位。

2)輸出短路保護：輸出短路或負載功率超過120%時，逆變電源輸出將立即自動關閉，需關機才能復位。

3)輸入欠壓告警：輸入交流電壓較低，導致整流后的電壓低于180VDC時，裝置的欠壓指示燈亮。

三、軟件設計

軟件設計是整個逆變控制的核心，它決定著逆變器的輸出特性。圖2示出系統程序流程框圖。

在主程序中，完成對輸出電壓、電流的采樣及三相電壓的相位控制，通過PI調節器來調整輸出電壓，完成顯示及與Gsm Modem通訊并控制其收發短信息的功能。

在TB2定時器中斷程序中，首先對逆變電流進行采樣，并判斷該電流或電流上升率是否超過限值，若超過則關閉SPWM脈沖，否則允許SPWM脈沖輸出，查表取脈沖正弦值，計算脈沖寬度，給TA1、TA2、TA4定時器賦值。

在工作過程中，單片機不斷地處理檢測反饋回來的信號，調整SPWM控制信號和控制系統的輸出狀態，以滿足系統的性能要求。為提高抗沖擊性負荷的能力，對逆變電流進行實時檢測，實現逐個脈沖限制，有效的提高了其抗沖擊性負荷的能力。

建立標準正弦波半個周波的數據表格（0～180°），每隔1.8°左右一個數據，共96個數據（載波頻率9.6KHz）。負半周可重復采用該表格，即一個周波（0～360°）的正弦波數據表格共有192個數據。利用查表法求得每一時刻的脈沖寬度。

利用M30624FCAFP的三相馬達控制功能，通過控制定時器A1、A2、A4和定時器B2，產生三相正弦脈寬調制(SPWM)波形。

令M30624FCAFP的三相PWM控制寄存器（INVC0）工作在三角波調制方式，則SPWM波形占空比的瞬態值用下面的公式計算：

U_PHASE=WGCP_REF±(M*SIN_VALUE)/156

其中：

WGCP_REF-相中間點對應的占空比值；

M-調制深度系數；取值范圍1～0FFH；

SIN_VALUE-正弦函數數據表對應的數據，取值范圍0～0FFH。0～180°范圍內等

式左邊取“＋”號，180～360°范圍內等式左邊取“－”號。

三角波調制方式波形的形成示意圖如圖3所示。

四、結論

介紹了基于單片機控制的三相全橋逆變器的原理及系統流程。整個系統硬件設計簡單，可靠性高，軟件調節控制反饋是系統核心，通過精確的調節能使系統更穩定可靠運行。適用于很多場合，今后在電力電子市場上會得到廣泛的應用。

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