單相正弦波變換器的設(shè)計(jì)與仿真

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(1.西京學(xué)院，西安 710123；2.西安弘傳科技開發(fā)有限責(zé)任公司，西安 710001)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)﹑計(jì)算機(jī)技術(shù)﹑自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻器技術(shù)之源成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一。逆變是變頻器技術(shù)的核心。方波輸出的逆變器效率雖然高，但對(duì)于都是為正弦波電源設(shè)計(jì)的電器來(lái)說(shuō)，還是存在諸多問(wèn)題，要么不適用，要么用起來(lái)電器的性能會(huì)變差，因此研究輸出高質(zhì)量正弦波的變換器就顯得十分重要。

正弦波變換器應(yīng)用非常廣泛，尤其是在不間斷電源(Uninterruptible Power Supply， UPS)中，它主要用于那些對(duì)交流電質(zhì)量要求比較高的場(chǎng)合，如銀行﹑證券交易所的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，醫(yī)療設(shè)備，辦公自動(dòng)化設(shè)備(Office Automation)等等。目前有很多設(shè)備采用DC/DC(或AC/AC)變換器升高到一個(gè)較高的電壓等級(jí)，再用DC/AC(或AC/AC)變換為所需交流電壓，然后并網(wǎng)或供給負(fù)載[1]。這種方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜﹑保護(hù)要求高并且實(shí)施控制難度大。

本文在低頻脈寬調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用TMS320F2812DSP單片機(jī)控制輸出高頻PWM信號(hào)，調(diào)制得SPWM脈沖序列，濾波升壓后獲得高品質(zhì)正弦波；驅(qū)動(dòng)電路采用體積小、可靠性高的M57959L模塊；用放電阻止型RCD緩沖電路作過(guò)壓保護(hù)，并且在逆變輸出處加LC帶阻濾波器來(lái)減小載波頻率諧波的影響，再經(jīng)RLC低通濾波器，保證正弦變換器輸出高質(zhì)量正弦波，給出了仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 主電路拓?fù)浼癝PWM產(chǎn)生原理

圖1 正弦變換器主電路結(jié)構(gòu)框圖

圖2 單極倍頻SPWM調(diào)制原理圖

在這里SPWM的具體實(shí)現(xiàn)，參考文獻(xiàn)2中基于模型目標(biāo)代碼自動(dòng)生成的方法，TMS320F2812DSP為控制芯片，用Target Support Package T2建立SPWM控制模型，在Simulink環(huán)境下進(jìn)行算法仿真并生成代碼，最后下載到控制芯片DSP中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單方便[2]。

2 逆變器的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)

2.1 驅(qū)動(dòng)電路

隨著電子科技的發(fā)展，電子元器件集成化越來(lái)越高，綜合考慮實(shí)現(xiàn)快捷、生產(chǎn)成本、變頻器性能和體積等因素后，本文采用M57959L型IGBT驅(qū)動(dòng)模塊[3]。IGBT驅(qū)動(dòng)電路連接圖如圖3所示，IGBT控制信號(hào)由13引腳輸入，經(jīng)隔離放大后送給功率管柵極，并且模塊內(nèi)部設(shè)有保護(hù)電路，若工作時(shí)發(fā)生過(guò)流時(shí)，8引腳就會(huì)輸出故障信號(hào)，送給控制器DSP，然后由DSP做相應(yīng)控制處理操作。

圖3 IGBT驅(qū)動(dòng)電路連接圖

2.2 過(guò)電壓保護(hù)

IGBT開關(guān)速度快，保證了變頻器的高頻化的同時(shí)也帶來(lái)了很高的、并引發(fā)關(guān)斷浪涌電壓。過(guò)電壓保護(hù)電路也稱緩沖電路，是逆變器的重要部分。本文采用放電阻止型緩沖電路[4]，如圖4所示。

圖4 放電阻止型緩沖電路

放電阻止型緩沖電路對(duì)關(guān)斷浪涌電壓有很好的抑制作用，最適合高頻交換用途。

關(guān)斷浪涌電壓的峰值VCE和阻值分別如下

VCE=Ud+VFM+(-Ls×dIc/dt)

(1)

緩沖電路中緩沖電容器電容值為

緩沖二極管應(yīng)選瞬態(tài)正向電壓低、反向回復(fù)時(shí)間短、反向恢復(fù)平順的二極管。

3 濾波器

濾波器是輸出電壓為正弦波的檢驗(yàn)設(shè)備，逆變輸出電壓的傅里葉展開式為

(2)

式中，m—幅值調(diào)制比，0≤m<1；ωs—調(diào)制波角頻率；ωc—載波角頻率；k=1，2，3…。

式(2)中的第1項(xiàng)為基波成分，幅值為Udm；第2項(xiàng)為諧波成分，把它定義為Q。根據(jù)貝塞爾公式[5]

將式子Q展開得

(3)

圖5 濾波器原理圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

單極倍頻SPWM控制的正弦變換器仿真參數(shù)[8]：額定容量1.5kVA，輸入電壓24V DC,輸出電壓220V/50Hz,變壓器匝數(shù)比N1∶N2=1∶11，開關(guān)頻率40kHz，逆變橋功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖6所示；逆變器輸出電壓波形如圖7所示；正弦變換器輸出電壓波形如圖8所示；FFT諧波分析圖如圖9所示。總諧波畸變率THD=0.24%,輸出電壓波形正弦性很好，證實(shí)了該設(shè)計(jì)方案的可行性。

圖6 逆變橋功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)

圖7 逆變器輸出電壓波形

圖8 正弦變換器輸出電壓波形

圖9 FFT諧波分析圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了單極性倍頻SPWM調(diào)制原理，用TMS320F2812DSP單片機(jī)作為控制芯片實(shí)現(xiàn)了工作頻率的高頻化﹑控制技術(shù)的數(shù)字化；IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用閉環(huán)控制方式和模塊化結(jié)構(gòu)，有效地提高了正弦變換器的可靠性，減小了裝置體積；高頻正弦變換器中設(shè)置了過(guò)流保護(hù)電路和過(guò)壓保護(hù)電路，提高了變換器工作可靠性，并且用LC帶阻濾波器和RLC低通濾波器進(jìn)行雙重濾波，保證變換器輸出為高品質(zhì)正弦波。

本文介紹了一種電動(dòng)機(jī)控制使用的功率正弦變換器的實(shí)現(xiàn)方法，詳細(xì)地說(shuō)明了主電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了所提方案的正確性。

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[2] 韋保泉，胡文華.單相橋式逆變器SPWM目標(biāo)代碼自動(dòng)生成研究[J].電力電子技術(shù)，2009.11.

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