一種基于車載逆變電源的低成本實驗系統設計

包廣清， 任士康， 王曉蘭， 楊新華

(蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050)

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一種基于車載逆變電源的低成本實驗系統設計

包廣清， 任士康， 王曉蘭， 楊新華

(蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050)

針對電氣、自動化專業學生運動控制課程群的工程應用性強的突出特點，提出一種適用于本科電力電子實驗教學的低成本車載逆變電源系統，主電路采用兩級式級聯拓撲結構，經過推挽升壓電路后再進行全橋逆變，大大降低了系統硬件電路的體積及噪聲污染。在此基礎上，進一步拓展試驗內容，將該電源系統引入單相交流電機運動控制綜合訓練任務，在豐富實驗內容的同時，有效提升了學生的專業綜合素質和創新能力。

電力電子技術； 運動控制； 逆變電源； 實驗教學

0 引 言

電力電子技術是電氣、自動化本科專業運動控制課程群的重要課程之一，其教學目的是在學生了解電力電子器件和熟悉變流技術的基礎上，提高學生的實際設計與工程應用能力[1-3]。

電力電子技術實踐教學項目的選擇既要與課堂理論教學內容相互協調，又要有相對的獨立性。原則上，其實驗內容設置包括：① 以基本測試技能和基本電路知識訓練為主的基礎型實驗；② 驗證型實驗，重點鞏固學生對功率變換單元電路的原理驗證和難點理解，從而實現從感性認識到理性認識的轉變，并最終建立完整的電力電子知識體系[4]；③ 綜合設計型實驗，通過提出問題、查閱資料、方案對比、任務分配、設計實施以及分析總結等環節，使學生的綜合分析、運行測試以及基于團隊協作的應用系統研發等綜合實踐能力能得到充分鍛煉和提升。

汽車已由最初的代步工具逐漸發展為集辦公娛樂為一體的交通工具，除了常見的車載DVD音響系統外，對車載電視、冰箱、筆記本電腦等電器產品也有廣泛需求，而這些電器產品大部分需要220 V/50 Hz的正弦交流電供電，因此設計性價比高的車載逆變電源，將汽車12 V的直流電轉換成220 V/50 Hz的交流電具有十分重要的實際意義[5-7]。

1 工作原理與設計方案

1.1 主要技術指標

本系統設計要求將12 V的車載蓄電池電壓轉換成220 V/50 Hz的正弦交流電，以滿足常見車載電器產品的用電需求[8]。系統輸入直流電壓的允許變化范圍10～15 V；輸出交流電壓的允許變化范圍210～230 V；輸出電壓頻率的允許變化范圍49.8～50.2 Hz；轉換效率大于80%；波形畸變率≤5%；直流母線電壓的閾值電壓400 V；前級升壓電路開關器件的工作頻率30 kHz；高頻變壓器的工作頻率60 kHz；后級逆變電路開關器件的工作頻率16 kHz。

1.2 系統拓撲結構

傳統車載逆變電源采用全橋逆變與工頻變壓器升壓方案，其缺點是效率低、體積大、噪聲高，且伴有嚴重的啟動困難等問題。為此本系統采用兩級式級聯拓撲結構，將12 V蓄電池電壓升壓后再進行逆變輸出，大大減小了系統硬件電路的體積及噪聲污染，其硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 硬件結構框圖

前級升壓電路以TL494為主控芯片，對推挽電路進行控制，結合PC817與TL431組成的直流母線電壓反饋控制電路[9]，確保母線電壓在設定變化范圍內。后級逆變電路以單片機STC12C5A60S2為主控芯片，采用正弦脈寬調制技術[10-12]，根據輸出電壓實時更新占空比，確保輸出電壓幅值滿足設定要求。同時還設計了電池電壓檢測電路、輸出電壓檢測電路、輸出電流檢測電路和橋臂短路保護電路，確保系統能夠安全穩定運行[13-15]。

2 系統運行與測試

將兩路12 V/1 A的開關電源并聯后作為系統輸入電源，在現有的實驗條件下對系統的性能指標進行了測試。實驗調試現場如圖2所示。從示波器的輸出可以看出，該逆變電源運行穩定，輸出波形良好；在空載情況下，萬用表測量值為229 V，由此看出，該逆變電源的輸出電壓指標符合系統設計標準。在輸出端接10 kΩ純阻性負載的運行狀況下，對前級推挽升壓電路及后級全橋逆變電路各關鍵工作點的波形進行了測試分析。并對該逆變電源的效率、諧波含量等性能指標進行了評價總結。

圖2 樣機調試現場

2.1 推挽升壓電路

圖3為推挽升壓電路的測試波形，圖3(a)為開關管的觸發脈沖波形，與預先設置的頻率30 kHz相吻合；圖3(b)為觸發脈沖的死區時間；圖3(c)為高頻變壓器輸出的脈沖電壓波形，無明顯偏磁現象，說明高頻變壓器的繞制合理；圖3(d)為整流濾波后的直流母線電壓波形。

2.2 全橋逆變電路

圖4為全橋逆變電路的測試波形，圖4(a)為單片機產生的SPWM觸發脈沖，觸發脈沖占空比從1～0呈正弦變化，后經死區電路、驅動電路對單相全橋逆變電路進行觸發控制；圖4(b)為左側橋臂開關管的觸發波形，伴有細小毛刺，說明系統驅動電路設計的正確性；圖4(c)為觸發脈沖的死區時間(任取1個周期)；圖4(d)為單相全橋逆變電路LC濾波前的輸出電壓波形，波形頂端只帶有細小毛刺，并沒有因開關管的高頻開關引起過沖電壓，說明緩沖吸收電路設計合理；圖4(e)為單相全橋逆變電路LC濾波后的輸出電壓波形，無論是在波形頂端還是在過零換相處，都過渡地很順利，說明系統的觸發控制策略正確，LC濾波器的參數設置合理。

2.3 系統性能分析

在現有的實驗條件下，對該車載逆變電源的效率進行了測試，因輸入端開關電源的輸入功率有限，其最大輸入電流不能超過2 A，且輸入端的電壓只能限制在12 V，即最大輸入功率不會超過24 W。在輸出端接純阻性負載的條件下，對該車載逆變電源的效率進行了測試分析。其具體的輸入輸出數據關系如表1所示，效率曲線如圖5所示。由于連接線過長及電磁干擾等問題，從效率曲線可以看出，該逆變電源的效率約為82%。

(a)開關管的觸發脈沖波形

(b)觸發脈沖的死區時間

(c)變壓器輸出的脈沖電壓

(d)直流母線電壓圖3 推挽升壓電路測試波形

對車載逆變電源的輸出電壓進行傅里葉級數展開，做幅頻特性分析。如圖6所示，從幅頻特性曲線可以看出，在特別小的一個頻率點有一個幅值約為50 dB的高脈沖，即50 Hz標準正弦波的基波幅值，其他高次諧波的幅值特別小，均小于0 dB，即輸出電壓的高次諧波含量特別低，該逆變電源的輸出電壓指標已達到系統的設計標準。

(a)單片機產生的觸發波形

(b)左側橋臂的觸發波形

(c)觸發脈沖的死區時間

(d)濾波前的輸出電壓波形

(e)濾波后的輸出電壓波形圖4 全橋逆變電路測試波形

表1 輸入電壓12 V時樣機效率測試數據

圖5 效率曲線圖

圖6 幅頻特性曲線

3 實驗內容拓展與實施

本車載逆變電源系統具有結構簡單、造價低及實用、靈活等優點，較好地解決了學院有限經費條件下的實驗裝置問題。在時間安排上，可以采用集中、分散兩種方式進行，即直接在本科三年級第一學期電力電子課程結束之后的2周的時間內集中完成或者在不影響常規課堂教學的前提下在6～8周的時間內主要利用開放實驗室在課余時間分散進行。

結合電氣自動化專業本科生培養目標還可以進一步拓展試驗內容，在該逆變電源系統的基礎上引入單相交流電機運動控制綜合訓練任務，如圖7所示。單相異步電動機是利用單相交流電源供電，其轉速隨負載變化略有變化的一種小容量交流電機。具有結構簡單、價格低廉、維修方便的特點，在工、農業生產、辦公場所、家用電器等方面得到廣泛的應用，如吊扇、洗衣機、電冰箱、電鉆、小型機床等。通過該試驗環節，把“電力電子技術”、“自動控制原理”以及“電機拖動”等課程整合為一個系統，實現了機械、電子、電氣等多學科有機融合，從而在拓寬專業知識面的同時，有效地提高學生的專業素質和就業適應能力。

圖7 運動控制綜合訓練系統組成

如表2所示，該訓練內容主要包括理論分析、器件選型、PCB電路圖制作、系統樣機調試等。系統設計任務包括硬件設計和軟件設計兩部分。硬件設計包括功率回路、控制回路的設計，具體包括升壓、逆變電路拓撲結構的選擇和主控芯片的確定，輸出電流、電壓檢測電路，電池欠過壓、過流、橋臂短路、緩沖吸收電路等保護電路的設計，幾乎涵蓋了電力電子課程群的所有教學內容。SPWM觸發脈沖的產生、運行狀態的監視及檢測保護動作的完成均由軟件設計來實現。另外，在分配過程中突出個性化整合模式，即學生可以根據自身的興趣特長和未來發展方向選擇相關子系統，這樣不僅能調動學生學習的積極性更能提高學生的創新意識和創新能力。

表1 綜合訓練任務分配

4 結 語

實踐教學是培養學生創新精神和實踐能力的重要手段，是提高學生綜合素質的關鍵環節。良好的方法可以收到事半功倍的效果。本系統充分考慮了實驗裝置的透明度、實驗操作的靈活性以及實驗功能的拓展性，較好地避免了傳統掛件箱式實驗臺只能提供驗證性實驗內容和簡單插拔操作的缺陷，同時，又具有更高的性價比，為電氣自動化專業創新人才的培養提供了有效的解決方案。

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A Design of Automotive Inverter Power Based on Low Cost Solution for Laboratory Experiments

BAOGuang-qing,RENShi-kang,WANGXiao-lan,YANGXin-hua

(School of Electric Engineering and Information Engineering,Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Project-based experimental teaching plays an important role in cultivating the abilities of practical and creative ability for science students. The task before us is how to setup effective experimental facilities and arrange rational integrated trainings. In the field of electrical engineering education, a project of automotive inverter power supply designed for undergraduate power electronics and drives group course is presented. Two-stage converter with push-pull booster and full-bridge inverter is included in the main circuit topology, it contributes to the reduction of hardware size and noise pollution. Based on this project, the power system can be expanded to the integrated training task of single-phase AC motor control. The basic concept and hands-on experience of the electrical drive can be gained by students, and hence, their independent innovation and practical skills are also improved.

power electronics; motion control; inverter; experimental teaching

2014-07-25

國家自然科學基金資助項目(51267011);甘肅省杰出青年基金資助項目(1111RJDA007)；蘭州理工大學教學改革項目

包廣清(1972-)，女，甘肅蘭州人，教授，主要研究方向為可再生能源發電與電能轉換、現代電力傳動系統設計。

Tel.：0931-2976079；E-mail：baogq03@163.com

TM 464

A

1006-7167(2015)05-0055-04