三相高功率因數蓄電池充放電源設計

李家嬋，陳江輝，羅培權

（仲愷農業工程學院，廣東 廣州 510225）

在鉛酸蓄電池的生產中，充放電的過程是重要且不可或缺的，不管是極板的化成，還是鉛酸蓄電池的活化都是如此。完成充放電過程的裝置是化成電源，化成電源性能的優劣不但影響鉛酸蓄電池以后的使用性能和壽命，而且產生大量的高次諧波，導致高效的能耗。傳統電瓶充放電電源由于非線性負載，大部分采用晶閘管進行整流，產生的諧波較多。針對這種情況，采用PWM整流器充放電蓄電池，在實現電網無污染、提高功率因數的同時，還可以實現電力的雙向傳輸[1][2]。

由于PWM整流器是個復雜的系統，因此使用性能優越的32位機作為控制系統的核心。本篇論文主要介紹了三相PWM整流器硬件工程的落地實施，對整流器的核心電路參數、電路的檢測、電路的控制、電路的驅動、電路的保護等環節提出了研究方案和設計思路，從以上各方面對PWM整流器的硬件過程和實現方法進行了更為具體的敘述。一臺三相PWM整流器測試樣機在此硬件基礎上完成，測試結果對項目設計的正確性進行了驗證，達到了預期設計要求。

1 蓄電池充放電源硬件系統

三相PWM蓄電池充放電源的硬件系統構成框架圖如圖1所示，硬件系統的功能主要包含AC/DC轉換電能、過零檢測電路、保護電路、驅動電路以及整流器主電路中的調理電路等。電網鎖相控制采用過零檢測電路。AC側電流的探測和DC側電壓電流的探測均為電路實施。控制器采用32位微處理器，它主要是利用驅動電路產生隔絕控制信號、放大功率和驅動功能的SVPWM算法。保護電路具有輸出電壓電流、IGBT轉換檢測、IGBT溫度保護等。

圖1 電源系統結構圖

2 主電路參數設計

主回路采取輸入電壓為95V/50Hz的三相半橋拓撲結構（見圖2）。主回路的輸出電壓為0～360V，管開關頻率為18kHz，整流器的設計功率為1kW。

圖2 三相PWM整流器主電路圖

2.1 功率器件的選型

由于電源運行在單位功率因數狀態的不同，電網電壓的波動為15%波動，整流器效率到達90%，蓄電池最大電壓是360V。充電狀態時，線電流有效值為：

放電狀態時，線電流有效值為：

選取IGBT功率管時，由于往前的數據顯示余量的選擇范圍是在原來數據的1.5～2倍，因此選取FP7G50US60型IGBT模塊，最大耐電壓可達到600V，最大通態電流達50A。

2.2 交流側電感的設計

交流側電感的取值不僅會對系統的動態以及靜態響應產生影響，同時也對輸出功率、功率因數、直流輸出電壓等產生了制約。三相VSR電感在滿足電流瞬態追蹤指標時的數值范圍是：

公式（3）代表了三相VSR交流側有功功率 P時交流側電感達到最大值，并在電網電動勢Em、直流側電壓UDC條件下所完成的。在實驗系統中，交流側電感值的計算依據式（3）為4mH左右。

2.3 直流側電容的設計

從空載到滿載擾動時考慮直流電壓的動態進程。電流環會追蹤最大有效電流，因為負載電流階會迅速增加，直流側的電壓會因為負載擾動而動態下降。那么直流側的容量應該足夠大，它的容量限制為：

△UMAX是直流電壓在電源負載電流擾動時動態降落最大的電源負載電流。RLE為等效負載，在實驗系統中，根據式（4）計算得，直流側由兩個電容C1和C2串聯而成。

3 檢測電路的設計

3.1 蓄電池電流采樣電路設計

蓄電池電流采樣采用運放做電氣隔離。隔離運放ISO124P采用兩對隔離的5V電源供電，具體采用電路如圖3所示，分流器上的電壓經RC濾波輸入ISO124P后，經差分電路轉換成單極性，經分流器與蓄電池串接后輸出電壓。再經過抬升電路轉換成0～3V電壓。圖4是蓄電池電壓采樣電路，其電壓通過電阻分壓作為ISO124P運放輸入電壓。抬升電路電阻R10接地，這樣可以使電路能測量的輸入輸出為線性關系。

圖3 蓄電池電流采樣電路

圖4 蓄電池電壓采樣電路

3.2 交流側電流采樣電路

交流側電流回路以霍爾單元為電氣隔離，實現了控制系統與主回路間的交互分配。電流裝置是LT59-S7電流傳感器，其原始額定電流是50A。通過STM32 A/D轉換模塊處理進入的信號，其具體電路見圖5。

圖5 交流電流采樣電路

3.3 過零點檢測和電壓采樣電路

從圖6可以看出，電壓過零點的探測和電網的電路，其供電變壓器的交流電壓與電網的同相有效值為18V。為了抗干擾，采用了R25、R24和C17構成RC濾波電路，由于濾波環節會產生相位延時，在程序中補償會延遲，另外元件參數存在漂移，精確延遲的實現顯得尤為困難，也正因為電網畸變通常比較大，所以采樣濾波是非常有必要的。

圖6 電網電壓捕獲及采樣電路圖

3.4 相序檢測電路

如果想要確保系統在電網無論正反序都能夠正常工作，那么我們必須在該系統中加入相序檢測電路，如圖7所示。輸入I/O口的電平極性，只要STM32在一個周期內進行兩次檢查和測試，電網相序便可明確。該電路結構具有簡潔、低成本和極高可靠性的特點，并且與之相匹配的檢測工作可在PWM工作之前完成。

圖7 相序檢測電路圖

4 IGBT的驅動與保護電路

4.1 驅動電路

IGBT驅動電路具有隔離、放大PWM信號的功能，其設計對電源性能有直接的影響，必須從以下幾個方面著手：①驅動電壓的升降幅度應較大；②斷檔期間，為了快速斷檔產生的負偏壓；③寄生電感降低到最低值，防止過壓的情況出現；④在電位上嚴格隔離驅動電路及整個控制電路，柵一射級引線要盡可能短。

根據以上的基本條件，本試驗設備采用了IGBT集成驅動模塊2 SD315A，并從2 SD315A構成的驅動電路出發，見圖8。該模塊具有過流和短路保護的作用，具體原理是監察測試集射極電壓，當IGBT流過足夠大的電流，增加 VCE足夠大，運放輸出狀態即時翻轉，阻斷驅動脈沖，在內部OP+端電壓超出內部OP-端基準電壓時。另外，該模塊也有電路，如輸入保護、電源保護、電源復位。

圖8 驅動與保護電路原理圖

4.2 過溫與過壓保護電路設計

過溫與過壓電路圖如圖9所示，保護電路是為了避免IGBT過熱導致損壞，具體地說，將溫度傳感器貼在IGBT的散熱面上，在溫度正常的情況進行關斷的操作，輸出高電平；溫度過高的情況將開關切斷，輸出低電平，STM32產生中斷，將PWM信號截停。為了防止高壓電容電壓過高，當TL431的1腳電壓低于Vref＝2.5V時，比較器反偏，三極管截止，TLP521光耦截止。當TL4311腳電壓高于VREF時，比較器正偏，三極管導通，TLP521光耦導通。由電路圖可得臨界保護電壓Vov為：

圖9 過溫與過壓保護電路

5 STM32控制系統設計

出于成本和性能等方面考慮，該系統采用STM32作為主控制芯片，將控制電路引入到圖10中。STM32使用3.3V單電源供電，省去了專門的電源芯片。STM32的7對PWM口能配置成同周期同相位的計數，也能配置成不同周期和相位的計數，可對獨立PWM電路進行不一樣的控制，總共往外輸送6路互補型PWM信號供比較單元操作。A/D轉換單元的四個信道分別以實施中斷方案完成捕捉的過零信號過程，使系統的兩相交流電流、直流側電流和電壓中斷生成6路PWM驅動信號，將各個開關設備的導通和關斷進行對比，然后進行輸出信號的控制。

圖10 STM32控制系統原理圖

6 試驗結果

為驗證該系統的正確性，特設置電池充放式電源樣機，其功率為額定3.6kW。其性能指標如下：三相三線制380V±15%、功率因數大于0.98、效率大于90%、充電電壓在0～360V之間、放電電壓在60～360V之間，試驗波形如圖11所示。測試顯示，三相整流器具有穩定的輸出電壓、正弦化的網側輸入電流和接近于1的功率因數。

圖11 充放電波形

7 創新點

在三相PWM整流器理論基礎上設計了系統硬件電路，該設計立足產品，在保證可靠性和可行性的基礎上節約成本、簡化了生產工藝、維護簡單,相較于采用晶閘管變流方式進行充放電的傳統鉛蓄電池，有更好的可回收性和更長的使用壽命.在同類型的三相電壓型PWM整流充放電蓄電池中，本文在控制芯片算力滿足的情況下，采用STM32代替傳統采用DSP作為主控，提高了系統的可拓展性。

8 結論

以STM-32微處理器為控制中心，結合三相PWM整流器的工作原理，設計了多種功能硬件電路，詳細介紹了PWM整流器的硬件實施技術。實驗樣機符合電池充放電要求，在大幅降低對電網污染的同時，驗證了軟硬件設計的可行性。