汽油發電機逆變電源控制系統的研究與設計

刁子軒，張蘭紅，陳永樓

(1.鹽城工學院 電氣工程學院，鹽城 224051；2.江蘇友和機械動力有限公司，鹽城 224001)

0 引 言

近些年隨著新技術的不斷發展，針對傳統汽油發電機損耗大、發動機使用壽命短和所發電能品質不高等問題，一種小型汽油發電機逆變電源應運而生[1]。此類逆變電源體積小、電壓輸出穩定，廣泛應用于醫療設備、通信設備等各類應急場合。但目前的發電機逆變電源在工作狀態下存在發電機工作效率不高、負載調節特性較差等問題[2-4]。本文采用EG8060作為控制芯片,引入油門控制和相控整流驅動的復合控制策略,讓逆變電源的發電機轉速隨負載的波動而實時變化。該設計有效地改善了逆變電源負載調節特性，提高了系統的動態與穩態的響應,擾動小,抗干擾強，系統具有良好的穩定性和動態性能。

1 逆變電源系統結構組成

汽油發電機逆變電源的系統結構如圖1所示，汽油發電機逆變電源主要由汽油機、無刷直流電機和控制器組成。其工作原理如下：首先由汽油發動機燃燒汽油進行能量轉換產生動能，帶動無刷直流發電機旋轉發電，無刷電機發出380 V的三相交流電經過三相半控整流電路后變為400 V左右直流電壓，輸送給后級逆變電路和濾波電路，變換成220 V/50 Hz的交流電供負載使用。

此外，為了確保逆變電源的主電路正常工作，設置了相應的EG8060控制系統來控制主電路中的各個環節，有油門控制電路、整流驅動電路、同步信號采樣電路以及逆變驅動電路等一系列組成。

EG8060控制系統將三相整流電路輸出的直流電壓信號作為反饋信號,通過整流驅動電路和前級油門控制器來保證整流輸出電壓穩定。當所帶負載的需求電壓發生改變時，首先是前級汽油機油門和整流環節系統協同工作進行調節，它可以根據負載的需求功率配合調節輸出功率，使汽油發電機能夠在滿足輸出電壓實時調節的前提下，達到節能減排、快速響應和穩定輸出的目的。當所帶負載發生改變時，首先由整流驅動電路進行調節，如果當整流控制環節無法保證整流輸出電壓穩定，就可以通過前級的油門控制器來對發動機的轉速進行調節，從而改變直流輸出電壓。

2 控制系統硬件設計方案

2.1 EG8060芯片

本文采用EG8060芯片作為控制器芯片，它是一種專用的SPWM產生芯片，該芯片可以實現交流-直流-交流的電能變換。該芯片內部的工作部分為 SPWM 控制模塊、死區時間配置模塊、信號反饋電路、步進電機控制模塊等功能。

2.2 整流環節系統分析和設計

整流環節的任務是將無刷電機發出的三相交流電整流成穩定的400 V直流電交給后級電路。這就需要整流電路快速反應，調整輸出電壓波形，本文選用三相整流電路，同時結合EG8060控制器對整流環節設置驅動控制電路，確保輸出電壓波形穩定在400 V左右，滿足后級電路的需要。

2.2.1 整流電路原理分析

逆變電源整流環節選用三相半控整流電路，圖2是三相半控整流電路的輸出電壓波形圖，在不同的觸發角α下，三相半控整流電路的工作狀態也都不一樣，現在對控制角為α的整流電路進行分析[5-6]。

由于電路中只有3個晶閘管，一個周期中控制電路向主電路發3次觸發脈沖，其間隔為2π/3。依次為π/3+α，π+α，5π/3+α。

①從π/3到2π/3，a相電壓最高，觸發T1導通，b相電壓最低，則D6導通。

②從2π/3到π，a相電壓最高，T1依舊導通，c相電壓最低，則D2導通，D6關斷。

③從π到4π/3，b相電壓最高，觸發T3，則T3導通，T1關斷，c相電壓最低，則D2仍然導通。

④從4π/3到5π/3，b相電壓最高，T3導通，a相電壓最低，則D4導通，D2關斷。

⑤從5π/3到2π，c相電壓最高，T5導通，a相電壓最低，則D4導通。

此時的輸出電壓計算公式：

當控制角α≤60°時，

(1)

當控制角α>60°時，

1.17U(1+cosα)

(2)

式中：ω為角頻率；α表示整流電路的觸發角。

通過上述分析，三相半控整流電路通過改變觸發角α來穩定輸出電壓的幅值，同時與前級的油門調節器協同工作來調節整流輸出電壓，確保整流電路穩定輸出400 V左右直流電壓。

2.2.2 三相整流驅動電路設計

本文對于主電路中的三相半控整流電路設置了相應的驅動控制電路，三相驅動電路系統結構圖如圖3所示。該驅動控制系統的工作原理是外圍同步電路檢測的同步方波信號通過EG8060內部運算來確定驅動信號的觸發脈沖，將觸發脈沖通過光耦隔離器來輸送給三相整流電路。因此，整流驅動電路系統由同步信號采樣電路和晶閘管驅動電路組成[7-9]。

1)同步信號電路設計

同步電路的作用是讓驅動電路可以在控制電壓不變的情況下，在每個周期的同一時刻給定觸發角，使得對應相的晶閘管導通，讓整流電路正常工作，而且觸發脈沖與主電路中電機所發的三相電壓保持著恒定的相位關系。

同步電路如圖4所示。同步信號采用無刷直流電機的輔助繞組電壓作為基準信號，其中輔助繞組是按照三相主繞組中的A相的下線方式布置的一套繞組，因此輔助繞組電壓跟主輸出電壓頻率一致,相位差恒定。輔助繞組電壓通過PC817的光電耦合器使電壓過零檢測后可以輸出一個方波信號，這個方波就可以作為觸發脈沖的同步基準信號，輸送到EG8060的23腳(M_SPD)進行數字處理，得到對應的同步脈沖信號。

EG8060控制芯片的23號引腳(M_SPD)對同步信號的下降沿進行捕獲，然后輸送給內部的數字控制器。同步信號輸出波形如圖5所示。數字控制器計算前后兩次采樣的差值,設前一個同步信號到達數字控制器的計數值為t1，當前同步信號到達數字控制器時計數值為t2，則交流電壓周期T=t2-t1。

對于三相對稱的交流電壓,ABC三相的每一相觸發脈沖都比前一相滯后1/3個周期，我們只要得到A相的觸發脈沖時刻，就可以確定其余兩相的觸發脈沖。在前級電機發出的三相電壓的自然換相點時刻，EG8060內部的數字控制器開始工作，發出三相晶閘管觸發脈沖，這樣就讓三相整流電路和前級三相電壓的頻率保持一致，實現同步功能。

2)晶閘管驅動電路設計

晶閘管驅動電路如圖6所示。當EG8060芯片在13號引腳(SCR_SW)發出高電平脈沖信號，經過光耦隔離器PC817導通后輸送給CJ431電路后，將脈沖信號輸送給三相驅動電路運算放大得到驅動信號，控制晶閘管導通。其中，穩壓二極管Q4的輸出電壓的計算公式：

(3)

Q4的參考段電壓Vref為2.5 V,因此Q4的恒壓電路輸出電壓為5 V,但由于此時接地參考端為400 V，所以輸出端V0為405 V電壓。同時405 V作為右側Q8的穩壓二級管組成恒流電路的輸入端，這樣保證三相驅動電路穩定工作。

驅動電路的工作原理實際上是通過驅動電路左側外接的三相電壓來對電路中6個三極管進行導通和關斷的控制，這樣就可以讓驅動信號分時發送，實現了三相電壓與觸發信號同步的功能。

以圖6左側的三相驅動電路發出A相驅動信號(TrigA)為例，當一個周期內A相的觸發脈沖通過13號引腳(SCR_SW)發送到驅動電路時，此時驅動電路的6個三極管的工作狀態如表1所示。

此時A相的三極管Q5發射極電壓UE為412 V，基極電壓UB為400 V，根據PNP型三極管的UE>UB>UC的導通原則來判斷,三極管Q5導通，則可以發出A相的驅動脈沖信號(TrigA)控制晶閘管導通。

2.3 逆變環節系統設計

逆變環節是將前級400 V直流電通過逆變電路得到穩定的220 V/50 Hz正弦波電壓。本文采用全橋逆變電路,需要 4 個開關器件，需要 4 路控制信號，開關器件承受的電壓為Ud，電流降低一半，工作電壓也在器件的承受范圍內，可以達到較好的工作效果。

逆變電路采用SPWM的調制方式，通過EG8060內部的SPWM控制模塊實時調整占空比，從而調節輸出電壓。EG8060芯片可以通過芯片內部的SPWM控制模塊輸出4路的SPWM信號，通過2個600 V高壓驅動器進行邏輯運算，最終變換成4路對應的SPWM脈沖，輸出給主逆變電路的4個MOS管的門極，這樣就可以控制逆變電路的工作狀態,輸出220 V的單相交流電。

表1 三極管工作狀態

2.4 油門控制系統設計

本文采用EG8060控制芯片，它根據采集的逆變輸出電壓信號設置油門控制器來調節前級電機轉速，從而改變電機的輸入電壓，實現閉環調節。本文的油門控制器主要由3個模塊組成：轉速檢測電路、數字PID 控制模塊和步進電機驅動輸出電路[10-11]。

油門控制系統框圖如圖7所示。將采集的轉速信號傳遞到EG8060芯片的數字控制器進行PID調節就可以得到對應的步進電機調整信號，該信號通過電機控制芯片輸送給步進電機來調整油門開合度。這樣就可以實現轉速和電壓的閉環調節，轉速隨負載的改變而改變，達到實時滿足負載的功率需求，同時盡可能節能減排。

步進電機驅動電路如圖8所示。EG8060控制器對步進電機的控制主要由EG8060芯片的Stepper_EN,Stepper_OUT1，Stepper_OUT2 這3個引腳來傳遞指令給LV8549芯片，通過該芯片對步進電機進行驅動控制。其中Stepper_EN 是控制步進電機的開啟和關閉，Stepper_OUT1 和 Stepper_OUT2 組合輸出實現步進電機的正反轉。

3 仿真結果及分析

使用MATLAB軟件對便攜式移動電源主電路進行仿真，分別有電機、三相半控整流電路和逆變電路等模塊。對主電路進行了參數設置和波形采集，參數設置如表2所示。

表2 仿真參數

對采集的波形進行分析。首先，對于仿真中的電機設置了振輻和頻率，分別為400 V和50 Hz，可以輸出380 V的三相交流電，如圖9所示，輸送給三相半控整流電路。

之后三相交流電輸送給整流電路，仿真選用的三相半控整流電路,確保穩定輸出400 V左右的直流電壓，符合后級負載的要求。如圖10所示。

逆變電路仿真采用了全橋逆變電路，同時讓逆變部分的SPWM觸發器給開關管觸發信號，將整流電路輸送的400 V的直流電逆變，最后通過濾波電路得到了220 V左右的單相交流電。輸出電壓波形如圖11所示。

4 實驗結果及分析

為論證本文的可行性，測試汽油發電機逆變電源的性能，對其進行了實驗驗證。本文采用江蘇友和動力機械有限公司提供的3 kW汽油發動機和無刷直流電機組成實驗平臺，實驗平臺如圖12所示。

對于整流電路的驅動脈沖進行測量，可以驗證整流驅動環節中晶閘管的觸發時間與電機的自然換相時序是否同步。將示波器接在三相半控整流電路的晶閘管，開始實驗就可以得到驅動脈沖，三相半控整流橋的驅動電路信號如圖13所示。

在空載情況下用示波器對逆變輸出電壓進行測量，測得電壓波形如圖14所示，輸出交流電壓幅值為220 V左右波動，符合設計要求。

5 結 語

本文提出了一種汽油發電機逆變電源及其控制系統的設計方案，設計了可以輸出恒壓恒頻交流電的汽油發電機逆變電源。重點分析了逆變電源的設計難點，以數字芯片 EG8060為核心，設計出了適用于汽油發電機的控制系統，詳細闡述了其軟硬件設計。并針對逆變電源中特有的油門控制器也做了詳細分析，達到了較好的效果。為了驗證設計的正確性，分別進行了仿真和實驗，結果都驗證了本方案是可行的。