【文章內(nèi)容簡介】 由兩個 電力半導體器件組成的導電臂，電流從一個臂向另一個臂轉(zhuǎn)移的過程稱為換流（或換相）。在換流過程中，有的臂從導通到關(guān)斷，有的臂從關(guān)斷到導通。要使某一臂導通，只要給組成該導電臂的器件的控制極施加適當?shù)男盘?，但要使某一臂關(guān)斷，情況就復雜多了。全控型器件可以用適當?shù)目刂茦O信號使其關(guān)斷，而半控型晶閘管，必須利用外部條件或采取一定的措施才能使其關(guān)斷。晶閘管要在電流過零以后再施加一定時間的反向電壓，才能使其關(guān)斷。 一般來說，換流方式可分為以下幾種： (1)器件換流。利用全控型電力電子器件自身具有的關(guān)斷能力進行換流，稱為器件換 流。 (2)電網(wǎng)換流。由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流。整流電路的換流方式就是電網(wǎng)換流。 (3)負載換流。由負載提供換流電壓，凡是負載電流的相位超前電壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流。 (4)脈沖換流。設置附加的換流電路，由換流電路內(nèi)的電容提供換流電壓，稱為脈沖換流，有時也稱為強迫換流或電容換流。脈沖換流有脈沖電壓換流和脈沖電流換流兩種。 在上述四種換流方式中，器件換流只適應于全控型器件，其余三種方式主要是針對晶閘管而言。 單相電壓型逆變電路 逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源的性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的 稱為 18 電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。在本文中，我們主要討論單相電壓型逆變電路的基本構(gòu)成、工作原理和特性，圖 27為其電路。 電壓型逆變電路有以下一些特點： ，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。 ，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。 ，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無 功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。 下面，我們討論一下單相全橋電壓型逆變電路。 單相全橋電壓型逆變電路的原理圖如圖 27 所示，它共有 4個橋臂，橋臂 1和 4 作為一對，橋臂 2和 3作為另一對，成對的兩個橋臂同時導通，兩對交替各導通 o180 。其輸出電壓 ou 的波形如同 25(b)所示，是矩形波，下面我們對其電壓波形作定量分析。把幅值為 dU 的矩形波 ou 展開成傅里葉級數(shù)得 : 4 11( s in s in 3 s in 5 )35do UU ?? ω t+ ω t+ ω t+ 其中基波得幅值 o1mU 和基波有效值 o1U 分別為 1 4 1 .2 7= do m dUUU? ? 19 1 22 0 .9= dodUUU? ? SPWM控制技術(shù)及其原理 SPWM 控制的基本原理 如圖 28(a)所示，我們將一個正弦波半波電壓分成 N 等分，并把正弦曲 線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點與相應正弦等份的中點重合，得到如圖 28(b)所示得脈沖列，這就是SPWM 波形。正弦波得另外半波可以用相同得辦法來等效?？梢钥闯觯?PWM波形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化，稱為 SPWM 波形。 圖 28SPWM 波形 根據(jù)采樣控制理論，脈沖頻率越高， SPWM 波形便越接近正弦波。逆變器的輸出電壓為 SPWM 波形時，其低次諧波得到很好地抑制和消除，高次諧波又能很容易濾去，從而可得到崎變率極低的正弦波輸出電壓。 SPWM 控制方式就是對逆變 電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或者其他所需要的波形。 從理論上講，在給出了正弦半波頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，脈沖波形的寬度和間隔便可以準確計算出來。然后按照計算的結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的波形。但在實際應用中，人們常采用正弦波與等腰三角波相交的辦法來確定各矩形脈沖的寬度。 等腰三角波上下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對稱，當它與任何一個光滑曲線相交時，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這種方法 20 稱為 調(diào)制方法。希望輸出的信號為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的三角波稱為載波。當調(diào)制信號是正弦波時，所得到的便是 SPWM 波形。當調(diào)制信號不是正弦波時，也能得到與調(diào)制信號等效的 PWM 波形。 單極性和雙極性 SPWM控制方式 圖 29給出了電壓型單相橋式 PWM 逆變電路原理圖。 如圖 210 所示，載波信號 CU 在信號正半周為正極性的三角波，在負半周為性的三角波，調(diào)制信號 rU 和載波 CU 的交點時刻控制逆變器電力晶體管 T T4的通斷。各晶體管的控制規(guī)律如下： 在 rU 的正半周期， T1保持導通， T4交替通斷。當 rCUU? 時，使 T4 導通， 21 負載電壓 odUU? ；當 rCUU? 時，使 T4關(guān)斷，由于電感負載中電流不能突變，負載電流將通過 D3 續(xù)流，負載電壓 OU0? 。在 rU 的負半周，保持 T2導通，使T3交替通斷。當 rCUU? 時，使 T3 導通， OdUU?? ；當 rCUU? 時，使 T3關(guān)斷，負載電流將通過 D4 續(xù)流，負載電壓 OU0? 。 這樣，便得到 u0 的 SPWM 波形，如圖 210所示。圖中 ofU 表示 OU 中的基波分量。象這種在 rU 的半周期內(nèi)三角波只在一個方向變化，所得到的 PWM 波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性 PWM 控制方式。調(diào)節(jié)調(diào)制信號 rU 的幅值可以使輸出調(diào)制脈沖寬度作相應的變化，這能改變逆變器輸出電壓的基波幅值，從而可實現(xiàn)對輸出電壓的平滑調(diào)節(jié)；改變調(diào)制信號 rU 的頻率則可改變輸出電壓的頻率。 與單極性 SPWM 控制方式對應，另外一種 SPWM 控制方式稱為雙極性 SPWM 控制方式。單相橋式逆變電路采用雙極性控制方式時的 SPWM 波形如圖 211 所示。各晶體管的控制規(guī)律如下： 在 rU 的正負半周內(nèi)，對各晶體管控制規(guī)律相同，同樣在調(diào)制信號 rU 和載波信號 CU 的交點時刻控制各開關(guān)器件的通斷。當 rCUU? 時，使晶體管 T T4 導通， T T3關(guān)斷，此時， OdUU? ；當 rCUU? 時，使晶體管 T T3 導通， TT4關(guān)斷，此時， OdUU?? 。 在雙極性控制方式中，三角載波是正負兩個方向變化，所得到的 SPWM 波形也是在正負兩個方向變化。在 rU 的一個周期內(nèi)， SPWM 輸出只有177。 Ud 兩種電平。逆變電路同一相上下兩臂的驅(qū)動信號是互補的。在實際應用時，為了防止上下兩個橋臂同時導通 而造成短路，在給一個臂施加關(guān)斷信號后，再延遲△ t時間，然后給另一個臂施加導通信號。延遲時間的長短取決于功率開關(guān)器件的關(guān)斷時間。需要指出的是，這個延遲時間將會給輸出的 SPWM 波形帶來不利的影響，使其偏離正弦波。 第三章系統(tǒng)硬件設計 22 本次設計的目的是研制一種輸入為市電三相 380V，輸出為 220V， 50Hz 的交流穩(wěn)定電壓，輸出功率為 3KW 的單相穩(wěn)壓電源?？紤]到所設計的系統(tǒng)為大功率電源，所以我們在這考慮使用 SPWM 逆變技術(shù)，圖 31為所設計的系統(tǒng)框圖。 該系統(tǒng)的工作原理是三相電源 380V 經(jīng)整 流濾波變成直流電壓，然后經(jīng) SPWM全橋逆變，變成 220V 的 SPWM 電壓，再經(jīng)輸出濾波電路濾波為 220V、 50Hz 正弦波交流電壓輸出，另外，系統(tǒng)中 CPU 根據(jù)輸出采樣電壓值來控制 SPWM 波發(fā)生器輸出的 SPWM 波形參數(shù)， SPWM 發(fā)生器產(chǎn)生的 SPWM 波經(jīng)四個驅(qū)動隔離電路去驅(qū)動逆變電路，從而把整流濾波后得到的直流電逆變成穩(wěn)定交流電。該系統(tǒng) CPU 采用AT89C51， SPWM 波發(fā)生器采用 SA4828 三相 SPWM 波發(fā)生器，這里我們只使用其一相輸出波形，驅(qū)動隔離電路采用富士公司生產(chǎn)的 EXB841，主電路采用高壓整流模塊和 IGBT模塊，輸出采樣模塊使用 ADC0809。由于本系統(tǒng)的控制核心器件是AT89C51，所以我們在此對該器件作一下介紹： AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的，該單片機采用高密度，非易失存儲技術(shù)，將閃爍存儲器（即 flash memory 或 PEROM）和 MCS51 系列單片機相結(jié)合。該單片機不但和 MCS51 系列單片機完全兼容，更以其便利的電擦寫功能和低廉的價格而擁有很高的性能價格比。適用于各種需要較高靈活性的嵌入式控制應用領(lǐng)域。 AT89C51 單片機芯片有 40 個引腳，是用 CMOS 工藝制造的芯片，采用雙列直插 封裝（ DIP）和方形封裝方式。圖 32為它的引腳圖，說明如下： Vcc和 Vss Vcc：接＋ 5V電壓。 23 Vss:接地。 XTAL1：接外部晶振的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。當采用外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，即把信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：片內(nèi)反相放大器輸出端。外接晶振時， XTAL2 和 XTAL1 各接晶振的一端，借外接晶振與片內(nèi)反相放大器構(gòu)成振蕩器。 3．輸入 /輸出引腳 ：雙向三態(tài) I/O 口。在訪 問外部存儲器時，分別輸出低 8 位地址線和 8位數(shù)據(jù)線。在對內(nèi)部 EPROM 編程時，用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。 ：8位雙向 I/O 口。對 EPROM 編程時，用于接受低 8 位地址。 ： 8 位雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，輸出高 8位地址。在對內(nèi)部 EPROM 編程時，用于接受高 8位地址。 ： 8 位雙向 I/O 口。每個引腳都有各自圖 32 AT89C51 引腳的第二功能： 為 RXD（串行輸入口）； 為 TXD（串行輸出口）； 為 INT0（外部中斷請求輸入端 0）； 為 INT1（外部中斷請求輸入端 1）； 為 T0（定時器 /計數(shù)器 0 計數(shù)脈沖輸入端）； 為 T1（定時器 /計數(shù)器 1 計數(shù)脈沖輸入端）； 、 為 WR 、 RD（片外數(shù)據(jù)存儲器寫 /讀選通信號輸出端）。 4．控制引腳 ALE/PROG：地址鎖存有效信號輸出端。 24 PSEN：片外程序存儲器讀取選通信號輸出端。 RST/Vpd：復位端。當 Vcc 掉電期間， Vpd 如接備用電源 V 可用于保存片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)。 EA/Vpp：片外程序存儲器選用端。 計 圖 33是本系統(tǒng)主電路的電路圖，下面我們分別來介紹主電路的各個部分： 輸入 EMI濾波器的設計 一、高頻電源中的噪聲問題 電源中，噪聲是指直流基礎(chǔ)電源輸出電壓中的脈動成分以及其他的交流分量。有些噪聲來自設備外部，如大負荷用電設備起動造成電網(wǎng)電壓瞬時跌落、工頻波形失真等。有些噪聲來自設備自身，如在功率轉(zhuǎn)換電路中開關(guān)管從導通到截止或從截止到導通的瞬態(tài)過程中，高速脈沖波形的電流、電壓，尤其是脈沖上升、下降沿，其中包含豐富的高次諧波分量易產(chǎn)生噪聲，另外，在開關(guān)管高速工作時，非線性元件、傳輸導線分布電感 、電容容易發(fā)生寄生振蕩，加上器件本身高頻特性的差異均有可能產(chǎn)生噪聲。 電源中的噪聲，按傳導與輻射兩種方式傳播，按對負載的影響，可分為共模噪聲、差模噪聲和輻射噪聲。這里共模噪聲是指主回路與機殼間傳導的噪聲；差模噪聲是指回路中的常態(tài)噪聲；輻射噪聲既包括外界通過空間向電源輻射的噪聲，又包括電源對外輻射的噪聲。 二、 EMI 濾波器在本系統(tǒng)中，為了抑制交流電網(wǎng)和電源之間的相互干擾，在交流電網(wǎng)和電源輸入端之間加上 EMI（電磁干擾）濾波器，一方面，加上 EMI 濾波器后，可以消除來自電網(wǎng)的各種干擾對系統(tǒng)的影響，如電動機的啟動， 電器開 25 關(guān)的合閘和關(guān)斷，雷擊等產(chǎn)生的尖峰干擾；另一方面，該濾波器也可以防止系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴散而污染電網(wǎng)。 EMI 濾波器主要由工頻低通濾波器和共模抑制元件組成，在本系統(tǒng)設計中我們選用北京克普銳特電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 KT3H420型三相三線濾波器，其原理圖如圖 3－ 4 所示。 Lc 為濾波扼流線圈，當電源輸入電流流過 Lc 時，所產(chǎn)生的磁場可以互相抵消，相當于沒有電感效應，Lc對共模噪聲來說，相當于一個電感量很大的電感，故它能有效地抑制共模傳導噪聲，電容 Cy對共模噪聲起旁路作用， Cx 對共模噪聲起抑制作用， R 為 Cx的放電電容，其特性如下： ①濾波器采用新型軟磁材料。 ②最大泄漏電流：相－地（ 250VAC、 50Hz） ③耐壓：相－中 2150VDC ④額定工作頻率： 50200Hz 圖 34 KT3H420 型內(nèi)部原理圖 ⑤額定工作電流： 20A ⑥額定工作電壓：相－相 380VAC 相－中 220VAC ⑦溫度范圍： 25℃ +85℃ ⑧絕緣電阻： 200M? @500VDC EMI 濾波器的安裝和布線對濾波器的性能發(fā)揮是極為重要的，在其安 中應注意以下幾點： ①濾波器應安裝在機柜底部離設備電源入口盡量近的地方，并加以板，不要讓未經(jīng)過濾波器的電源線在機柜內(nèi)迂回。如果交流電源進入機殼波器有較長的距離，則這段線應加以屏蔽。 26 ②濾波器的外殼必須用截面積大的導線以最短的距離與機殼連為一盡量使濾波器的接地點與外殼接地點保持最短的距離，輸入、輸出應靠近部布線以減少耦合，并將輸入、輸出線嚴格分開，絕不允許將濾波器的輸輸出線捆在一起或靠得很近。 ③機殼內(nèi)的其他用電器（照明燈、信號