【文章內(nèi)容簡介】 s i onS i z eBD a t e : 4 J un 201 0 S h e e t o f F i l e : D : \ P R O G R A M F I L E S \ P R O T E L 99 S E 漢化版 \ E X A M P L E S \ M yD e s i gn bD r a w n B y : C3 D1LT V T 2 D2 D3+E UoN1N 2 2 D4V T 1 N 2 1 C1Uo C2Uo++AB 圖 半橋式變換電路 半橋式變換電路開關(guān)管上最高電壓等于輸入電壓，比推挽式變換電路低一半。開關(guān)管關(guān)斷過程中，變壓器漏感引起的電壓尖峰被二極管鉗位，因此開關(guān)管的最高電壓不會超 過輸入電壓。由于變壓器原邊繞組上的方波電壓幅值只是電源電壓的一半，影響其功率輸出，所以半橋式變換電路不適合輸出功率較大的場合。但半橋式電路具有電路簡單，使用器件少，尤其具有抗不平衡能力強的特點，因天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 此在中小功率場所得到了廣泛應(yīng)用。 4 全橋式變換電路 全橋式變換電路圖如 4 所示。全橋式變換電路是目前逆變電路中使用最為常見的一種，該變換電路共有四個橋臂，可以看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導(dǎo)通，輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，其幅值高出半橋變換電路一倍。改變直流電壓 E 就改變輸出交流有效值，輸出功率大。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e vi s i onS i z eBD a t e : 4 J un 201 0 S h e e t o f F i l e : D : \ P R O G R A M F I L E S \ P R O T E L 99 S E 漢化版 \ E X A M P L E S \ M yD e s i gn bD r a w n B y : C3 D4LT V T 2 D3 D5UoN1N 2 2 D6V T 1 N 2 1UoUo D1V T 2 D2V T 1 +E C3UoUo 圖 全橋式變換電路 由于變壓器 Tr 磁芯工作在磁滯回路兩側(cè)，在開關(guān)器件飽和壓降和開關(guān)時間不相同，將會造成變壓器中正負(fù)半周期磁通的不對稱，從而引起偏磁現(xiàn)象，最常見及通用辦法是在變壓器 Tr 原邊回路中串接一個隔直電容 Cr，以此來抑制變壓器原邊非純交流電壓中直流分量。由于變壓器原邊繞組電阻小，在多個循環(huán)之后，即可造成磁飽和。 天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計 220v、 50HZ交流電經(jīng)整流濾波，變成直流電，通過逆變器將該直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率與負(fù)載 (或換能器 )諧振頻率一致的交變電壓。系統(tǒng)硬件電路由主電路、控制驅(qū)動電路、保護電 路和鍵盤顯示電路組成。 其中逆變器是用來實現(xiàn) Dc—Ac 變換的電力電子裝置。其作用是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件 (如 SCR， GTO， GTR， IGBT 和功率 MOSFET 模塊等 )的開通和關(guān)斷作用 ,把直流電能變換成交流電能。因此是一種電能變換裝置。 控制部分可通 STC 單片機控制電壓和頻率的改變。 變換電路選擇 為了提高通用性，系統(tǒng)選用 AC—DC—AC變換電路． DC—AC變換采用 STC單片機控制 SA4828芯片直接輸出 SPWM脈沖，從而使電路簡單、可靠、控制方便、體積?。孀冎麟娐凡捎脴蚴诫娐?，濾波后得到幅值和頻率 可調(diào)的交流電壓穩(wěn)定輸出。 主電路設(shè)計 電源系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)如圖 31所示． 圖 31 主電路 1)整流電路采用整流橋塊，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。 2)逆變電路選用 IGBT作為開關(guān)管組成橋式逆變電路。 3)輸出濾波電路全橋逆變電路的輸出為一系列高頻脈沖，要想得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，必須濾掉其高頻成分， LC濾波電路的作用正是濾除高頻，其參數(shù)由 LC濾波器的諧振頻率和特征阻抗決定。 整流電路用單相橋進行整流，利用二極管的單向?qū)щ娦?，?220 V交流電壓變成直流，給逆變器提供直流母線電壓。 Dl為整流橋。在整流電路中輸 出電壓是脈動的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動電流和負(fù)載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動，天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個低通濾波電路。這里采用常用的電容濾波電路，在整流輸出端并人大電容，整流輸出直流電壓含有很多偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，分流作用越大，諧波被濾除的就越多，輸出電壓的平均值就越大。 由于在交流輸入剛剛接通的一瞬間，輸入 220 V交流電壓經(jīng)整流后直接給直流電容充電，而此時電容的端電壓為零，相當(dāng)于短路狀態(tài)，這樣會造成很大的充電電流，導(dǎo)致熔斷器和空氣開關(guān)動作 ，甚至?xí)p壞后級電路。因此，必須對電容的充電電流進行限制。在交流輸入電路中串聯(lián)一個合適的電阻，用以限制最大充電電流。當(dāng)控制電路檢測到電容充電過程基本完畢后，與充電電阻并聯(lián)的接觸器觸點閉合，電阻處于短路狀態(tài)，系統(tǒng)開始正常工作。 Sl～ s4組成逆變器。 S1～ s4采用 IGBT功率模塊，工作頻率高、功率容量大。逆變器工作時， IGBT開關(guān)根據(jù)負(fù)載 (或換能器 )的諧振頻率進行切換， s s4和 s S3分別組成兩組開關(guān)。這兩組開關(guān)輪流導(dǎo)通，負(fù)載中的電流過零時開關(guān)切換。當(dāng)逆變器工作頻率等于負(fù)載 (或換能器 )的諧振頻率時，電路 輸出電壓為方波，輸出電流為正弦波。電路中采用零電流開關(guān)模式。其開關(guān)損耗極小， du／ dt及 di／ dt應(yīng)力大為下降，與此相應(yīng)的電磁干擾可以消除。逆變器的輸出接隔離變壓器，為消除濾波電感的噪音，將變壓器和電感集成在一起，再在變壓器的次級并以適當(dāng)?shù)碾娙?，利用輸出變壓器的漏感與電容組成 LC低通濾波器，從電容的兩端獲得正弦電壓輸出，這樣不但消除了輸出濾波電感產(chǎn)生的噪聲，而且簡化了主電路設(shè)計。 SPWM 逆變器的設(shè)計 由于逆變開關(guān)管的開關(guān)時間要由載波與調(diào)制波的交點來決定。在調(diào)制波的頻率、幅值和載波的頻率這 3項參數(shù)中 。不論哪一項發(fā)生變化時，都使得載波與調(diào)制波的交點發(fā)生變化。因此，在每一次調(diào)整時，都要重新計算交點的坐標(biāo)。顯然，單片機的計算能力和速度不足以勝任這項任務(wù)。過去通常的作法是：對計算作一些簡化，并事先計算出交點坐標(biāo)．將其制成表格，使用時進行查表調(diào)用。但即使這樣，單片機的負(fù)擔(dān)也很重。 為了減輕單片機的負(fù)擔(dān)，一些廠商推出了專用于生成三相或單相 SPWM波控制信號的大規(guī)模集成電路芯片，如 HEF475 SLE45 SA82 SA838等等。采用這樣的集成電路芯片，可以大大地減輕單片機的負(fù)擔(dān)，使單片機可以空出大量的機 時用于檢測和監(jiān)控。這里詳細介紹 SA4828三相 SPWM波控制芯片的主要特點、原理和編程。 SA4828作為單片機的外設(shè)，通過對單片機編程，將 SPWM的初始化信息和控制信息寫入 SA4828的相關(guān)寄存器，即可產(chǎn)生精確全數(shù)字化的單相、三相 SPWM波形。處理器采用 STC單片機，進一步降低了成本． STC單片機可同時用匯編語言和 C語言進行編程，提高了編程的靈活性。載波頻率 (開關(guān)頻率 )的選擇取決于所天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 使用的功率開關(guān)管器件，其設(shè)定公式為： ? ?1nC LKC A R R 2512 ??? ff (31) 式中正 CLK為輸入時鐘頻率． n是分頻倍率系數(shù)，由一個 3位 CFS字決定．調(diào)制波頻率范圍確定電源的最大頻率，其設(shè)定公式為： ? ? 3842 mC A R RR A N C E ?? ff (32) 式中 m是倍率系數(shù)，由一個 3位的 FRS字決定．脈沖延時時間是為了防止直通而短路，其設(shè)定公式為： ? ? ? ?5 1 263 f C A R RP D YP D Y ??? nt (33) 式中 nPDY的值由一個 6位的脈寬延時時間選擇字 PDY決定．為減少開關(guān)管頻繁開關(guān)引 起的附加損耗，脈沖取消字設(shè)定公式為： ? ? ? ?5 1 21 2 7 f C A R RP D YP D T ??? nt (34) 式中 nPDT的值由一個 7位脈沖取消字 PDT決定．調(diào)制波頻率計算式為： ? ? 65 536P D FR A N EP O W R E nff ?? (35) 式中 nPFS為 16位控制字 PFS的取值．調(diào)制波幅值計算式為： ? ? 2 5 51 0 0AP O W E R ?? nA (36) nA是 RAMP、 YAMP、 BAMP各自對應(yīng)的取值，其范圍為 0～ 255． 在實際運行中， nA的值要經(jīng)過適時調(diào)整、計算不斷改寫。 本系統(tǒng)中，通過改變 m、 n和調(diào)整 nA的取值改變輸出頻率，而通過調(diào)整 nA的值可以改變輸出幅值．讓 m和 n的設(shè)定值比例變化，可以在保持輸出幅值和頻率不變的情況下改變載波頻率 [15]。 STC通過 8位 P0端口同 SA4828的地址、數(shù)據(jù)復(fù)用管腳 AD0～ AD7相接，初始化 SA4828，讀取 SA4828內(nèi)部的看門狗定時器返回的信息，向 SA4828的控制寄存器發(fā)送控制信息， SA4828的 6個輸出端口輸出的高電平用于控制相應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動電路． SPWM產(chǎn)生電路的設(shè)計如圖 32． P007 P1 P2 AD07 RS RD MUX ALE WR CS STC SA4828 VDD 天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 32 接口示意圖 控制電路設(shè)計 控制電路以 SA4828和 ATMEL公司的 STC單片機為核心，完成 SPWM波的產(chǎn)生和系統(tǒng)的檢測、控制、更新顯示以及查詢按鍵功能： 當(dāng)系統(tǒng)工作時，一旦通電后，單片機立即對 SA4828進行初始化，設(shè)定與逆變器有關(guān)的基本參數(shù)，包括設(shè)置載波頻率，調(diào)制波頻率范圍、脈沖延遲時間、最小刪除脈沖時間、調(diào)制波波形選擇、幅值控制、看門狗時間常數(shù)等參數(shù)。然后向SA4828的控制寄存器傳送電源的頻率控制字和幅度控制字等參數(shù)。正常工作時 ，根據(jù)需要對 SA4828的控制數(shù)據(jù)進行修改，實現(xiàn)系統(tǒng)