【正文】 2 變頻電源輸出濾波器對系統(tǒng)的模型影響很大 ,輸入電壓的波動幅值和負(fù)載的性質(zhì) ,大小的變化范圍往往比較大 ,這些都增加了控制對象的復(fù)雜性 ,使得控制對象模型的高階性、不確定性、非線性顯著增加。要滿足負(fù)載對電源的靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)要求 ,一般地將電力電子變換裝置設(shè)計成一個閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。因此 ,如果能建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ,特別是從控制到輸 出之間的傳遞函數(shù) ,則有助于工程技術(shù)人員的設(shè)計和系統(tǒng)分析 ,減少盲目選擇參數(shù)的調(diào)試時間 ,解決本質(zhì)非線性系統(tǒng)的線性控制問題。 技術(shù)要求 : (1)具有最大功率點跟蹤 (MPPT)功能 :RS 和 RL 在給定范圍內(nèi)變化時 ,使 ,相對偏差的絕對值不大于 1%。 (3)當(dāng) RSRL30Ω時 ,DCAC 變換器的效率≥ 60%。 (5)具有輸入欠壓保護(hù)功能 ,動作電壓 Udth25177。 (6)具有輸出過流保護(hù)功能 ,動作電流 177。 3 總體方案設(shè)計 逆變電路的選擇與方案論證 逆變電源的主電路基本就是有整流器 ,逆變器 ,變壓器 ,LC 濾波器組成。在驅(qū)動電 壓的輪流開關(guān)的作用下 ,半橋電路兩只晶體管交替導(dǎo)通和截止 ,它們在變壓器 T 原邊產(chǎn)生高壓開關(guān)脈沖 ,從而在副邊感應(yīng)出交變的方波脈沖 ,實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換。半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖如下圖 圖 4 半橋式電路結(jié)構(gòu)圖 方案二 :全橋 DCAC 變換器。改變開關(guān)的占空比 ,也就改變了輸出電壓 Vout。 圖 5 全橋式電路結(jié)構(gòu)圖 方案比較 :方案一和方案二都可以作為 DCAC 變換器的逆變橋 ,由兩者的工作原理可知 ,半橋需要兩個開關(guān)管 ,全橋需要四個開關(guān)管。同時 ,系統(tǒng)的負(fù)載類型不定 ,考慮到環(huán)節(jié)的負(fù)載效應(yīng) ,將負(fù)載的擾動電流 I。 通過上述等效 ,整個電路可等效視為下圖所示電路 圖 7 主電路等效結(jié)構(gòu)圖 在此模型中 ,對電路進(jìn)行了理想化的假設(shè) : 1 直流母線電壓 Udc 為恒定不變 的 。 3 輸出電壓基波頻率及 LC 濾波電路自然震蕩頻率遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率。 逆變電路的結(jié)構(gòu) 圖 9 逆變電路的圖形 在電路中輸入為 VD350 V DC,輸出為 220 VAC 50 Hz,輸出功率為 P2 000 W,功率因數(shù)為 cos φ 1。 開關(guān)管和二極管的選擇 1 開關(guān)管的選擇 最大輸出情況下 ,電流有效值為 1 開關(guān)管額定電流 2 開關(guān)管額定電壓 3 2 二極管的選擇 額定電壓 4 最大允許的均方根正向電流 5 二極管的額定電流為 6 并聯(lián)電容的選取 在功率因數(shù)為 1 的情況下 ,等效的濾波電路的負(fù)載電阻為 7 周期為 8 則電容為 濾波電路的設(shè)計 設(shè)計濾波器的時候 ,應(yīng)主要考慮一下的類容 : (1)輸入電流和輸出電壓的 THD 或單次諧波含量均應(yīng)降低到允許的范圍 。 (3)濾波電感基波壓降小 ,負(fù)載變化所引起的輸入 ,輸出電壓波動小 。 考慮到成本和體積 ,擬采用 LC 單級濾波器作為濾波部分。單級 LC 濾波器 k 次諧波的等效電路如下圖所示。為 LC 輸入濾波器的諧振角頻率。則由上式可得 由此可見 ,諧波次數(shù)越高 ,對應(yīng)的電源側(cè)諧波次數(shù)的分量就越小 ,并且 ,在脈動直流電流基波角頻率不變的情況下 ,可以通過增大濾波電 感 L,濾波電容 C 來降低電源側(cè)諧波電流 (即減小輸入濾波器的諧振角效率 wr,從而減小 wr/w 的值 )。 由此可得 : 對于電感、電容各自參數(shù)的選取 ,一般以電感為主進(jìn)行設(shè)計。而電感選取過小 ,則使輸出電 流的開關(guān)紋波加大 ,必然增大磁帶損耗 ,同時也使波形變差 ,增大輸出電流波形的 THD。在由電流最大紋波的限制 ,可得到電感量的最小值 ,通過這兩個約束條件可計算出 L 的范圍。 再根據(jù) LC 濾波器已確定的截止頻率 ,可計算出濾波電容 C1000uF。它有很多的系列如 :ka7805,ads7805,cw7805 等 ,性能有微小的差別 ,最常用的是 lm7805,下圖為其結(jié)構(gòu) 見圖 : 圖 11 7805引腳圖 其中 1接整流器輸出的 +電壓 ,2為公共地 (也就是負(fù)極 ),3 就是我們需要的正 5V 輸出電壓了。靜態(tài)電流 :。紋波抑制比 :78dB。輸出電壓溫度系數(shù) :℃ 。 Proteus 仿真結(jié)果 : 圖 14 仿真結(jié)果 在實際應(yīng)用中 ,應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱 器(當(dāng)功率小的條件下不用 )。當(dāng)制作中需要一個能輸出 以上的電流的穩(wěn)壓電源 ,通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來 ,使其最大輸出電流為 N個 ,但應(yīng)用時需要注意 :并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批。它的典型性能 有 :可調(diào)范圍是 :4V6V 低溫度系數(shù)動作電流范圍 : (2)、典型應(yīng)用電路 : 圖 15 圖 16 上圖 15 是 LM336 系列的基本應(yīng)用電路 ,圖中的 10kΩ電位器可用來調(diào)節(jié)擊穿電壓而不影響器件的溫度系數(shù)。 圖 17 圖 18 上圖 17 為低噪聲 5V 穩(wěn)壓電路。 SPWM 信號的產(chǎn)生 SPWM 產(chǎn)生原理 SPWM 即正弦波脈寬調(diào)制 ,是把一個 正弦波分成 N 個等幅而不等寬的方波脈沖 ,每一個方波的寬度與其所對應(yīng)時刻的正弦波的值成正比 ,這樣就產(chǎn)生了與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波。在 SPWM 中常用等腰三角波作為載波 ,因為等腰三角波是上下寬度線性對稱變化的波形 ,當(dāng)它與任何一個光滑的曲線相交時 ,在交點的時刻控制開關(guān)器件的通斷 ,即可得到一組等幅而 脈沖寬度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖 ,如圖1 所示。若 Utm 取值為 1,則正弦調(diào)制波 Us可用下式計算 UsMsinw1t 其中 w12π f1 ,為正弦調(diào)制波的角頻率。每個脈沖的前沿時刻和后沿時刻正好是對 應(yīng)的兩個相應(yīng)三角波的下 降和上升直線與正弦曲線的交點時刻 ,如圖 2 所示的 A、 B 兩點對應(yīng)的時刻。 E 點的縱坐標(biāo)是 Msinwte 根據(jù)三角波相似原理可得圖 20 正弦波脈寬調(diào)制規(guī)則采樣 從而有 圖中 A點和 B點之間的時間 t2是逆變器功率開關(guān)器件導(dǎo)通工作的區(qū)間 ,稱為脈沖時間 。 SPWM 信號產(chǎn)生的方案設(shè)計 方案一 :利用模擬電子器件的方案 : 利用文氏振蕩生成頻率 50Hz,幅值12V 的正弦波 ,再用由運放和穩(wěn)壓二極管組成的三角波發(fā)生器生成頻率 6KHz,幅值 13V 的三角波。 方案二 :基于 EPROM 的數(shù)字式 SPWM 調(diào)制器的方案。此種方法是按照沖量等效原理將一個周期的正弦波信號離散 360 等份 ,分別賦以不同占空比 ,使其按正弦的規(guī)律變化 ,依次存入 SOPC,這樣 ,分別改變時間系數(shù)和幅值系數(shù)便可以改變輸出正弦波的幅值和頻率。方案二雖然電路簡單經(jīng)濟(jì)可靠 ,但由于頻率幅值不可調(diào) ,所以此種方法也不宜采用。綜合以上各方面 ,我們選擇第三種方案。在 SOPC 芯片內(nèi)部開辟了一塊 ROM 區(qū)域 ,將離散時間正弦波幅值存入其中。將經(jīng)分頻后的時鐘送入正弦調(diào)制波發(fā)生器 ,而載波發(fā)生器選用的時鐘是原時鐘 ,從而實現(xiàn)了 N 載波比。此方案簡單 ,易于控制 ,而且載波比可調(diào)。 后兩者乘積對應(yīng)著系統(tǒng)的輸出功率 Po,可以直接求出。 非周期正弦信號有效值與平均功率 : 系統(tǒng)測試步驟與儀器 測試步驟 (1) 觀察控制器輸出的 SPWM信號 ,符合要求后再接入 60V直流穩(wěn)壓電壓和負(fù)載 ,通過萬用表測試 Ud 、 Id、 Uo I o1 的參數(shù)并記錄 。 (3) 人為設(shè)置欠壓、過流故障 ,測試欠壓、過流保護(hù)功能 測試儀器 序號 名稱、型號、規(guī)格 數(shù)量 備注 1 UT56 數(shù)字萬用表 1 優(yōu)利德科技 (東莞 )有限公司 2 TDS1002 數(shù)字存儲示波器 (60MHz、 ) 1 泰克科技 (中國 )有限公司 3 SS3323 可跟蹤直流穩(wěn)定電源 1 石家莊無線電四廠 4 TFG3150 DDS 函數(shù)信號發(fā)生器 (150MHz) 1 石家莊無線電四廠 5 DS1202 CA 數(shù)字示波器 1 西安雙英科技有限公司 系統(tǒng)的測試結(jié)果與分析 當(dāng)負(fù)載為 30Ω和 36Ω時 ,記錄輸入、輸出功率的相關(guān)參數(shù) 表 1 不同負(fù)載下 DCAC 變換器效率 參數(shù) 負(fù)載 Ud Id Uo1 I o1 Pd Po η 30Ω % 36Ω % 在接入不同負(fù)載的條件下 ,通過上表測量參數(shù)的計算 ,裝置的 DCAC 變換器的效率η均大于 80%,實現(xiàn)要求。但是 頻率有點偏差 ,其偏差原因可能有以下一些原因。另外 ,測試儀器本來存在測量誤