能量回饋型電子負(fù)載

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 2008年“盛群杯”重慶大學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)競賽復(fù)賽報(bào)告能量回饋型電子負(fù)載參賽編號(hào): 重慶科技學(xué)院 電子信息自動(dòng)化系指導(dǎo)老師：葉文參賽隊(duì)員：黃勇、魏剛、唐智勇E-mail Address:YW0238163.COM日期:2008年6 月8 日摘要:大功率電源、蓄電池、發(fā)電機(jī)組以及各種電工產(chǎn)品等的生產(chǎn)和檢修都需要大電流的泄放，通常因使用電阻負(fù)載而消耗了大量能源，提高了生產(chǎn)成本、精度難以保證。本作品以HT46R24單片機(jī)為核心構(gòu)成，采用基于SPWM算法的有源逆變技術(shù)，其PWM模塊結(jié)合定時(shí)器定時(shí)改變PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)SPWM波形的產(chǎn)生，此控制信號(hào)通過MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

2、來控制大功率逆變橋中各個(gè)MOS管的通斷；同時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)，保證與電網(wǎng)電壓同步；通過對(duì)反饋電流得控制能夠保證泄放電流的精度。直流電經(jīng)過逆變橋的逆變成為交流電，然后經(jīng)過變壓器升壓直接回饋電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)電能的節(jié)約。此外裝置在停電時(shí)能夠把平時(shí)儲(chǔ)存在電池里的直流電源轉(zhuǎn)換成為交流電，使得家用電器在停電的時(shí)候能夠正常地工作，以確保人類生活不受影響。關(guān)鍵詞：有源逆變 能量回饋 SPWM 專心-專注-專業(yè)前言：大功率電源、蓄電池、發(fā)電機(jī)組以及各種電工產(chǎn)品等的生產(chǎn)和檢修都需要大電流的泄放，通常因使用電阻負(fù)載而消耗了大量能源，提高了生產(chǎn)成本、精度難以保證。所以本作品采用將直流電逆變成交流電，回饋給電網(wǎng)，從而節(jié)

3、約能源，在停電是還可以將直流電直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)UPS電源。由于目前大多產(chǎn)品采用模擬電路設(shè)計(jì)，不能實(shí)現(xiàn)電壓電流可調(diào)。本作品采用單片機(jī)與電力電子相結(jié)合的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)能量回饋，UPS，并且實(shí)現(xiàn)電壓和電流都可調(diào)。1、工作原理1.1逆變器的工作原理逆變回路的基本方框圖如下：本系統(tǒng)是將生活及工業(yè)的直流電通過逆變器將直流變?yōu)榻涣麟?，通過變壓器將逆變的交流電升壓到電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)直流電逆變后反饋回電網(wǎng)的設(shè)想，達(dá)到節(jié)約能源的目的。 圖1-1 主回路的基本方框圖主電路的工作原理是給進(jìn)行DC/AC轉(zhuǎn)換的逆變橋加上直流電源，控制逆變橋管子的通斷，而使直流電變成了幅值可調(diào)的交流電。而逆變橋上的4個(gè)可控管子的通斷狀態(tài)是由控

4、制電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制，所產(chǎn)生的低壓交流電經(jīng)過了變壓器的升壓形成了電壓220V，與電網(wǎng)的頻率、相位一致的交流電回饋到電網(wǎng)上。主回路的基本方框圖如圖1-1。本系統(tǒng)的逆變部分采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）的方法。SPWM就是由載波調(diào)制正弦波而獲得脈沖寬度按正弦規(guī)律變化又和正弦波等效的脈沖寬度調(diào)制波形。目前存在三種調(diào)制方式，分別為單極性調(diào)制、雙極性調(diào)制以及有限單極性調(diào)制，它們之間主要的差別表現(xiàn)在全橋電路中兩橋臂對(duì)角線上兩只功率器件開關(guān)組合不同以及開關(guān)頻率不同。在本系統(tǒng)主要從轉(zhuǎn)化效率考慮來選擇調(diào)制方式。對(duì)于功率電路來說，各種損耗是影響系統(tǒng)效率的主要原因。雙極性SPWM調(diào)制方式的開關(guān)損耗最大，有限單極性S

5、PWM調(diào)制方式的開關(guān)損耗最小；有限單極性SPWM調(diào)制方式和雙極性SPWM調(diào)制方式的通態(tài)損耗最大，單極性SPWM調(diào)制方式的通態(tài)損耗最小。綜合考慮這些因素，該作品選擇單極性SPWM的調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)有源逆變。1.2逆變器的控制方法控制能量回饋的關(guān)鍵是PWM波形產(chǎn)生去控制逆變橋臂的MOSFET在不同時(shí)刻的通斷。通過PWM的控制可以調(diào)制相位和幅值控制，該方法是通過控制MOSFET的產(chǎn)生時(shí)刻來實(shí)現(xiàn)的。所謂的SPWM控制就是將一個(gè)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(gè)與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點(diǎn)與相應(yīng)正弦等份的中點(diǎn)重合。所示得脈沖列，這就是SPWM波形。該P(yáng)W

6、M波形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化，所以稱為SPWM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(shí)，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，從而可得到畸變率極低的正弦波輸出電壓。SPWM控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)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(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，脈沖波形的寬度和間隔便可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。然后按照計(jì)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(shí)際應(yīng)用中，人們常采用正弦波與等腰三

7、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(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑曲線相交時(shí)，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，這種方法稱為調(diào)制方法。希望輸出的信號(hào)為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的三角波稱為載波。當(dāng)調(diào)制信號(hào)是正弦波時(shí)，所得到的便是SPWM波形。載波調(diào)制方式有單極性和雙極性SPWM控制方式。下面重點(diǎn)介紹電壓型單相橋式PWM逆變。電壓型單相橋式PWM逆變電路見圖1-1：電壓型單相橋式PWM逆變電路。電壓型單相橋式PWM逆變電路，其單極性SPWM控制方式為載波信號(hào)uc在信號(hào)正半周為正極性的三角波，在負(fù)半周為負(fù)極性的三角波，調(diào)制信號(hào)ur和載波uc的交點(diǎn)時(shí)刻

8、控制逆變器電力晶體管T3、T4的通斷。各晶體管的控制規(guī)律如下：在ur的正半周期，T1保持導(dǎo)通，T4交替通斷。當(dāng)ur>uc時(shí)，使T4導(dǎo)通，負(fù)值可以使輸出調(diào)制脈沖寬度作相應(yīng)的變化，這能改變逆變器輸出電壓的基波幅值，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的平滑調(diào)節(jié)；改變調(diào)制信號(hào)ur的頻率則可改變輸出電壓的頻率。圖1-1：電壓型單相橋式PWM逆變電路逆變電路同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了防止上下兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通而造成短路，在給一個(gè)臂施加關(guān)斷信號(hào)后，再延遲t時(shí)間，然后給另一個(gè)臂施加導(dǎo)通信號(hào)。延遲時(shí)間的長短取決于功率開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間。逆變電路利用HT46R24單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，而

9、且其頻率及占空比是可調(diào)的PWM波形。但是由于單片機(jī)所產(chǎn)生的PWM脈沖不足以用作為可控管子的門極的觸發(fā)脈沖，所以PWM脈沖需要通過主要由HIP4081驅(qū)動(dòng)芯片組成的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電壓及功率的放大，從而符合作為可控管子的門極觸發(fā)的脈沖，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)可控管子的通斷的控制作用。1.3使用HOLTEK MCU的主要核心功能。PD0:產(chǎn)生PWM1的脈沖波形。PD1:產(chǎn)生PWM2的脈沖波形。定時(shí)器：用來改變PWM波形的占空比，形成SPWM。PA5外部中斷：用來檢測(cè)電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)，保持與電網(wǎng)電壓同步。2作品結(jié)構(gòu)2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)的工作原理是輸入直流電，經(jīng)SPWM全橋逆變，輸出20V左右、50Hz的交流電，然

10、后經(jīng)過變壓器將低壓交流電升壓為大于220V，頻率為50HZ的交流電，使直流電能回饋回電網(wǎng)。另外，系統(tǒng)中用帶PWM產(chǎn)生的HT46R24CPU，CPU根據(jù)輸入采樣電壓值和通過按鍵來改變PWM的占空比，形成驅(qū)動(dòng)SPWM全橋逆變的信號(hào)，然后經(jīng)過MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。同時(shí)為了保證和電網(wǎng)同步，本系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓過零的檢測(cè)，從而保證MOSFET輸出的電壓波形完全與電網(wǎng)信號(hào)同步。有源電子負(fù)載總體結(jié)構(gòu)圖如圖2-1。直流檢測(cè)SPWM全橋逆變驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路控制回路（HT46R24）交流升壓交流電壓過零檢測(cè)電網(wǎng)DC圖2- 1總體結(jié)構(gòu)圖2.2 SPWM全橋逆變圖2-2是本系統(tǒng)的SPWM全

11、橋逆變電路圖。圖2-2主回路電路圖本系統(tǒng)采用單相全橋電路，四個(gè)MOSFET管兩對(duì)對(duì)管分別導(dǎo)通，在變壓器上產(chǎn)生正負(fù)的電壓，即交流電壓，采用合適的控制方式就可以產(chǎn)生正弦電壓。本系統(tǒng)考慮到是大功率系統(tǒng)，電流較大，且綜合考慮到各方面的因素，我們選擇IRF640構(gòu)成逆變橋，選擇變壓器作為交流的升壓，變壓器變比為220:12。2.3 MOSFET保護(hù)電路設(shè)計(jì)為了保護(hù)MOSFET不受電壓，電流的沖擊損壞，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)MOSFET的緩沖電路。并且為了保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)過大在本系統(tǒng)中在MOSFET的柵、源極間設(shè)置電阻，防止驅(qū)動(dòng)信號(hào)過大，電路如圖-。圖-MOSFET保護(hù)電路2.4控制電路部分逆變部分的控制電路主要完成的功

12、能是控制輸出電壓，使輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相。控制回路的設(shè)計(jì)是利用定時(shí)器定時(shí)去改變輸出PWM的占空比來產(chǎn)生SPWM，SPWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片HIP去控制逆變橋。同時(shí)為了與電網(wǎng)保持同步，當(dāng)電網(wǎng)電壓過零時(shí)，重新產(chǎn)生PWM，這樣就實(shí)現(xiàn)了保持與電網(wǎng)電壓頻率一致?？刂齐娐方Y(jié)構(gòu)框圖如圖2-4：控制電路結(jié)構(gòu)框圖。定時(shí)器中斷查表改PWM占空比PWM引腳驅(qū)動(dòng)電路逆變H橋置查表指針電壓過零檢測(cè)中斷圖2-4：控制電路結(jié)構(gòu)框圖2.4.1SPWM算法:規(guī)則采樣法按照SPWM的基本原理，生成SPWM波形的方法有自然采樣法、規(guī)則采樣法等。綜合考慮各個(gè)方面，本作品采用了規(guī)則采樣法。規(guī)則采樣法是利用高頻率的方波（載波）去調(diào)制正

13、弦波。規(guī)則采樣法的公式為： ：脈沖寬度，：調(diào)制度：正弦信號(hào)波角頻率（頻率）2.4.2SPWM產(chǎn)生在有源逆變中，載波頻率就是MOSFET的開關(guān)頻率，并且載波頻率很高，SPWM要求實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，綜合考慮單片機(jī)機(jī)各方面因數(shù)，本作品采用軟件查表法改變PWM的占空比。軟件查表法的基本原理是：將一標(biāo)準(zhǔn)PWM占空比數(shù)字化后寫入單片機(jī)，根據(jù)電網(wǎng)電壓的頻率基本固定的特點(diǎn)，讓單片機(jī)利用定時(shí)器定時(shí)讀取一次事先設(shè)定PWM占空比，這樣經(jīng)過一個(gè)周期正好讀取一個(gè)完整占空比，這樣輸出的PWM的占空比得到改變，形成SPWM。至于與電網(wǎng)電壓同步是檢測(cè)電網(wǎng)壓過零，過零時(shí)給單片機(jī)發(fā)生外部中斷信號(hào)，這個(gè)外部中斷信號(hào)與電網(wǎng)電壓同步，這樣當(dāng)

14、外部中斷信號(hào)輸入單片機(jī)，單片機(jī)執(zhí)行一次中斷，中斷程序進(jìn)行一次參數(shù)復(fù)位，重新進(jìn)行查表輸出SPWM。2.4.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)一般大于10V，單片機(jī)輸出的SPWM不能直接去動(dòng)MOSFET。同時(shí)MOSFET如同開關(guān)，因此不能使MOSFET同一側(cè)的管子導(dǎo)通，導(dǎo)通會(huì)使電源兩端短接，也叫直通現(xiàn)象，這樣導(dǎo)致逆變失敗，并且造成嚴(yán)重后果。因此在同一側(cè)MOSFET要先關(guān)斷一管子，然后在開同另一管子，即設(shè)置死區(qū)。本作品選用HIP4081作MOSFET的驅(qū)動(dòng)芯片，在HIP4081中設(shè)置了死區(qū)。驅(qū)動(dòng)電路如圖2-5：MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。圖2-5：MOSFET驅(qū)動(dòng)電路創(chuàng)新設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流可調(diào)本作品

15、的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為能夠?qū)崿F(xiàn)電壓電流都可以調(diào)節(jié)。目前大多產(chǎn)品采用模擬電路設(shè)計(jì)，不能實(shí)現(xiàn)電壓電流可調(diào)。本作品采用數(shù)字設(shè)計(jì)，并且實(shí)現(xiàn)電壓和電流都可調(diào)。本作品電壓調(diào)節(jié)采用改變SPWM的調(diào)制比實(shí)現(xiàn)。電流可調(diào)是利用改變MOSFET的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)。本作品的控制方式利用逆變橋?qū)⑤斎氲闹绷麟娮兂山涣麟姡缓蠡仞伒诫娋W(wǎng)上去。該逆變的主要過程是通過控制逆變橋上的四個(gè)管子的通斷情況，實(shí)現(xiàn)輸出電壓正負(fù)有周期的改變。四個(gè)MOSFET的通、斷狀態(tài)是利用SPWM來控制的。SPWM的產(chǎn)生是利用HT46R24單片機(jī)PWM功能來發(fā)生，利用定時(shí)器定時(shí)查表改變PWM的占空比來實(shí)現(xiàn)SPWM的產(chǎn)生。SPWM是通過單片機(jī)的PD0、PD1來輸出，單片

16、機(jī)輸出的控制信號(hào)不能夠直接驅(qū)動(dòng) MOS管的通斷，因此這里我們采用HIP芯片來驅(qū)動(dòng)MOS管實(shí)現(xiàn)逆變。為了與電網(wǎng)電壓的波形達(dá)到同步，本作品用滯回比較器來對(duì)電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)檢測(cè)，當(dāng)電網(wǎng)電壓過零時(shí)，使查詢PWM占空比的指針從新置初值，這樣實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓保持同步，準(zhǔn)確的將電能逆變回電網(wǎng)。3.測(cè)試方法3.1測(cè)試條件、測(cè)試環(huán)境直流電DC（大于16V）輸入，燈泡以及數(shù)字存儲(chǔ)示波器3.2單片機(jī)PWM輸出端口測(cè)試應(yīng)該先對(duì)單片機(jī)的PWM波形的輸出端口PD0、PD1進(jìn)行測(cè)試，看是否有PWM波形的產(chǎn)生，若是有高頻率的PWM波形的產(chǎn)生，則說明單片機(jī)的能夠正常地工作，且單片機(jī)PD1，PD1輸出為SPWM。單片機(jī)PD0，PD

17、1輸出波形如圖3-1：單片機(jī)PD1，PD1輸出SPWM。CH0，CH1分別為PD0和PD1波形，其輸出頻率為50Hz。 圖3-1：單片機(jī)PD1，PD1輸出SPWM3.3作為UPS測(cè)試為了使我們的作品在沒有電網(wǎng)供電的情況下，也能是交流的負(fù)載能夠工作，所以首先將本作品作為UPS來對(duì)交流負(fù)載供電。1. 在MOSFET組成的逆變橋輸出端在逆變器輸入端接入DC24V，在變壓器原邊（變壓器的電網(wǎng)端）接上負(fù)載（電燈作負(fù)載）。啟動(dòng)有源電子負(fù)載工作，在MOSFET組成的逆變橋輸出端用示波器觀察逆變輸出端的電壓波形，經(jīng)測(cè)試輸出波形為SPWM波形，與理論上的波形完全相符。其波形如圖3-2。圖3-2 逆變電路MOEFET輸出的SPWM2.測(cè)試UPS輸出端電壓波形（變壓器220V端）如圖3-3.圖3-3 UPS輸出端電壓波形3.4作為有源電子負(fù)載測(cè)試作為有源電子