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: 重慶科技學(xué)院 電子信息自動化系指導(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)合定時器定時改變PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)SPWM波形的產(chǎn)生，此控制信號通過MOSFET驅(qū)動電路

2、來控制大功率逆變橋中各個MOS管的通斷；同時對電網(wǎng)電壓實(shí)時檢測，保證與電網(wǎng)電壓同步；通過對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。此外裝置在停電時能夠把平時儲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個可控管子的通斷狀態(tài)是由控

4、制電路的驅(qū)動信號來控制，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)生時刻來實(shí)現(xiàn)的。所謂的SPWM控制就是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(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，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)系且左右對稱，當(dāng)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(dāng)調(diào)制信號是正弦波時，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uc在信號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ur和載波uc的交點(diǎn)時刻

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，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)對輸出電壓的平滑調(diào)節(jié)；改變調(diào)制信號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)動信號是互補(bǔ)的。在實(shí)際應(yīng)用時，為了防止上下兩個橋臂同時導(dǎo)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(dǎo)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。逆變電路利用HT46R24單片機(jī)的定時器進(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)動芯片組成的驅(qū)動電路進(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。定時器：用來改變PWM波形的占空比，形成SPWM。PA5外部中斷：用來檢測電網(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SPWM全橋逆變的信號，然后經(jīng)過MOSFET的驅(qū)動電路產(chǎn)生MOSFET的驅(qū)動信號。同時為了保證和電網(wǎng)同步，本系統(tǒng)實(shí)時對電網(wǎng)電壓過零的檢測，從而保證MOSFET輸出的電壓波形完全與電網(wǎng)信號同步。有源電子負(fù)載總體結(jié)構(gòu)圖如圖2-1。直流檢測SPWM全橋逆變驅(qū)動電路保護(hù)電路控制回路（HT46R24）交流升壓交流電壓過零檢測電網(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MOSFET管兩對對管分別導(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)動信號過大在本系統(tǒng)中在MOSFET的柵、源極間設(shè)置電阻，防止驅(qū)動信號過大，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)是利用定時器定時去改變輸出PWM的占空比來產(chǎn)生SPWM，SPWM信號經(jīng)驅(qū)動芯片HIP去控制逆變橋。同時為了與電網(wǎng)保持同步，當(dāng)電網(wǎng)電壓過零時，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。定時器中斷查表改PWM占空比PWM引腳驅(qū)動電路逆變H橋置查表指針電壓過零檢測中斷圖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)利用定時器定時讀取一次事先設(shè)定PWM占空比，這樣經(jīng)過一個周期正好讀取一個完整占空比，這樣輸出的PWM的占空比得到改變，形成SPWM。至于與電網(wǎng)電壓同步是檢測電網(wǎng)壓過零，過零時給單片機(jī)發(fā)生外部中斷信號，這個外部中斷信號與電網(wǎng)電壓同步，這樣當(dāng)

14、外部中斷信號輸入單片機(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)動電路設(shè)計(jì)MOSFET的驅(qū)動信號一般大于10V，單片機(jī)輸出的SPWM不能直接去動MOSFET。同時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)動芯片，在HIP4081中設(shè)置了死區(qū)。驅(qū)動電路如圖2-5：MOSFET驅(qū)動電路。圖2-5：MOSFET驅(qū)動電路創(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?，然后回饋到電網(wǎng)上去。該逆變的主要過程是通過控制逆變橋上的四個管子的通斷情況，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，利用定時器定時查表改變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)輸出的控制信號不能夠直接驅(qū)動 MOS管的通斷，因此這里我們采用HIP芯片來驅(qū)動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電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)檢測，當(dāng)電網(wǎng)電壓過零時，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.測試方法3.1測試條件、測試環(huán)境直流電DC（大于16V）輸入，燈泡以及數(shù)字存儲示波器3.2單片機(jī)PWM輸出端口測試應(yīng)該先對單片機(jī)的PWM波形的輸出端口PD0、PD1進(jìn)行測試，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)載測試作為有源電子