能量回馈型电子负载教学教材.doc

能量回馈型电子负载精品文档 2008年“盛群杯”重庆大学生单片机应用设计竞赛复赛报告能量回馈型电子负载参赛编号: 20080233重庆科技学院 电子信息自动化系指导老师：叶文参赛队员：黄勇、魏刚、唐智勇E-mail Address:YW0238163.COM日期:2008年6 月8 日摘要:大功率电源、蓄电池、发电机组以及各种电工产品等的生产和检修都需要大电流的泄放，通常因使用电阻负载而消耗了大量能源，提高了生产成本、精度难以保证。本作品以HT46R24单片机为核心构成，采用基于SPWM算法的有源逆变技术，其PWM模块结合定时器定时改变PWM的占空比，实现SPWM波形的产生，此控制信号通过MOSFET驱动电路来控制大功率逆变桥中各个MOS管的通断；同时对电网电压实时检测，保证与电网电压同步；通过对反馈电流得控制能够保证泄放电流的精度。直流电经过逆变桥的逆变成为交流电，然后经过变压器升压直接回馈电网，从而实现电能的节约。此外装置在停电时能够把平时储存在电池里的直流电源转换成为交流电，使得家用电器在停电的时候能够正常地工作，以确保人类生活不受影响。关键词：有源逆变 能量回馈 SPWM 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 前言：大功率电源、蓄电池、发电机组以及各种电工产品等的生产和检修都需要大电流的泄放，通常因使用电阻负载而消耗了大量能源，提高了生产成本、精度难以保证。所以本作品采用将直流电逆变成交流电，回馈给电网，从而节约能源，在停电是还可以将直流电直接驱动负载，实现UPS电源。由于目前大多产品采用模拟电路设计，不能实现电压电流可调。本作品采用单片机与电力电子相结合的设计，实现能量回馈，UPS，并且实现电压和电流都可调。1、工作原理1.1逆变器的工作原理逆变回路的基本方框图如下：本系统是将生活及工业的直流电通过逆变器将直流变为交流电，通过变压器将逆变的交流电升压到电网电压，实现直流电逆变后反馈回电网的设想，达到节约能源的目的。 图1-1 主回路的基本方框图主电路的工作原理是给进行DC/AC转换的逆变桥加上直流电源，控制逆变桥管子的通断，而使直流电变成了幅值可调的交流电。而逆变桥上的4个可控管子的通断状态是由控制电路的驱动信号来控制，所产生的低压交流电经过了变压器的升压形成了电压220V，与电网的频率、相位一致的交流电回馈到电网上。主回路的基本方框图如图1-1。本系统的逆变部分采用正弦脉宽调制（SPWM）的方法。SPWM就是由载波调制正弦波而获得脉冲宽度按正弦规律变化又和正弦波等效的脉冲宽度调制波形。目前存在三种调制方式，分别为单极性调制、双极性调制以及有限单极性调制，它们之间主要的差别表现在全桥电路中两桥臂对角线上两只功率器件开关组合不同以及开关频率不同。在本系统主要从转化效率考虑来选择调制方式。对于功率电路来说，各种损耗是影响系统效率的主要原因。双极性SPWM调制方式的开关损耗最大，有限单极性SPWM调制方式的开关损耗最小；有限单极性SPWM调制方式和双极性SPWM调制方式的通态损耗最大，单极性SPWM调制方式的通态损耗最小。综合考虑这些因素，该作品选择单极性SPWM的调制方法实现有源逆变。1.2逆变器的控制方法控制能量回馈的关键是PWM波形产生去控制逆变桥臂的MOSFET在不同时刻的通断。通过PWM的控制可以调制相位和幅值控制，该方法是通过控制MOSFET的产生时刻来实现的。所谓的SPWM控制就是将一个正弦波半波电压分成N等分，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合。所示得脉冲列，这就是SPWM波形。该PWM波形的脉冲宽度是按正弦规律变化，所以称为SPWM波形。根据采样控制理论，脉冲频率越高，SPWM波形便越接近正弦波。逆变器的输出电压为SPWM波形时，其低次谐波得到很好地抑制和消除，高次谐波又能很容易滤去，从而可得到畸变率极低的正弦波输出电压。SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其他所需要的波形。从理论上讲，在给出了正弦半波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，脉冲波形的宽度和间隔便可以准确计算出来。然后按照计算的结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的波形。但在实际应用中，人们常采用正弦波与等腰三角波相交的办法来确定各矩形脉冲的宽度。等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个光滑曲线相交时，即得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲，这种方法称为调制方法。希望输出的信号为调制信号，把接受调制的三角波称为载波。当调制信号是正弦波时，所得到的便是SPWM波形。载波调制方式有单极性和双极性SPWM控制方式。下面重点介绍电压型单相桥式PWM逆变。电压型单相桥式PWM逆变电路见图1-1：电压型单相桥式PWM逆变电路。电压型单相桥式PWM逆变电路，其单极性SPWM控制方式为载波信号uc在信号正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波，调制信号ur和载波uc的交点时刻控制逆变器电力晶体管T3、T4的通断。各晶体管的控制规律如下：在ur的正半周期，T1保持导通，T4交替通断。当uruc时，使T4导通，负值可以使输出调制脉冲宽度作相应的变化，这能改变逆变器输出电压的基波幅值，从而可实现对输出电压的平滑调节；改变调制信号ur的频率则可改变输出电压的频率。图1-1：电压型单相桥式PWM逆变电路逆变电路同一相上下两臂的驱动信号是互补的。在实际应用时，为了防止上下两个桥臂同时导通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟t时间，然后给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短取决于功率开关器件的关断时间。逆变电路利用HT46R24单片机的定时器进行产生触发脉冲，而且其频率及占空比是可调的PWM波形。但是由于单片机所产生的PWM脉冲不足以用作为可控管子的门极的触发脉冲，所以PWM脉冲需要通过主要由HIP4081驱动芯片组成的驱动电路进行电压及功率的放大，从而符合作为可控管子的门极触发的脉冲，因此实现对可控管子的通断的控制作用。1.3使用HOLTEK MCU的主要核心功能。PD0:产生PWM1的脉冲波形。PD1:产生PWM2的脉冲波形。定时器：用来改变PWM波形的占空比，形成SPWM。PA5外部中断：用来检测电网电压过零点，保持与电网电压同步。2作品结构2.1系统总体结构该系统的工作原理是输入直流电，经SPWM全桥逆变，输出20V左右、50Hz的交流电，然后经过变压器将低压交流电升压为大于220V，频率为50HZ的交流电，使直流电能回馈回电网。另外，系统中用带PWM产生的HT46R24CPU，CPU根据输入采样电压值和通过按键来改变PWM的占空比，形成驱动SPWM全桥逆变的信号，然后经过MOSFET的驱动电路产生MOSFET的驱动信号。同时为了保证和电网同步，本系统实时对电网电压过零的检测，从而保证MOSFET输出的电压波形完全与电网信号同步。有源电子负载总体结构图如图2-1。直流检测SPWM全桥逆变驱动电路保护电路控制回路（HT46R24）交流升压交流电压过零检测电网DC图2- 1总体结构图2.2 SPWM全桥逆变图2-2是本系统的SPWM全桥逆变电路图。图2-2主回路电路图本系统采用单相全桥电路，四个MOSFET管两对对管分别导通，在变压器上产生正负的电压，即交流电压，采用合适的控制方式就可以产生正弦电压。本系统考虑到是大功率系统，电流较大，且综合考虑到各方面的因素，我们选择IRF640构成逆变桥，选择变压器作为交流的升压，变压器变比为220:12。2.3 MOSFET保护电路设计为了保护MOSFET不受电压，电流的冲击损坏，本系统设计MOSFET的缓冲电路。并且为了保证驱动信号过大在本系统中在MOSFET的栅、源极间设置电阻，防止驱动信号过大，电路如图-。图-MOSFET保护电路2.4控制电路部分逆变部分的控制电路主要完成的功能是控制输出电压，使输出电压与电网电压同频同相。控制回路的设计是利用定时器定时去改变输出PWM的占空比来产生SPWM，SPWM信号经驱动芯片HIP去控制逆变桥。同时为了与电网保持同步，当电网电压过零时，重新产生PWM，这样就实现了保持与电网电压频率一致。控制电路结构框图如图2-4：控制电路结构框图。定时器中断查表改PWM占空比PWM引脚驱动电路逆变H桥置查表指针电压过零检测中断图2-4：控制电路结构框图2.4.1SPWM算法:规则采样法按照SPWM的基本原理，生成SPWM波形的方法有自然采样法、规则采样法等。综合考虑各个方面，本作品采用了规则采样法。规则采样法是利用高频率的方波（载波）去调制正弦波。规则采样法的公式为： ：脉冲宽度，：调制度：正弦信号波角频率（频率）2.4.2SPWM产生在有源逆变中，载波频率就是MOSFET的开关频率，并且载波频率很高，SPWM要求实时性很强，综合考虑单片机机各方面因数，本作品采用软件查表法改变PWM的占空比。软件查表法的基本原理是：将一标准PWM占空比数字化后写入单片机，根据电网电压的频率基本固定的特点，让单片机利用定时器定时读取一次事先设定PWM占空比，这样经过一个周期正好读取一个完整占空比，这样输出的PWM的占空比得到改变，形成SPWM。至于与电网电压同步是检测电网压过零，过零时给单片机发生外部中断信号，这个外部中断信号与电网电压同步，这样当外部中断信号输入单片机，单片机执行一次中断，中断程序进行一次参数复位，重新进行查表输出SPWM。2.4.3驱动电路设计MOSFET的驱动信号一般大于10V，单片机输出的SPWM不能直接去动MOSFET。同时MOSFET如同开关，因此不能使MOSFET同一侧的管子导通，导通会使电源两端短接，也叫直通现象，这样导致逆变失败，并且造成严重后果。因此在同一侧MOSFET要先关断一管子，然后在开同另一管子，即设置死区。本作品选用HIP4081作MOSFET的驱动芯片，在HIP4081中设置了死区。驱动电路如图2-5：MOSFET驱动电路。图2-5：MOSFET驱动电路创新设计：实现输出电压电流可调本作品的创新设计为能够实现电压电流都可以调节。目前大多产品采用模拟电路设计，不能实现电压电流可调。本作品采用数字设计，并且实现电压和电流都可调。本作品电压调节采用改变SPWM的调制比实现。电流可调是利用改变MOSFET的导通角实现。本作品的控制方式利用逆变桥将输入的直流电变成交流电，然后回馈到电网上去。该逆变的主要过程是通过控制逆变桥上的四个管子的通断情况，实现输出电压正负有周期的改变。四个MOSFET的通、断状态是利用SPWM来控制的。SPWM的产生是利用HT46R24单片机PWM功能来发生，利用定时器定时查表改变PWM的占空比来实现SPWM的产生。SPWM是通过单片机的PD0、PD1来输出，单片机输出的控制信号不能够直接驱动 MOS管的通断，因此这里我们采用HIP芯片来驱动MOS管实现逆变。为了与电网电压的波形达到同步，本作品用滞回比较器来对电网电压的过零点检测，当电网电压过零时，使查询PWM占空比的指针从新置初值，这样实现与电网电压保持同步，准确的将电能逆变回电网。3.测试方法3.1测试条件、测试环境直流电DC（大于16V）输入，灯泡以及数字存储示波器3.2单片机PWM输出端口测试应该先对单片机的PWM波形的输出端口PD0、PD1进行测试，看是否有PWM波形的产生，若是有高频率的PWM波形的产生，则说明单片机的能够正常地工作，且单片机PD1，PD1输出为SPWM。单片机PD0，PD1输出波形如图3-1：单片机PD1，PD1输出SPWM。CH0，CH1分别为PD0和PD1波形，其输出频率为50Hz。 图3-1：单片机PD1，PD1输出SPWM3.3作为UPS测试为了使我们的作品在没有电网供电的情况下，也能是交流的负载能够工作，所以首先将本作品作为UPS来对交流负载供电。1. 在MOSFET组成的逆变桥输出端在逆变器输入端接入DC24V，在变压器原边（变压器的电网端）接上负载（电灯作负载）。启动有源电子负载工作，在MOSFET组成的逆变桥输出端用示波器观察逆变输出端的电压波形，经测试输出波形为SPWM波形，与理论上的波形完全相符。其波形如图3-2。图3-2 逆变电路MOEFET输出的SPWM2.测试UPS输出端电压波形（变压器220V端）如图3-3.图3-3 UPS输出端电压波形3.4作为有源电子负载测试作为有源电子负载时，通过测量电感两端的波形来分析有源电子负载的波形是否满足我们的要求。在主电路中直流电输入侧有二极管，用它防止电网交流电经过MOSFET向直流电源充电，这也保证了只有直流电能经过逆变成为交流电回馈与电网，而不能将交流电向向直流电源供电。回馈电网电流波形如图3-4。图3-4 回馈电网电流参考文献1.王兆安,黄俊.电力电子技术.第四版.机械工业出版社,19952.易映萍,徐勇.单相正弦波逆变蓄电池并网放电装置的研制.湖南工程学院学报.20033.杨凡.一种基于80C196KC单片机的新型电子负载的设计.硕士学位论文.华中科技大学.2004