一种智能三相逆变系统的设计供电电缆

一种智能三相逆变系统的设计

一种智能三相逆变系统的设计 2012年10月10日 随着信息技术的飞速发展，现代化的设备对电源系统的质量提出了新的要求，促使了逆变电源的出现。逆变电源，即是把不符合设备要求或是不能很好的满足设备需要的原始电能转换为高质量的符合设备工作要求的电能，其核心技术部分为调制方式的选择以及后续滤波器及控制器的设计。本文根据实际设计了一台三相逆变电源。1 逆变电源控制策略 逆变电源的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能。稳态性能主要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力；动态性能主要是指输出电压的THD(Total HarmonicDistortion)和负载突变时的动态响应水平。而在实际应用中，THD是最重要的指标，一般要求电源在带阻性负载满载时THD小于2％，非线性满载的THD小于5％。实现这一要求的关键是逆变电源的控制技术。 在调试应用中，逆变电源系统的控制方法通常会有PID控制、滞环控制、电压电流双闭环控制、无差拍控制、滑模控制、模糊控制、神经网络控制等，本文采用烈环控制法。2 逆变电源系统硬件设计 整个系统的设计思想包括以下几点：(1)稳定性；(2)准确性；(3)网络性；(4)低成本；(5)扩展性。三相逆变电源系统的结构框图如图1所示，主要包括DSP控制扳、驱动级电路、三相逆变桥电路、输出滤波器、数据采集电路。DSP控制扳主要是产生调制信号，采集输出数据，通过RS485与上位机实现通信，以及预留CAN接口以备将来并联之用2．1处理器控制电路设计 逆变电源系统的设计当中，调制方式的选择是保证其输出电源质量的决定性因素。本文采用电压空间矢量调制技术(SVPWM)。SVPWM是从电机的角度出发，目的在于使交流电机产生圆形磁场，它以三相对称止弦波电源供电时交流电机产生的理想磁链圆为基准，通过选择逆变器的不同开关模式，使电机的实际磁链尽可能逼近理想磁链圆，从而产生SVPWM波。 本文选择TI公司公司推出的32位定点DSP芯片TMS320F2812作为主控芯片，用到了其中的一个事件管理器EVA，利用其自身个比较器PWM单元，产生6蹄互补SVPWM调制信号，输出到逆变桥驱动电路。利用其中的一个标准的UART(异步串行通信)SCl接口，连接到RS485接收器上，实现与上位机的通信；采用9通道的1 2位ADC，对逆变器输出的电流(3路)、逆变器输出滤波器电容电压(3路)及逆变器输出滤波器的电感上的电流(3路)进行数据的采集，以供给DSP输出SVPWM调制信号的调整及串口通信模块使用；看门狗定时器用于复位系统；增强型的CAN模块(eCAN)作为以后扩充电源容量预留。 在SVPWM具体的实现上，本文采用的是“七段法”来实现SVPWM的输出。2．2逆变电源驱动电路及输出电路设计 DSP产生六蹄对称的SVPWM，主要是用于控制功率开关管的导通和关断，而DSP管脚输出的控制信号高电平只有3．3V，因此需要在输出功率逆变桥前而加入驱动级电路。对应于前而的SVPWM信号的产生，逆变桥三桥臂的控制信号如图2所示。

逆变桥电路的设计主要是桥电路结构的选择，同时在选定结构后，结合实际的设计需要对开关功率管进行选择。本文选择的电路结构是三相四线式的逆变桥结构，由于这种桥电路不仪具有很好的不平衡负载能力，易于控制，同时功率元件少，更重要的是，它能够很好的为以后的并联供电提供支持。逆变桥中用到6个开关功率管，基于元件击穿电压值、开关频率、通过电流以及成本等方而的综合考虑，本文选择三菱公司的CT60AM一18F。在考虑了IOBT逆变桥驱动要求后，选用IR21 32作为驱动芯片。加上驱动级电路的逆变桥电路图如图3所示。

经计算后，电路图3中的Cl一C3选择为0．47心／40 V钽电容，Dl一D3选择为FR307快速四流二极管，滤波电感和电容参数分别为600μF和22μF 本设计还加入了逆变电源的隔离电路，因为逆变电源部分可分为强电及弱电两个部分，即控制部分为弱电侧，驱动电路、逆变桥电路及LC整流部分为强电侧。要使得弱电部分正常的输出驱动信号，必须在强电与弱电之间加入隔离电路，以防止控制电路部分器件损坏。2.3与数据采集相关的电路设计 本设计需要对输出滤波器的电容电压及滤波电感的电流进行采样，以作为反馈信号来控制调制信号的输出。由于DSP的AD转换电压为3．3V，而输出的电压为正弦波，有正有负，因此在采样后，要在电路中加入一个止的电压偏置，这样才能保证不损坏处理器。本文采样电路基准芯片采用TL431A，由它给出Vref_3V的偏置电压，电压检测调理电路如图4-a所示。逆变电源输出电感电流检测使用LEM公司的传感器，型号为LA58-P。由于本设计采用的DSP芯片的A／D采样是单极性的，因此在经过比例和滤波后，还要加一个直流偏置，偏置量为A／D转换参考电压的一半。为了防止采样电流超出A／D采样范围，在送入DSP前还需增加一级限幅电路。电流检测电路如图4-b所示。 所采集到的数据被送入到DSP中，并由DSP根据负载的变化实时的改变电压电流烈环控制的参数，调整输出的幅值系数，以使电源系统输出的电压符合设备的要求。 为了确保逆变电源系统能够稳定的运行，对于周围环境的温度及湿度的监测显得尤为重要。本设计用于采样的温湿度传感器为SHTl5，在每个逆变模块上均有一个芯片，而一个机房的温湿度值则是将机房内所有模块的监测温度进行均值处理后得出，在各个模块之间，采用了串行口通讯。此部分的数据被读取到DSP中，如果温度或湿度超过设定的值，则机组将发送两次数据到上位机后关闭输出，以保护元件。3 逆变电源系统的软件设计 本文设计的三相逆变电源主要包括如下功能：逆变器调制波产生，逆变模块工作环境状态监测，利用串口与上位机实现通信。硬件系统软件设计包含的子程序及其功能如表1所示。系统整体程序框架图如图5所示。

4 实验结果及分析

逆变电源输出电压波形的照片如图6所示，其中a图为空载时逆变器输出波形，b图为半载即输出电流为5 A时的逆变器输出波形，C图为满载即输出电流为10 A时的逆变器输出波形。各次谐波的百分比，电压畸变率(THD)通过MATLAB2010A仿真得到，分别为0.473％、0.469％和0.466％。

由上述的实验结果中可以看出，本文设计的三相逆变电源系统基本满足原先提出的设计指标。5 结束语 本设计主要是从三相电源的基本结构入手，选择合适的主控芯片，设计出以SVPWM调制方式实现的三相逆变电源，并利用瞬时值法中的电流内环电压外环反馈方式保证逆变电源输出的稳定，并用LC滤波器保证输出电源的质量。根据设计的参数，利用DSP开发板及手工焊接，做出单台的逆变电源并进行实验，实验结果基本达到预期目标。但是本设计并没有实现多机运行，因此也没有能实际测试多个逆变电源模块工作状况的实时反馈到上位机中。

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