戶用逆變電源系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

1、歡迎訪問Freekaoyan論文站戶用逆變電源系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)歡迎訪問Freekaoyan論文站歡迎訪問Freekaoyan論文站摘要：分析、設(shè)計(jì)了一種以Intel80C196MC微處理器為控制核心的風(fēng)能、光能互補(bǔ)應(yīng)用的戶用逆變電源系統(tǒng)。系統(tǒng)利用太陽(yáng)能和風(fēng)能對(duì)蓄電池充電，逆變器采用電流和電壓雙閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，有效抑制了系統(tǒng)的超調(diào)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)輸出無(wú)靜差。關(guān)鍵詞：戶用電源系統(tǒng)；微控制器；雙閉環(huán)調(diào)節(jié)方式木梁圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1引言我國(guó)西北地區(qū)國(guó)土面積遼闊，太陽(yáng)能和風(fēng)能資源非常豐富，其中太陽(yáng)能年均輻射強(qiáng)度為60008400MJ/m2，年均太陽(yáng)能光照時(shí)間為30003200h；風(fēng)力平均

2、為56級(jí)。西北邊遠(yuǎn)地區(qū) target=_blank class=infotextkey經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)，且住戶非常分散，若為這些用戶提供市電，則成本太高，因而，如何合理利用現(xiàn)有的資源太陽(yáng)能和風(fēng)能就成為解決這些問題的有效途徑。2風(fēng)、光互補(bǔ)型戶用電源系統(tǒng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)既可以利用太陽(yáng)能和風(fēng)能對(duì)蓄電池充電，將自然能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)藏在蓄電池中，然后再將化學(xué)能逆變成220V交流電供給用戶使用；又可以直接將太陽(yáng)能和風(fēng)能逆變?yōu)?20V交流電供給用戶使用。3系統(tǒng)的硬件電路本系統(tǒng)的硬件電路主要包括主電路、隔離與驅(qū)動(dòng)電路和控制電路等。 31主電路主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知主電路主要包括蓄電池

3、的過充保護(hù)電路和逆變電路。圖中uFP表示經(jīng)過整流后的風(fēng)機(jī)輸出電壓，uSP表示太陽(yáng)電池輸出電壓，K為電磁繼電器，GB為額定電壓24V的蓄電池組。311過充保護(hù)電路的工作原理當(dāng)蓄電池的電壓過高時(shí)，A點(diǎn)電壓就會(huì)大于TL431的基準(zhǔn)電壓值Uref（=2.5V）從而使TL431導(dǎo)通，B點(diǎn)被鉗為低電平，V1截止，C點(diǎn)為高電平，V3導(dǎo)通，V2截止，D點(diǎn)為高電平，此時(shí)VT14和VT15均導(dǎo)通，繼電器K動(dòng)作。根據(jù)太陽(yáng)能電池和風(fēng)機(jī)的特性，太陽(yáng)能電池的輸出電壓被直接短路，風(fēng)機(jī)的輸出電壓通過圖2主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3柵極隔離驅(qū)動(dòng)芯片TLP250大功率卸載電阻R9卸放掉；相反，當(dāng)蓄電池的電壓過低時(shí)，VT14和VT15均截止

4、，太陽(yáng)能電池和風(fēng)機(jī)的輸出電壓就對(duì)蓄電池充電。312逆變電路采用單相全橋逆變電路，用功率MOSFET作為逆變電路的開關(guān)器件。功率MOSFET是一種多子導(dǎo)電的單極性電壓控制型器件，具有開關(guān)動(dòng)作快、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、無(wú)二次擊穿、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、安全工作區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)，特別是由于具有正溫度系數(shù)，可以自動(dòng)均衡電流，所以在輸入電壓低、工作電流大的逆變電源系統(tǒng)中可以將幾只功率MOSFET并聯(lián)以提高電流容量。在本系統(tǒng)中，將三只功率MOSFET并聯(lián)，使電流容量增大到三倍。逆變器將整流后的直流電壓轉(zhuǎn)換成特定頻率的SPWM波，再經(jīng)過電感和電容濾波將其轉(zhuǎn)換為220V的標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓，其中電感用變壓器次級(jí)的漏感代替，采

5、用這種方式使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪音低，并且能有效地抑制波形中的高次諧波成分。SPWM控制方式預(yù)先將0360的正弦值制成表格存于EPROM中。由于開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)是利用正弦波參考信號(hào)與一個(gè)三角載波信號(hào)互相比較而生成的，常分為單極性和雙極性兩種情況。在開關(guān)頻率相同的情況下，由于雙極性SPWM控制產(chǎn)生的正弦波，其諧波含量和開關(guān)損耗均大于單極性，故本系統(tǒng)采用的是單極性SPWM控制。32系統(tǒng)的隔離和驅(qū)動(dòng)模塊隔離和驅(qū)動(dòng)電路是將Intel80C196MC芯片輸出的SPWM信號(hào)加以隔離、放大，形成驅(qū)動(dòng)各功率器件開關(guān)動(dòng)作信號(hào)的電路。本系統(tǒng)采用東芝公司生產(chǎn)的專用于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET和IGBT的柵極隔離驅(qū)動(dòng)芯片TLP25

6、0，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。它是一光電耦合器件，但又不同于普通的光耦，由于其輸出級(jí)是經(jīng)推挽電路放大輸出的，所以它不但能使原副邊隔離，而且具有驅(qū)動(dòng)能力，特別適合于驅(qū)動(dòng)中等功率的MOSFET和IGBT。同時(shí)，在工程應(yīng)用中為了從硬件上可靠防止同一橋臂上的兩個(gè)功率器件上下直通，故將驅(qū)動(dòng)同一橋臂功率器件的兩個(gè)TLP250的腳2和腳3互相對(duì)接，形成互鎖電路，從而有效地防止了橋臂功率器件的直通故障。具體電路見圖4。33控制電路及控制芯片控制電路主要通過對(duì)直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓等信號(hào)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過壓、欠壓、過流、過放電、過熱和反時(shí)限等保護(hù)功能。控制芯()太陽(yáng)能應(yīng)用圖5主程序框圖圖4互鎖電路

7、片采用Intel80C196MC微處理器。Intel80C196MC是Intel公司于1992年推出的真正的16位單片機(jī)，由于此片內(nèi)集成了一個(gè)頗具特色的波形發(fā)生器（WG）單元，從而大大簡(jiǎn)化了用于產(chǎn)生SPWM波形的軟件和外部硬件電路。波形發(fā)生器有3個(gè)獨(dú)立的模塊，每個(gè)模塊均包含一個(gè)數(shù)值比較器、比較寄存器、比較緩沖器、無(wú)信號(hào)時(shí)間發(fā)生器和一對(duì)可編程輸出驅(qū)動(dòng)通道。三相波形有共同的載波頻率和共同的死區(qū)時(shí)間，可編程為三角波調(diào)制方式或鋸齒波調(diào)制方式，一旦啟動(dòng)后只要求在改變PWM占空比時(shí)加以干預(yù)，其余時(shí)間均不占用CPU。波形發(fā)生器由時(shí)基發(fā)生器、相驅(qū)動(dòng)通道和控制保護(hù)電路組成。時(shí)基發(fā)生器為PWM波形建立載波周期。8

8、0C196MC通過從重裝載寄存器（WGRELOAD）中讀入數(shù)據(jù)來(lái)確定載波周期的長(zhǎng)短，因此用戶可以通過在程序中改變重裝載寄存器的值來(lái)改變載波周期值。相驅(qū)動(dòng)通道確定PWM波形的占空比。每相驅(qū)動(dòng)通道都有各自的相比較緩沖寄存器（WGCOMPX），一般情況下，PWM波形的占空比由工作方式、重裝載寄存器和相比較緩沖寄存器這三個(gè)方面來(lái)決定?？刂齐娐钒刂萍拇嫫鳎╓GCONTROL）和輸出寄存器（WGOUT）。同時(shí)，CPU內(nèi)部還有一個(gè)保護(hù)電路用于監(jiān)測(cè)EXTINT輸入端，以便對(duì)異常情況進(jìn)行處理。另外，無(wú)信號(hào)時(shí)間發(fā)生器電路是波形發(fā)生器的一個(gè)非常重要的功能，可以用來(lái)防止一對(duì)互補(bǔ)的PWM信號(hào)同時(shí)有效，從而避免了同一

9、橋臂的上下兩只功率管直通；同時(shí)，用戶可以通過軟件向WGCON寄存器的低10位裝入一個(gè)數(shù)來(lái)任意設(shè)置無(wú)信號(hào)時(shí)間。4系統(tǒng)控制原理系統(tǒng)控制方式采用電流反饋、電壓前饋和電壓反饋相結(jié)合的復(fù)合控制方式，電流反饋、電壓反饋采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出無(wú)靜差；PI控制是將采樣時(shí)刻偏差的比例（P）、積分（I）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，PI控制器的傳遞函數(shù)為：G(s)=Kp式中：Kp比例系數(shù)；TI積分時(shí)間常數(shù)。電流反饋在WG中斷時(shí)完成，由于電流調(diào)節(jié)時(shí)間極短，所以大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度并有效抑制了系統(tǒng)的超調(diào)。其中電流調(diào)節(jié)時(shí)間t大約如下：t=(20/196)58ms4ms由此可見，系

10、統(tǒng)輸出電壓在不到1/4基波周期內(nèi)就可以恢復(fù)正常。5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件部分主要包括主程序、WG中斷程序、PI調(diào)節(jié)子程序等。主程序的任務(wù)主要是初始化、故障判斷、運(yùn)行信號(hào)判斷及等待中斷等，主程序框圖如圖5所示。6結(jié)語(yǔ)根據(jù)上述控制思想設(shè)計(jì)的1kW樣機(jī)，經(jīng)過檢驗(yàn)，整機(jī)效率85，輸出電壓為220（14）V，輸出電壓頻率為50（10.5）Hz，并且系統(tǒng)具有過壓、欠壓、過熱、過流、短路和反時(shí)限圖5TL494的外圍電路木梁輸出調(diào)制脈沖的寬度是由電容Ct端的正向鋸齒波和腳3、4輸入的兩個(gè)控制信號(hào)綜合比較后確定的。腳13用來(lái)控制輸出模式。腳4為死區(qū)時(shí)間控制端。腳1、腳16和腳2、腳15分別為兩個(gè)誤差放大器的同相和

11、非同相輸入端，可以分別接至給定信號(hào)和反饋信號(hào)，用作電壓和電流調(diào)節(jié)器，完成系統(tǒng)的閉環(huán)控制，或者用作過流、過壓、欠壓和過熱等比較器，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。腳14為基準(zhǔn)電壓端，可為上述調(diào)節(jié)器和比較器提供參考基準(zhǔn)。52TL494的外圍電路組成TL494的外圍電路組成如圖5所示。6結(jié)語(yǔ)根據(jù)上述控制思想研制的充電器，具有過充、過流、過熱等完善的保護(hù)功能；經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行，系統(tǒng)顯示出了良好的效果，不僅提高了太陽(yáng)電池的工作效率，同時(shí)也保護(hù)了所使用的蓄電池，在利用綠色能源方面，具有較大的社會(huì)效益。 參考文獻(xiàn)1京特,萊納著.余世杰,何慧若譯.太陽(yáng)能的光伏利用M.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，1991.2譚建成.電機(jī)控制專用集成電路M.機(jī)械工業(yè)出版社，1998.3張占松,蔡宣三.出版社，1998.作者簡(jiǎn)介劉翔（1967），男，碩士，合肥工業(yè)大學(xué)工程師。鄭詩(shī)程（1972），男，合肥工業(yè)大學(xué)能