董嘉雪 辛平 程明
摘? ?要:電源正朝著高效率,高穩(wěn)定度,高功率密度,低污染,模塊化發(fā)展。為了滿足輸出電壓和頻率可變的逆變電源的基本指標(biāo),調(diào)制方式上各種新穎的調(diào)制技術(shù)不斷涌現(xiàn),控制上各種適合于不同要求的逆變器的控制方案被提了出來(lái)。本設(shè)計(jì)是基于SPWM逆變技術(shù),將由單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM波輸出作為絕緣柵雙極晶閘管的驅(qū)動(dòng)信號(hào),最后通過(guò)低通濾波,從而在輸出端得到一個(gè)無(wú)失真的正弦信號(hào)波形。本文設(shè)計(jì)了一種交流電力頻率轉(zhuǎn)換器(AFC),提高交直流轉(zhuǎn)換器與無(wú)功功率控制,其超前相位補(bǔ)償原理是導(dǎo)致減少當(dāng)前控制回路的給定線頻率帶寬的要求。由于這些特性,可使用相對(duì)減緩轉(zhuǎn)換功率等設(shè)備,因此它可以用于高電平交流線頻率。
關(guān)鍵詞:變頻電源? IGBT? SPWM調(diào)制? 單片機(jī)
中圖分類(lèi)號(hào):TM91? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào):1674-098X(2019)05(b)-0058-02
國(guó)內(nèi)的變頻電源有程控型和模擬型,二者均采取SPWM技術(shù),SPWM電路均是在一定條件下選取硬件實(shí)現(xiàn)及全控橋逆變電路搭建而成;而異同點(diǎn)是程控型實(shí)則是模、數(shù)混合系統(tǒng)人機(jī)對(duì)話,此混合模式能更加利于把數(shù)據(jù)傳送與上位機(jī)微機(jī),但當(dāng)編寫(xiě)程序不當(dāng),或不合理的工藝布局,都相對(duì)其他易于產(chǎn)生機(jī)體死機(jī)并復(fù)位現(xiàn)象。而模擬型則全是由硬件匹配實(shí)現(xiàn)的,是由控制以及調(diào)制電壓,頻率的旋鈕設(shè)置產(chǎn)生。從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)來(lái)看除了上述兩種外,還有一種是在一定條件下選取線性放大技術(shù),并且此類(lèi)電源市場(chǎng)占有率相比較而言較小,且功率只能輸出為幾千瓦。隨著世界新興技術(shù)迅速的發(fā)展,電源技術(shù)等很多學(xué)科領(lǐng)域都緊密相連。在現(xiàn)代通信,電子儀器,計(jì)算機(jī),工業(yè)自動(dòng)化,電力工程,國(guó)防以及某些的高新技術(shù)中發(fā)揮著相對(duì)于而言更加重要的作用?,F(xiàn)如今大多數(shù)的高新技術(shù)同電源的電壓,電流,頻率,相角以等參數(shù)控制及變換緊密相連,由此電源技術(shù)的實(shí)現(xiàn),對(duì)于控制以及高效率的處理形式的參數(shù)來(lái)說(shuō)更加精確,特別是在電能頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程中實(shí)現(xiàn)大功率,故為多項(xiàng)的創(chuàng)新型技術(shù)提供更為廣闊的前景。
1? 系統(tǒng)組成及單元電路設(shè)計(jì)
變頻器電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖,如圖1所示。主電路通入20V的電源,絕緣柵雙極晶閘管驅(qū)動(dòng)電路通入15V電源,此時(shí)PWM發(fā)生器接入9V電源后,輸出的電壓途經(jīng)低通濾波,由直流母線側(cè)能得到相對(duì)穩(wěn)定的直流電壓值。再由PWM發(fā)生電路中,通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)電阻器,使其電壓可調(diào),通過(guò)調(diào)節(jié)步長(zhǎng)的增量,可調(diào)節(jié)頻率的大小后,輸出的直流電壓,途經(jīng)直交流的逆變后,再由絕緣柵雙極晶閘管的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路所送出的信號(hào)輸出,在途經(jīng)一級(jí)小容量相對(duì)較小的濾波網(wǎng)絡(luò)后,即可在輸出端用示波器測(cè)得,相對(duì)而言理想的正弦波。且在電壓采集的數(shù)碼管中,輸出電壓值。
在PWM發(fā)生電路中以MCS51單片機(jī)為主體的逆變電路,途經(jīng)絕緣柵雙極晶閘管所獲取的驅(qū)動(dòng)信號(hào),以及直流母線側(cè)的電壓采樣采用STC2052AD單片機(jī)編程,同一時(shí)間加以監(jiān)測(cè)并顯示直流母線側(cè)電壓值,使整個(gè)系統(tǒng)更加方便用戶的操作。
1.1 驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)由15V的電源控制供電的電路,驅(qū)動(dòng)的信號(hào)SPWM正弦波由(2)輸入。將單片機(jī)的輸出脈沖功率放大以此為驅(qū)動(dòng)電路的作用,以驅(qū)使絕緣柵雙極晶閘管,保證絕緣柵雙極晶閘管穩(wěn)定工作。絕緣柵雙極晶閘管的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路,如圖2所示。
1.2 STC89C51單片機(jī)軟件流程
SPWM的產(chǎn)生是用 STC89C51單片機(jī)編程之后途經(jīng)DAC0832D/A轉(zhuǎn)換集成芯片,Im358放大電路以及穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn),根據(jù)SPWM每等份面積不同,在重新加載時(shí)給與不同的定時(shí)時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)按正弦規(guī)律變化的SPWM輸出再由DAC0832模數(shù)轉(zhuǎn)化,途經(jīng)Im358放大電路,穩(wěn)壓電源之后輸出SPWM波。軟件流程圖,如圖3所示。
2? 測(cè)試結(jié)果
本設(shè)計(jì)是基于基于絕緣柵雙極晶閘管的變頻電源,其以PWM脈沖發(fā)生裝置及絕緣柵雙極晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路為主要設(shè)計(jì)部分。因?yàn)樵跍y(cè)試時(shí)還需要15V直流電源、20V直流電源、信號(hào)接地以及電源接地。當(dāng)波形發(fā)生器的頻率分別為1k,100k時(shí),經(jīng)低通濾波器,驅(qū)動(dòng)電路放大,以及電壓采集信號(hào)后所獲取得到的方波波形。其中,1k頻率下的輸出波形,如圖4所示。100k頻率下的正弦波輸出波形,如圖5所示。
脈沖發(fā)生裝置產(chǎn)生的脈沖為矩形波,并且占空比可調(diào),符合預(yù)期的要求。對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試可以看出整個(gè)過(guò)程中絕緣柵雙極晶閘管的工作正常,并且脈沖信號(hào)可以控制絕緣柵雙極晶閘管的關(guān)斷。進(jìn)一步說(shuō)明了本設(shè)計(jì)的成功性。
3? 結(jié)語(yǔ)
本文綜合了電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)微機(jī)控制技術(shù)等多項(xiàng)基礎(chǔ)理論技術(shù),設(shè)計(jì)了一款能利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的占空比可調(diào)的智能控制開(kāi)關(guān)電源。通過(guò)鍵盤(pán)預(yù)置電壓控制單片機(jī),進(jìn)行脈寬調(diào)制,使輸出電壓在大范圍內(nèi)可調(diào)。與傳統(tǒng)線性電源相比,這種電源的效率更高,同時(shí)電源的體積和重量也減小了很多。由于電源中有智能控制元件應(yīng)用,不僅提高了系統(tǒng)的可靠性,還使電源有更好的操作性,并且更容易升級(jí)。
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