刁子軒，張?zhí)m紅，陳永樓

(1.鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，鹽城 224051；2.江蘇友和機(jī)械動(dòng)力有限公司，鹽城 224001)

0 引 言

近些年隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，針對(duì)傳統(tǒng)汽油發(fā)電機(jī)損耗大、發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命短和所發(fā)電能品質(zhì)不高等問題，一種小型汽油發(fā)電機(jī)逆變電源應(yīng)運(yùn)而生[1]。此類逆變電源體積小、電壓輸出穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、通信設(shè)備等各類應(yīng)急場(chǎng)合。但目前的發(fā)電機(jī)逆變電源在工作狀態(tài)下存在發(fā)電機(jī)工作效率不高、負(fù)載調(diào)節(jié)特性較差等問題[2-4]。本文采用EG8060作為控制芯片,引入油門控制和相控整流驅(qū)動(dòng)的復(fù)合控制策略,讓逆變電源的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的波動(dòng)而實(shí)時(shí)變化。該設(shè)計(jì)有效地改善了逆變電源負(fù)載調(diào)節(jié)特性，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)的響應(yīng),擾動(dòng)小,抗干擾強(qiáng)，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。

1 逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

汽油發(fā)電機(jī)逆變電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，汽油發(fā)電機(jī)逆變電源主要由汽油機(jī)、無刷直流電機(jī)和控制器組成。其工作原理如下：首先由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒汽油進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生動(dòng)能，帶動(dòng)無刷直流發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，無刷電機(jī)發(fā)出380 V的三相交流電經(jīng)過三相半控整流電路后變?yōu)?00 V左右直流電壓，輸送給后級(jí)逆變電路和濾波電路，變換成220 V/50 Hz的交流電供負(fù)載使用。

此外，為了確保逆變電源的主電路正常工作，設(shè)置了相應(yīng)的EG8060控制系統(tǒng)來控制主電路中的各個(gè)環(huán)節(jié)，有油門控制電路、整流驅(qū)動(dòng)電路、同步信號(hào)采樣電路以及逆變驅(qū)動(dòng)電路等一系列組成。

EG8060控制系統(tǒng)將三相整流電路輸出的直流電壓信號(hào)作為反饋信號(hào),通過整流驅(qū)動(dòng)電路和前級(jí)油門控制器來保證整流輸出電壓穩(wěn)定。當(dāng)所帶負(fù)載的需求電壓發(fā)生改變時(shí)，首先是前級(jí)汽油機(jī)油門和整流環(huán)節(jié)系統(tǒng)協(xié)同工作進(jìn)行調(diào)節(jié)，它可以根據(jù)負(fù)載的需求功率配合調(diào)節(jié)輸出功率，使汽油發(fā)電機(jī)能夠在滿足輸出電壓實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的前提下，達(dá)到節(jié)能減排、快速響應(yīng)和穩(wěn)定輸出的目的。當(dāng)所帶負(fù)載發(fā)生改變時(shí)，首先由整流驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果當(dāng)整流控制環(huán)節(jié)無法保證整流輸出電壓穩(wěn)定，就可以通過前級(jí)的油門控制器來對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變直流輸出電壓。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 EG8060芯片

本文采用EG8060芯片作為控制器芯片，它是一種專用的SPWM產(chǎn)生芯片，該芯片可以實(shí)現(xiàn)交流-直流-交流的電能變換。該芯片內(nèi)部的工作部分為 SPWM 控制模塊、死區(qū)時(shí)間配置模塊、信號(hào)反饋電路、步進(jìn)電機(jī)控制模塊等功能。

2.2 整流環(huán)節(jié)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)

整流環(huán)節(jié)的任務(wù)是將無刷電機(jī)發(fā)出的三相交流電整流成穩(wěn)定的400 V直流電交給后級(jí)電路。這就需要整流電路快速反應(yīng)，調(diào)整輸出電壓波形，本文選用三相整流電路，同時(shí)結(jié)合EG8060控制器對(duì)整流環(huán)節(jié)設(shè)置驅(qū)動(dòng)控制電路，確保輸出電壓波形穩(wěn)定在400 V左右，滿足后級(jí)電路的需要。

2.2.1 整流電路原理分析

逆變電源整流環(huán)節(jié)選用三相半控整流電路，圖2是三相半控整流電路的輸出電壓波形圖，在不同的觸發(fā)角α下，三相半控整流電路的工作狀態(tài)也都不一樣，現(xiàn)在對(duì)控制角為α的整流電路進(jìn)行分析[5-6]。

由于電路中只有3個(gè)晶閘管，一個(gè)周期中控制電路向主電路發(fā)3次觸發(fā)脈沖，其間隔為2π/3。依次為π/3+α，π+α，5π/3+α。

①?gòu)摩?3到2π/3，a相電壓最高，觸發(fā)T1導(dǎo)通，b相電壓最低，則D6導(dǎo)通。

②從2π/3到π，a相電壓最高，T1依舊導(dǎo)通，c相電壓最低，則D2導(dǎo)通，D6關(guān)斷。

③從π到4π/3，b相電壓最高，觸發(fā)T3，則T3導(dǎo)通，T1關(guān)斷，c相電壓最低，則D2仍然導(dǎo)通。

④從4π/3到5π/3，b相電壓最高，T3導(dǎo)通，a相電壓最低，則D4導(dǎo)通，D2關(guān)斷。

⑤從5π/3到2π，c相電壓最高，T5導(dǎo)通，a相電壓最低，則D4導(dǎo)通。

此時(shí)的輸出電壓計(jì)算公式：

當(dāng)控制角α≤60°時(shí)，

(1)

當(dāng)控制角α>60°時(shí)，

1.17U(1+cosα)

(2)

式中：ω為角頻率；α表示整流電路的觸發(fā)角。

通過上述分析，三相半控整流電路通過改變觸發(fā)角α來穩(wěn)定輸出電壓的幅值，同時(shí)與前級(jí)的油門調(diào)節(jié)器協(xié)同工作來調(diào)節(jié)整流輸出電壓，確保整流電路穩(wěn)定輸出400 V左右直流電壓。

2.2.2 三相整流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本文對(duì)于主電路中的三相半控整流電路設(shè)置了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制電路，三相驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理是外圍同步電路檢測(cè)的同步方波信號(hào)通過EG8060內(nèi)部運(yùn)算來確定驅(qū)動(dòng)信號(hào)的觸發(fā)脈沖，將觸發(fā)脈沖通過光耦隔離器來輸送給三相整流電路。因此，整流驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)由同步信號(hào)采樣電路和晶閘管驅(qū)動(dòng)電路組成[7-9]。

1)同步信號(hào)電路設(shè)計(jì)

同步電路的作用是讓驅(qū)動(dòng)電路可以在控制電壓不變的情況下，在每個(gè)周期的同一時(shí)刻給定觸發(fā)角，使得對(duì)應(yīng)相的晶閘管導(dǎo)通，讓整流電路正常工作，而且觸發(fā)脈沖與主電路中電機(jī)所發(fā)的三相電壓保持著恒定的相位關(guān)系。

同步電路如圖4所示。同步信號(hào)采用無刷直流電機(jī)的輔助繞組電壓作為基準(zhǔn)信號(hào)，其中輔助繞組是按照三相主繞組中的A相的下線方式布置的一套繞組，因此輔助繞組電壓跟主輸出電壓頻率一致,相位差恒定。輔助繞組電壓通過PC817的光電耦合器使電壓過零檢測(cè)后可以輸出一個(gè)方波信號(hào)，這個(gè)方波就可以作為觸發(fā)脈沖的同步基準(zhǔn)信號(hào)，輸送到EG8060的23腳(M_SPD)進(jìn)行數(shù)字處理，得到對(duì)應(yīng)的同步脈沖信號(hào)。

EG8060控制芯片的23號(hào)引腳(M_SPD)對(duì)同步信號(hào)的下降沿進(jìn)行捕獲，然后輸送給內(nèi)部的數(shù)字控制器。同步信號(hào)輸出波形如圖5所示。數(shù)字控制器計(jì)算前后兩次采樣的差值,設(shè)前一個(gè)同步信號(hào)到達(dá)數(shù)字控制器的計(jì)數(shù)值為t1，當(dāng)前同步信號(hào)到達(dá)數(shù)字控制器時(shí)計(jì)數(shù)值為t2，則交流電壓周期T=t2-t1。

對(duì)于三相對(duì)稱的交流電壓,ABC三相的每一相觸發(fā)脈沖都比前一相滯后1/3個(gè)周期，我們只要得到A相的觸發(fā)脈沖時(shí)刻，就可以確定其余兩相的觸發(fā)脈沖。在前級(jí)電機(jī)發(fā)出的三相電壓的自然換相點(diǎn)時(shí)刻，EG8060內(nèi)部的數(shù)字控制器開始工作，發(fā)出三相晶閘管觸發(fā)脈沖，這樣就讓三相整流電路和前級(jí)三相電壓的頻率保持一致，實(shí)現(xiàn)同步功能。

2)晶閘管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

晶閘管驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。當(dāng)EG8060芯片在13號(hào)引腳(SCR_SW)發(fā)出高電平脈沖信號(hào)，經(jīng)過光耦隔離器PC817導(dǎo)通后輸送給CJ431電路后，將脈沖信號(hào)輸送給三相驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)算放大得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制晶閘管導(dǎo)通。其中，穩(wěn)壓二極管Q4的輸出電壓的計(jì)算公式：

(3)

Q4的參考段電壓Vref為2.5 V,因此Q4的恒壓電路輸出電壓為5 V,但由于此時(shí)接地參考端為400 V，所以輸出端V0為405 V電壓。同時(shí)405 V作為右側(cè)Q8的穩(wěn)壓二級(jí)管組成恒流電路的輸入端，這樣保證三相驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定工作。

驅(qū)動(dòng)電路的工作原理實(shí)際上是通過驅(qū)動(dòng)電路左側(cè)外接的三相電壓來對(duì)電路中6個(gè)三極管進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷的控制，這樣就可以讓驅(qū)動(dòng)信號(hào)分時(shí)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了三相電壓與觸發(fā)信號(hào)同步的功能。

以圖6左側(cè)的三相驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出A相驅(qū)動(dòng)信號(hào)(TrigA)為例，當(dāng)一個(gè)周期內(nèi)A相的觸發(fā)脈沖通過13號(hào)引腳(SCR_SW)發(fā)送到驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的6個(gè)三極管的工作狀態(tài)如表1所示。

此時(shí)A相的三極管Q5發(fā)射極電壓UE為412 V，基極電壓UB為400 V，根據(jù)PNP型三極管的UE>UB>UC的導(dǎo)通原則來判斷,三極管Q5導(dǎo)通，則可以發(fā)出A相的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)(TrigA)控制晶閘管導(dǎo)通。

2.3 逆變環(huán)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

逆變環(huán)節(jié)是將前級(jí)400 V直流電通過逆變電路得到穩(wěn)定的220 V/50 Hz正弦波電壓。本文采用全橋逆變電路,需要 4 個(gè)開關(guān)器件，需要 4 路控制信號(hào)，開關(guān)器件承受的電壓為Ud，電流降低一半，工作電壓也在器件的承受范圍內(nèi)，可以達(dá)到較好的工作效果。

逆變電路采用SPWM的調(diào)制方式，通過EG8060內(nèi)部的SPWM控制模塊實(shí)時(shí)調(diào)整占空比，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。EG8060芯片可以通過芯片內(nèi)部的SPWM控制模塊輸出4路的SPWM信號(hào)，通過2個(gè)600 V高壓驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行邏輯運(yùn)算，最終變換成4路對(duì)應(yīng)的SPWM脈沖，輸出給主逆變電路的4個(gè)MOS管的門極，這樣就可以控制逆變電路的工作狀態(tài),輸出220 V的單相交流電。

表1 三極管工作狀態(tài)

2.4 油門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用EG8060控制芯片，它根據(jù)采集的逆變輸出電壓信號(hào)設(shè)置油門控制器來調(diào)節(jié)前級(jí)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變電機(jī)的輸入電壓，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。本文的油門控制器主要由3個(gè)模塊組成：轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、數(shù)字PID 控制模塊和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出電路[10-11]。

油門控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。將采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞到EG8060芯片的數(shù)字控制器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)就可以得到對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)調(diào)整信號(hào)，該信號(hào)通過電機(jī)控制芯片輸送給步進(jìn)電機(jī)來調(diào)整油門開合度。這樣就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的改變而改變，達(dá)到實(shí)時(shí)滿足負(fù)載的功率需求，同時(shí)盡可能節(jié)能減排。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。EG8060控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要由EG8060芯片的Stepper_EN,Stepper_OUT1，Stepper_OUT2 這3個(gè)引腳來傳遞指令給LV8549芯片，通過該芯片對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。其中Stepper_EN 是控制步進(jìn)電機(jī)的開啟和關(guān)閉，Stepper_OUT1 和 Stepper_OUT2 組合輸出實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

3 仿真結(jié)果及分析

使用MATLAB軟件對(duì)便攜式移動(dòng)電源主電路進(jìn)行仿真，分別有電機(jī)、三相半控整流電路和逆變電路等模塊。對(duì)主電路進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置和波形采集，參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

對(duì)采集的波形進(jìn)行分析。首先，對(duì)于仿真中的電機(jī)設(shè)置了振輻和頻率，分別為400 V和50 Hz，可以輸出380 V的三相交流電，如圖9所示，輸送給三相半控整流電路。

之后三相交流電輸送給整流電路，仿真選用的三相半控整流電路,確保穩(wěn)定輸出400 V左右的直流電壓，符合后級(jí)負(fù)載的要求。如圖10所示。

逆變電路仿真采用了全橋逆變電路，同時(shí)讓逆變部分的SPWM觸發(fā)器給開關(guān)管觸發(fā)信號(hào)，將整流電路輸送的400 V的直流電逆變，最后通過濾波電路得到了220 V左右的單相交流電。輸出電壓波形如圖11所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為論證本文的可行性，測(cè)試汽油發(fā)電機(jī)逆變電源的性能，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文采用江蘇友和動(dòng)力機(jī)械有限公司提供的3 kW汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和無刷直流電機(jī)組成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示。

對(duì)于整流電路的驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)行測(cè)量，可以驗(yàn)證整流驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)中晶閘管的觸發(fā)時(shí)間與電機(jī)的自然換相時(shí)序是否同步。將示波器接在三相半控整流電路的晶閘管，開始實(shí)驗(yàn)就可以得到驅(qū)動(dòng)脈沖，三相半控整流橋的驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)如圖13所示。

在空載情況下用示波器對(duì)逆變輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得電壓波形如圖14所示，輸出交流電壓幅值為220 V左右波動(dòng)，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種汽油發(fā)電機(jī)逆變電源及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了可以輸出恒壓恒頻交流電的汽油發(fā)電機(jī)逆變電源。重點(diǎn)分析了逆變電源的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，以數(shù)字芯片 EG8060為核心，設(shè)計(jì)出了適用于汽油發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了其軟硬件設(shè)計(jì)。并針對(duì)逆變電源中特有的油門控制器也做了詳細(xì)分析，達(dá)到了較好的效果。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，分別進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都驗(yàn)證了本方案是可行的。