基于SA的三相组合式逆变器设计

基于SA4828的三相组合式逆变器设计2011-11-2323:30:44作者：空军雷达学院刘茂荣来源:互联网关键字：SA4828三相组合式逆变器1引言电源设备是一种量大面广、通用性很强的电子产品。几乎在现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防等部门都要使用电源，在其它各个行业及日常生活中，电源也得到了广泛应用。随着科学技术的发展，对电源设备也提出了更高的要求。为了满足众多的用户，电源的规格品种是越来越多，由于电源的应用对象具有多样性、新颖性和复杂性，所以电源设备不仅要做到高质量、高效率、高可靠性，而且要有适应其各式各样负载的输出特征。三相输出的逆变电源，在集中供电等多数情况下，都会面临三相负载不平衡问题，严重的是负载100％不平衡。即使电源在安装使用之初，尽量分配三相负载达到平衡，可在用电过程中却无法保证三相负载同时开、关机，加上逆变器内阻比起发电机的内阻要大得多，因而引起的各种影响不得忽视。为了取得标准一致便于分析，将三相负载100％不平衡，定义为两种情况，第一种情况为其中一相满载，另外两相空载；第二种情况为两相满载，另一相空载。我们大致统计一下负载不平衡对输出电压的影响，如表1所示。表1负载不平衡对输出电压的影响三相负载不平衡度0％～20％21％～35％36％～50％51％～100％三相电压不平衡度2％5％10％≥10％一般三相逆变电源，输出电压的不平衡度指标为2％。从表1可看出，当负载不平衡度20％时，电压不平衡度已经超标。三相负载100％不平衡时，引起逆变器的输出有的相电压升高，有的相电压降低，使逆变器无法正常工作，甚至造成负载损坏。于是解决三相逆变电源，在负载100％不平衡时，能正常工作刻不容缓。然而，单纯要求用户在使用过程中，保持三相负载平衡，显然不现实，只有在逆变电源本身寻找切实可行的解决办法。目前解决负载100％不平衡，采用的办法有两种，一是将输出变压器，三相绕组重新分配后再串联起来。这种方法虽然简单，部分解决了负载不平衡，但没有彻底解决负载100％不平衡的情况，同时电压的稳定度不高。二是将逆变部分，分为三个独立的桥式逆变器，然后按相位差120°、240°的相序，组合为一个三相输出的逆变电源。这种系统彻底解决了负载100％不平衡的问题，结构关系非常明确，保证了三相输出电压平衡，电压稳定度高。但电路较复杂，器件增多，成本提高。在产品设计之初，必须考虑产品最终的各项技术指标及性能，然后决定系统的工作模式与控制方式。综合以上两种方案，我们在研制新产品过程中，为了达到较好的输出电压稳定度和平衡度，采取了第二种方案。在系统设计中优化电路，减少器件，降低成本。特别是采用MITEL公司的SA4828与单片机，简化控制电路取得较明显效果。图1系统原理框图图2SA4828管脚图2系统构成主电路主要由AC/DC整流滤波、DC/AC三个独立的单相桥式逆变器、输出滤波三大部分所构成。原理框图如图1所示。输入三相380V、50Hz交流电压，经EMI抑制、整流、滤波后的直流高压，供给三个单相半桥逆变器。三个逆变器分别在控制电路相位差120℃、240℃的驱动信号作用下，输出SPWM波形。最后经三个独立的变压器及滤波电路，组合成所需要的三相输出电压。其中逆变器开关管，采用了IPM智能模块，由于开关管两端通、断峰值电压很小，所以不需再加特殊的吸收电路。输出变压器采用了集成电感技术，使变压、滤波一体化，降低了噪声,提高了效率，增加了可靠性。电路简单明了，无论负载如何不平衡，都不会使三相输出电压的不平衡度超标。3控制方案本系统采用三相高精度PWM波产生器SA4828与单片机为主，构成控制电路。SA4828是MITEL公司继SA828、SA838PWM波产生器系列之后，推出的新一代性能更优、功能更强的大规模集成电路。它与微处理器连接，完成了所有外围的检测、控制和保护等功能，使系统智能化。3．1SA4828简介（1）SA4828主要特点①灵活的控制功能SA4828能选择三种不同的输出波形，并且能通过软件决定三相输出波形的幅值，是统一控制，还是三相分别独立控制。这一功能扩大了用户的使用范围，尤其在需要解决逆变器负载100％不平衡的问题时，显得非常重要。②更高的频率精度调制波频率采用的是十六位，增加了频率的分辩率，提高了逆变器输出频率的精度。③可靠性高SA4828新增加了“看门狗”电路，进行监控，程序运行安全可靠。SA4828还采用了谐波抑制技术，降低了开关管的损耗。（2）管脚说明SA4828为标准28脚双列直插式封装，如图2所示。主要管脚分类说明如下：①驱动信号及检测RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB为三相可独立控制的TTL驱动信号，第一个字母表示红、黄、蓝三相，分别相差120°、240°，后面的字母“T”为上开关管驱动信号，“B”为下开关管驱动信号。图3SA4828原理框图表2寄存单元地址及说明AD3AD2AD1AD0寄存器备注0000R0八位寄存器组0001R10010R20011R30100R40101R51110R6传输初始化命令1111R7传输控制命令TRIP为状态输出指示。SETTRIP、RST为关断信号输入端和复位端。②标准总线与控制模式AD7～AD0为地址与数据复用总线。WR、RD、ALE为英特尔控制模式。③电源和时钟VDD、VSS分别为＋5V电源、接地端。CLK为时钟输入端。如果对照SA8282，可以看出SA4828在英特尔等模式下，只要将RS、MUX端接为高电平，SA4828就可以完全取代SA8282。但三相输出波形的幅值，却可分别灵活的控制。（3）SA4828工作原理SA4828原理框图如图3所示。主要工作原理大部分与SA8282类似，具体可见参考文献2。现将SA4828特殊的原理解释如下：①三种不同波形的选择主要是通过传输给初始化寄存器和控制寄存器的命令，来设置三相波形ROM。它分别为正弦、增强、高效三种波形，使之能应用于各种特殊的场合。②“看门狗”电路SA4828在接收单片机发出的命令时，一旦出现问题，总线控制会发出复位“看门狗”信号，使“看门狗”延时关断输出驱动信号。③八个寄存器单元为了提高频率精度，以及能独立控制三相波形幅值，SA4828增设了八个寄存器单元。地址及说明见表2。在传输初始化命令时，其中写入R4、R5寄存器，为“看门狗”的延时控制字。当传输控制命令时，写入R0、R1为十六位频率控制字，写入R3、R4、R5分别为三相输出波形幅值控制字。上述设置和调整，均通过地址/数据总线、寄存器单元，存入初始化寄存器和控制寄存器来完成。3．2SA4828用于本系统控制单片机最小系统及少量的外围扩展芯片，与SA4828构成的本系统控制电路如图4所示。单片机首先对SA4828初始化，预置输出波形、幅值、频率等。数模转换电路分别将输出三相电压、电流，和电压、频率的给定信号，输入单片机，由单片机进行开环、闭环控制算法运算。单片机数据处理后，经SA4828调整输出电压、频率，及进行过流延时保护等。快速关断是发现直流电流检测信号（DCCT）和IPM模块有直通或短路现象时，立即关断SA4828输出驱动信号。3．3程序流程程序设计中，在完成其控制功能外，还应力求程序的合理与简化，它决定控制系统的稳定性和可靠性。图5为控制程序的流程框图。主程序中，SA4828初始化命令和控制命令的参数计算及设置，可见参考文献1，本文不再叙述。图4控制电路框图图5控制程序流程框图4试验结果和结语三相组合式逆变电源经使用、测试，达到以下技术指标：输入电压：380V±15％（50Hz）输出电压：115V（400Hz）输出功率：6kVA电压稳定度：1％频率稳定度：0.1％三相电压不平衡度：1％总谐波含量：2％噪声：50dB保护功能：过载120％延时6分钟关闭系统，输出端短路立即关闭系统。试验结果表明，三相组合式逆变器，从根本上解决了三相负载100％不平衡时带来的问题。由于功率开关管采用了IPM模块，输出变压器应用集成电感技术，使电路简化，降低了成本，提高了效率。由单片机与三相高精度PWM波产生器SA4828构成控制电路，使系统智能化，可靠性提高。较好地解决了以往三相组合式逆变电源的电路复杂、成本高等问题。在中、大功率逆变电源等应用领域，可作为较好的方案之一。