高效大功率中頻靜變電源系統(tǒng)設(shè)計

鄭開明

【摘要】靜變電源目前廣泛應用在艦艇設(shè)備，工業(yè)控制設(shè)備以及航空相關(guān)設(shè)備之中。其頻率一般為400Hz、500Hz，向上還有10KHz以及更高頻率的型號。作為電源供電使用時主要為400Hz，這也是本文所要討論的頻率，即400Hz中頻靜變電源系統(tǒng)設(shè)計。由于靜變電源整個系統(tǒng)實現(xiàn)起來頗為復雜，本設(shè)計主要是針對主電路的結(jié)構(gòu)進行分析，重點放在以單片機89C51為核心的靜變控制電路的設(shè)計以及實現(xiàn)改進型重復控制算法。

【關(guān)鍵詞】中頻電源 數(shù)字控制 改進算法

一、SPWM的原理

SPWM技術(shù)作為一種現(xiàn)代先進的變頻技術(shù)，它的作用就是通過按照事先設(shè)置好的規(guī)則來操控系統(tǒng)中的開關(guān)類元器件的接通和斷開，如此一來，就可以輕松獲取一組幅度相等但寬度不等的形狀為矩形的脈沖波形，利用它來生成系統(tǒng)所指定頻率的形狀為正弦形狀的電壓波。本設(shè)計便采用這項先進的技術(shù)來研究設(shè)計400Hz中頻靜變電源，這項先進的技術(shù)帶來的好處是：完成的電源系統(tǒng)在狀態(tài)正常的情況下相對于傳統(tǒng)的多環(huán)節(jié)類型的中頻靜變電源可以達到更高的性能指標，即得到更純凈，更穩(wěn)定的電流和電壓。

二、SPWM波形發(fā)生器

作為Mitel公司專門為設(shè)計三相靜變電路而開發(fā)的新型SPWM波形發(fā)生器，它能夠產(chǎn)生純正弦波，即波形完全與正弦型相匹配的一種波，在設(shè)計之初，SA8282就具備了通過外圍電路來和DSP單片機做組合的機會。兩者組合而成的系統(tǒng)為數(shù)字化操作系統(tǒng)，具有出色的抗干擾能力以及良好的通用性，簡單的接口便于系統(tǒng)的升級和改造。在不改變基礎(chǔ)電路的前提下，利用軟件方式就可以修改電路元器件的主要參數(shù)，來調(diào)整靜變器的性能指標，如此一來，調(diào)試效率得到了極大的提高，產(chǎn)品的成品得到了有效的控制。

三、單主電路結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由下面1、2、3三個部分組成，來實現(xiàn)將220V/50Hz的交流電變換成115V/500Hz的交流電。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

（1）第1部分（PFC boost）。本部分的作用是把交流電整流并通過boost電路升壓，輸出為360V的直流高壓，在控制電路控制下實現(xiàn)穩(wěn)壓，并使功率因數(shù)為1.這一級要保證功率因數(shù)為1，同時實現(xiàn)穩(wěn)壓的功能。

（2）DC/DC變換電路。本部分的完成將360V直流變換成180V直流，采用變壓器隔離DC/DC變換，變壓器的作用是隔離及變壓，原邊的逆變橋由四個開關(guān)管組成，副邊由四個整流管組成，對于逆變器同一橋壁開關(guān)管的控制采用互補控制，對角開關(guān)管同時導通和關(guān)斷，逆變橋輸出極性為正或者負的方波信號，正負脈沖的寬度各為50%。

（3）DC/AC變換模塊。它主要的功能是完成DCl80V至AC115V/400Hz交流電壓的變換功能。這一部分是整個逆變電源的核心部分，也是本文研究的重點部分。

該逆變電路實際上是一種Buck逆變器，即上一章所提到的雙向直流變換器，它是雙向直流變換器的一種應用，這種Buck逆變器可以看作兩個部分組成：①具有雙向電路導通能力的Buck變換器。②全橋變換電路。

雙向直流Buck變換器由Buck電路和Boost電路結(jié)合而成，圖2（a）為Buck電路，圖2（b）為Boost電路，把功率二極管換成雙向開關(guān)就形成了雙向Buck變換器，如圖2（c）所示，從而實現(xiàn)了能量的雙向流動。

（c）雙向直流Buck變換器

四、軟件設(shè)計

系統(tǒng)開始運行時，89C51單片機向SA8282發(fā)出初始化命令和控制命令。重點需要設(shè)置的參數(shù)有頻率調(diào)節(jié)范圍區(qū)間、dead Zone時間、輸出電壓的幅值大小、輸出信號的中心頻率等。SA8282三相與三相變頻專用信號產(chǎn)生器之間存在相位差，大小為120°，這不符合靜變電源設(shè)計要求中知A與B相位相差為90°的描述。較為普遍的調(diào)制方法是在外部另接電路，來調(diào)整相位。這樣實現(xiàn)起來不僅增大的系統(tǒng)的體積，增加了系統(tǒng)的復雜性，不符合模塊的的設(shè)計初衷，同時由于外部電路不可避免會存在溫漂現(xiàn)象等因素干擾因素，對相位的穩(wěn)定性造成干擾。為了避免這種情況，這里采用了一種新型的設(shè)計，即同時使用兩塊SA8282芯片，分別輸出三個相位。簡單來說，我們先通過89C51單片機發(fā)出指令，讓第1片SA8282輸出A相和C相。經(jīng)過為時0.625ms的延時，89C51單片機再向第二片SA8282發(fā)出指令，讓其輸出B相。這樣一來就實現(xiàn)A、B兩相相位差就可以調(diào)整為90°。通過軟件方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的外接電路方法，電路結(jié)構(gòu)得到了改善，同時又實現(xiàn)了。

五、結(jié)束語

400Hz高效大功率靜變電源主要應用在航空、車船等領(lǐng)域之中，顯而易見的，這些領(lǐng)域?qū)Π踩缘囊蠓浅８撸玫降撵o變電源必須滿足高規(guī)格的要求。為了滿足生產(chǎn)生活中對電源性能指標的要求，針對靜變電源，本設(shè)計中提出了一種型新穎的數(shù)字化設(shè)計方法，針對傳統(tǒng)方案提出了數(shù)條改進措施，主要包括以下三條：電路的重新設(shè)計、對控制電路做數(shù)字化改造以及采用重復型控制算法。