基于SA4828的三相組合式逆變器設(shè)計(jì)

1引言

電源設(shè)備是一種量大面廣、通用性很強(qiáng)的電子產(chǎn)品。幾乎在現(xiàn)代通訊、電子儀器、計(jì)算機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化、電力工程、國(guó)防等部門都要使用電源，在其它各個(gè)行業(yè)及日常生活中，電源也得到了廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電源設(shè)備也提出了更高的要求。為了滿足眾多的用戶，電源的規(guī)格品種是越來(lái)越多，由于電源的應(yīng)用對(duì)象具有多樣性、新穎性和復(fù)雜性，所以電源設(shè)備不僅要做到高質(zhì)量、高效率、高可靠性，而且要有適應(yīng)其各式各樣負(fù)載的輸出特征。三相輸出的逆變電源，在集中供電等多數(shù)情況下，都會(huì)面臨三相負(fù)載不平衡問(wèn)題，嚴(yán)重的是負(fù)載100％不平衡。即使電源在安裝使用之初，盡量分配三相負(fù)載達(dá)到平衡，可在用電過(guò)程中卻無(wú)法保證三相負(fù)載同時(shí)開、關(guān)機(jī)，加上逆變器內(nèi)阻比起發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻要大得多，因而引起的各種影響不得忽視。

為了取得標(biāo)準(zhǔn)一致便于分析，將三相負(fù)載100％不平衡，定義為兩種情況，第一種情況為其中一相滿載，另外兩相空載；第二種情況為兩相滿載，另一相空載。

我們大致統(tǒng)計(jì)一下負(fù)載不平衡對(duì)輸出電壓的影響，如表1所示。

表1負(fù)載不平衡對(duì)輸出電壓的影響

一般三相逆變電源，輸出電壓的不平衡度指標(biāo)為<2％。從表1可看出，當(dāng)負(fù)載不平衡度>20％時(shí)，電壓不平衡度已經(jīng)超標(biāo)。

三相負(fù)載100％不平衡時(shí)，引起逆變器的輸出有的相電壓升高，有的相電壓降低，使逆變器無(wú)法正常工作，甚至造成負(fù)載損壞。于是解決三相逆變電源，在負(fù)載100％不平衡時(shí)，能正常工作刻不容緩。然而，單純要求用戶在使用過(guò)程中，保持三相負(fù)載平衡，顯然不現(xiàn)實(shí)，只有在逆變電源本身尋找切實(shí)可行的解決辦法。

目前解決負(fù)載100％不平衡，采用的辦法有兩種，一是將輸出變壓器，三相繞組重新分配后再串聯(lián)起來(lái)。這種方法雖然簡(jiǎn)單，部分解決了負(fù)載不平衡，但沒(méi)有徹底解決負(fù)載100％不平衡的情況，同時(shí)電壓的穩(wěn)定度不高。二是將逆變部分，分為三個(gè)獨(dú)立的橋式逆變器，然后按相位差120°、240°的相序，組合為一個(gè)三相輸出的逆變電源。這種系統(tǒng)徹底解決了負(fù)載100％不平衡的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)關(guān)系非常明確，保證了三相輸出電壓平衡，電壓穩(wěn)定度高。但電路較復(fù)雜，器件增多，成本提高。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，必須考慮產(chǎn)品最終的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及性能，然后決定系統(tǒng)的工作模式與控制方式。綜合以上兩種方案，我們?cè)谘兄菩庐a(chǎn)品過(guò)程中，為了達(dá)到較好的輸出電壓穩(wěn)定度和平衡度，采取了第二種方案。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中優(yōu)化電路，減少器件，降低成本。特別是采用MITEL公司的SA4828與單片機(jī)，簡(jiǎn)化控制電路取得較明顯效果。

?

圖1系統(tǒng)原理框圖

圖2SA4828管腳圖

2系統(tǒng)構(gòu)成

主電路主要由AC/DC整流濾波、DC/AC三個(gè)獨(dú)立的單相橋式逆變器、輸出濾波三大部分所構(gòu)成。原理框圖如圖1所示。

輸入三相380V、50Hz交流電壓，經(jīng)EMI抑制、整流、濾波后的直流高壓，供給三個(gè)單相半橋逆變器。三個(gè)逆變器分別在控制電路相位差120℃、240℃的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下，輸出SPWM波形。最后經(jīng)三個(gè)獨(dú)立的變壓器及濾波電路，組合成所需要的三相輸出電壓。其中逆變器開關(guān)管，采用了IPM智能模塊，由于開關(guān)管兩端通、斷峰值電壓很小，所以不需再加特殊的吸收電路。輸出變壓器采用了集成電感技術(shù)，使變壓、濾波一體化，降低了噪聲,提高了效率，增加了可靠性。電路簡(jiǎn)單明了，無(wú)論負(fù)載如何不平衡，都不會(huì)使三相輸出電壓的不平衡度超標(biāo)。

3控制方案

本系統(tǒng)采用三相高精度PWM波產(chǎn)生器SA4828與單片機(jī)為主，構(gòu)成控制電路。SA4828是MITEL公司繼SA828、SA838PWM波產(chǎn)生器系列之后，推出的新一代性能更優(yōu)、功能更強(qiáng)的大規(guī)模集成電路。它與微處理器連接，完成了所有外圍的檢測(cè)、控制和保護(hù)等功能，使系統(tǒng)智能化。

3．1SA4828簡(jiǎn)介

（1）SA4828主要特點(diǎn)

①靈活的控制功能SA4828能選擇三種不同的輸出波形，并且能通過(guò)軟件決定三相輸出波形的幅值，是統(tǒng)一控制，還是三相分別獨(dú)立控制。這一功能擴(kuò)大了用戶的使用范圍，尤其在需要解決逆變器負(fù)載100％不平衡的問(wèn)題時(shí)，顯得非常重要。

②更高的頻率精度調(diào)制波頻率采用的是十六位，增加了頻率的分辯率，提高了逆變器輸出頻率的精度。

③可靠性高SA4828新增加了“看門狗”電路，進(jìn)行監(jiān)控，程序運(yùn)行安全可靠。SA4828還采用了諧波抑制技術(shù)，降低了開關(guān)管的損耗。

（2）管腳說(shuō)明

SA4828為標(biāo)準(zhǔn)28腳雙列直插式封裝，如圖2所示。主要管腳分類說(shuō)明如下：

①驅(qū)動(dòng)信號(hào)及檢測(cè)

RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT、BPHB為三相可獨(dú)立控制的TTL驅(qū)動(dòng)信號(hào)，第一個(gè)字母表示紅、黃、藍(lán)三相，分別相差120°、240°，后面的字母“T”為上開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，“B”為下開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

?

圖3SA4828原理框圖

表2寄存單元地址及說(shuō)明

TRIP為狀態(tài)輸出指示。

SETTRIP、RST為關(guān)斷信號(hào)輸入端和復(fù)位端。

②標(biāo)準(zhǔn)總線與控制模式

AD7～AD0為地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線。

WR、RD、ALE為英特爾控制模式。

③電源和時(shí)鐘

VDD、VSS分別為＋5V電源、接地端。

CLK為時(shí)鐘輸入端。

如果對(duì)照SA8282，可以看出SA4828在英特爾等模式下，只要將RS、MUX端接為高電平，SA4828就可以完全取代SA8282。但三相輸出波形的幅值，卻可分別靈活的控制。

（3）SA4828工作原理

SA4828原理框圖如圖3所示。

主要工作原理大部分與SA8282類似，具體可見參考文獻(xiàn)2。現(xiàn)將SA4828特殊的原理解釋如下：

①三種不同波形的選擇主要是通過(guò)傳輸給初始化寄存器和控制寄存器的命令，來(lái)設(shè)置三相波形ROM。它分別為正弦、增強(qiáng)、高效三種波形，使之能應(yīng)用于各種特殊的場(chǎng)合。

②“看門狗”電路SA4828在接收單片機(jī)發(fā)出的命令時(shí)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，總線控制會(huì)發(fā)出復(fù)位“看門狗”信號(hào)，使“看門狗”延時(shí)關(guān)斷輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

③八個(gè)寄存器單元為了提高頻率精度，以及能獨(dú)立控制三相波形幅值，SA4828增設(shè)了八個(gè)寄存器單元。地址及說(shuō)明見表2。

在傳輸初始化命令時(shí)，其中寫入R4、R5寄存器，為“看門狗”的延時(shí)控制字。當(dāng)傳輸控制命令時(shí)，寫入R0、R1為十六位頻率控制字，寫入R3、R4、R5分別為三相輸出波形幅值控制字。上述設(shè)置和調(diào)整，均通過(guò)地址/數(shù)據(jù)總線、寄存器單元，存入初始化寄存器和控制寄存器來(lái)完成。

3．2SA4828用于本系統(tǒng)控制

單片機(jī)最小系統(tǒng)及少量的外圍擴(kuò)展芯片，與SA4828構(gòu)成的本系統(tǒng)控制電路如圖4所示。

單片機(jī)首先對(duì)SA4828初始化，預(yù)置輸出波形、幅值、頻率等。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路分別將輸出三相電壓、電流，和電壓、頻率的給定信號(hào)，輸入單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行開環(huán)、閉環(huán)控制算法運(yùn)算。單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)SA4828調(diào)整輸出電壓、頻率，及進(jìn)行過(guò)流延時(shí)保護(hù)等。快速關(guān)斷是發(fā)現(xiàn)直流電流檢測(cè)信號(hào)（DCCT）和IPM模塊有直通或短路現(xiàn)象時(shí)，立即關(guān)斷SA4828輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3．3程序流程

程序設(shè)計(jì)中，在完成其控制功能外，還應(yīng)力求程序的合理與簡(jiǎn)化，它決定控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。圖5為控制程序的流程框圖。

主程序中，SA4828初始化命令和控制命令的參數(shù)計(jì)算及設(shè)置，可見參考文獻(xiàn)1，本文不再敘述。

?

圖4控制電路框圖

圖5控制程序流程框圖

4試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)語(yǔ)

三相組合式逆變電源經(jīng)使用、測(cè)試，達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：

輸入電壓：380V±15％（50Hz）

輸出電壓：115V（400Hz）

輸出功率：6kVA

電壓穩(wěn)定度：<1％

頻率穩(wěn)定度：<0.1％

三相電壓不平衡度：<1％

總諧波含量：<2％

噪聲：<50dB

保護(hù)功能：過(guò)載120％延時(shí)6分鐘關(guān)閉系統(tǒng)，輸出端短路立即關(guān)閉系統(tǒng)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，三相組合式逆變器，從根本上解決了三相負(fù)載100％不平衡時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題。由于功率開關(guān)管采用了IPM模塊，輸出變壓器應(yīng)用集成電感技術(shù)，使電路簡(jiǎn)化，降低了成本，提高了效率。由單片機(jī)與三相高精度PWM波產(chǎn)生器SA4828構(gòu)成控制電路，使系統(tǒng)智能化，可靠性提高。較好地解決了以往三相組合式逆變電源的電路復(fù)雜、成本高等問(wèn)題。在中、大功率逆變電源等應(yīng)用領(lǐng)域，可作為較好的方案之一