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單片機控制的PWM斬波式交流凈化穩(wěn)壓電源

發(fā)布時間:2010-8-2 14:00    發(fā)布者:conniede
目前,在各種交流穩(wěn)壓電源中,采用正弦能量分配技術的交流凈化穩(wěn)壓電源是一種技術先進的穩(wěn)壓電源。這種電源主要是通過改變晶閘管的觸發(fā)角θ,來控制調(diào)感支路的等效電感,從而起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。它具有性價比高、可靠性好等特點。


但是這種方式產(chǎn)生的諧波較多,電感損耗較大,噪音明顯,尤其對電網(wǎng)產(chǎn)生很大干擾。為此,筆者用高頻PWM斬波技術對其進行改造,用MOSFETIGBT代替TBIAC,通過調(diào)節(jié)高頻交流斬波器的脈沖寬度來調(diào)節(jié)等效電感。較好地解決了上述問題。
  
傳統(tǒng)的正弦波交流凈化電源原理如圖1所示。



圖1中T是帶氣隙的自耦變壓器,輸入交流電接T的B點,由C點輸出穩(wěn)定的交流電壓。L、L1和L2是線性電感器,L和雙向晶閘管V組成調(diào)感支路。L1和C1組成3次諧波濾波器,L2和C2組成5次諧波器波器,減小輸出電壓的失真度。采用脈沖相位控制技術改變雙向晶閘管V和導通角,從而調(diào)整L的等效電感值,從T的N2繞組取得補償電壓,達到穩(wěn)壓目的。
  
用高頻斬波技術改造傳統(tǒng)的正弦波交流凈化電源的關鍵是用高頻交流開關取代雙向晶閘管。高頻交流開關有兩種形式:整流橋+IGBT式和MOSFET反串聯(lián)式,如圖2所示。



整流橋+IGBT式適合于大功率電源,MOSFET反串聯(lián)式適合中小功率電源。下面具體介紹以整流橋+IGBT為交流功率開關、AVR系列單片機90S8535為控制核心的單片機控制高頻斬波調(diào)感式交流穩(wěn)壓電源。其原理框圖如圖3所示。
  
由于是感性負載,又不能像直流斬波那樣加續(xù)流回路,所以要給IGBT加開通和關斷緩沖電路。高頻交流開關控制采用了EPWM直流等電位調(diào)制技術。為使波形半波奇對稱和四分之一偶對稱,以消除傅里葉級數(shù)中的余弦項和偶次諧波,使載波比N=fc/fs=4k,K=1,2,3…,fc為三角波頻率,fs為市電工頻;調(diào)制M=Δt/TΔ=ΔU/ΔUc,Δt為脈沖寬度,TA=1/fc為三角波周期、Uc為三角波幅值、ΔU為輸出電壓的偏差,三角波電壓的文程式為:



輸出電壓偏差ΔU為采樣電壓,觸發(fā)脈沖起點和終點的方程式為:
式中TΔ=2π/N,各觸發(fā)脈沖的起點角和終點角的數(shù)值為:
α1=(TΔ/2)-(TΔ-2)(ΔU/Uc)=π/N(1-M)
α2=[π/N](1+M)
α3=[π/N](3-M)
α4=[π/N](3+M)

由于PWM斬波波形是鏡對稱和原點對稱,因此它的傅里葉級數(shù)中將只包含正弦項中的奇次諧波,即:



學計算,當n=KN±1時(K=1,2,3,4…)


當n≠KN±1時,bn≠KN±1=0

對于基波,n=1


  
由上比可知,N越大諧波頻率越高。采用很小的LC濾波器就可以濾掉uLe中的所有高次諧波。

如求等效電感Le,通過使uL=uLe,uL1=ULmsinωt,對于uLe,忽略掉其中的高次諧波時(高次諧波被L、C濾掉)uLe=MUmsinωt,當uL、uLe用有效值表示有:UL=MUle,兩邊各除以電流的有效值IL,則可得:
  
ωL1=MωLe,Le=L1/M
 
EPWM示意波形如圖4所示。




AVR90S8535是8位RISC結(jié)構(gòu)單片機,在8MHz晶振5V工作電壓時,單指令周期為125ns。內(nèi)含8MHz晶振5V工作電壓時,單指令周期為125ns。內(nèi)含8路10位ADC,最快轉(zhuǎn)換時間為65μs,帶有模擬比較器和兩個8/9/10位PWM功能的16位定時器/計數(shù)器,以及可編程的看門狗定時器,非常適合做高速PWM控制器。由圖3可以看到,AVR90S8535完成交流輸入、輸出電壓和輸出電流的采樣。同時由調(diào)感支路產(chǎn)生的過零同步信號也一起輸入單片機,過零同步信號的頻率為100Hz,每當過零同步信號輸入單片機時就觸發(fā)一次中斷。在中斷子程序中,單片機根據(jù)輸出采樣電壓計算EPWM占空比,該占空比賦予單片機的PWM定時器。AVR90S8535的PWM定時器設定為16kHz的PWM輸出。PWM斬波頻率太低太高都不好。斬波頻率太低時,交流開關關斷時被控電感續(xù)流電流對交流開關并聯(lián)電容充電,使得交流開關耐壓提高;斬波頻率太高時,交流開關開通損耗又會過大。單片機同時還完成故障保護、輸入輸出的數(shù)字化設定和顯示等功能。程序流程如圖5所示。



以高頻斬波和單片機技術改造傳統(tǒng)的正弦波交流凈化電源,成本上雖然增加一些但技術上卻帶來了突破。它使得產(chǎn)品顯示直觀、設置方便,電感器和電容器所承受的諧波應力大大減小,功耗減小,特別對輸入端的諧波電流分量大大減小,可以滿足當前越來越嚴格的諧波規(guī)范要求,要今后電源的發(fā)展方向。
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