文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.037
中文引用格式： 楊軍，李曉寧，李均龍，等. 基于DSP2812的單相EPS的研制[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(6)：136-138.
英文引用格式： Yang Jun，Li Xiaoning，Li Junlong，et al. Development of single phase EPS based on DSP2812[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：136-138.
0 引言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)供電的依賴越來(lái)越大，尤其是一些重要的公共建筑，一旦中斷供電，將造成重大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。因此，應(yīng)急電源作為獨(dú)立于電網(wǎng)之外的備用電源，被廣泛應(yīng)用于各種建筑工程之中[1-3]，如火災(zāi)應(yīng)急照明、隧道應(yīng)急照明和監(jiān)控等，其作用是在事故發(fā)生的情況下確保提供所需的應(yīng)急電力，為人們生產(chǎn)和生活安全提供保障。
應(yīng)急電源是與電網(wǎng)在電氣上獨(dú)立的各種電源，目前應(yīng)用較多的是柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池。其中蓄電池有允許短時(shí)電源中斷的應(yīng)急電源裝置(Emergency Power Supply，EPS)和不間斷電源裝置(Uninterrup- table Power Supply，UPS)兩種。
與柴油發(fā)電機(jī)和UPS相比，EPS具有管理智能化、使用壽命長(zhǎng)、過(guò)載能力強(qiáng)、保護(hù)功能完善、無(wú)排氣、無(wú)噪聲等優(yōu)勢(shì)[1]。隨著數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、高速單片機(jī)和智能功率模塊(IPM)的出現(xiàn)，EPS的數(shù)字控制技術(shù)也得以成為現(xiàn)實(shí)[2]。本文基于DSP2812設(shè)計(jì)了一個(gè)3.6 kW的應(yīng)急照明電源，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)核心軟硬件的設(shè)計(jì)，測(cè)試效果良好。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的應(yīng)急電源是單相型的，逆變器輸出的是單相交流電，中心控制處理電路是以DSP2812[6]為核心的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
DSP2812是美國(guó)TI公司推出的定點(diǎn)32位DSP芯片，其內(nèi)部集成有PWM模塊，適合用于電力電子、工業(yè)控制、電機(jī)控制等，用途廣泛。DSP2812較低的供電電壓大大地降低了系統(tǒng)功耗，給電源設(shè)計(jì)帶來(lái)更高的可靠性[3]。
系統(tǒng)包括充電器、逆變器、切換開(kāi)關(guān)、檢測(cè)電路、蓄電池、觸摸屏顯示監(jiān)控和主控制板等。其中逆變器和充電器是整個(gè)系統(tǒng)的核心。充電器的作用在蓄電池欠壓時(shí)恢復(fù)蓄電池的容量，逆變器的功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，提供持續(xù)穩(wěn)定的輸出，切換開(kāi)關(guān)的主要作用是確保電網(wǎng)供電和逆變器供電能夠在適當(dāng)?shù)臈l件下完成切換。主控板的作用對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在觸摸屏上顯示系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，并在系統(tǒng)故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
2 EPS逆變電路的設(shè)計(jì)
逆變系統(tǒng)是EPS的核心，其性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，其主要功能是完成交直流點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)采用蓄電池作為電源，也就是將來(lái)自蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電提供給負(fù)載。逆變器輸出的交流電必須滿足設(shè)計(jì)要求，即頻率穩(wěn)定在50 Hz左右，輸出電壓穩(wěn)定，受負(fù)載影響小，正弦波的畸變因素THD小于特定值。
2.1 逆變電路的硬件設(shè)計(jì)
2.1.1 逆變主電路設(shè)計(jì)
為了減小電源的體積，主電路采用Boost-逆變兩級(jí)電路，電路前級(jí)通過(guò)Boost電路將蓄電池組的電壓升高，可以減少蓄電池?cái)?shù)量，讓系統(tǒng)輕量化并降低成本，后級(jí)為電壓式單相全橋逆變電路[4]，如圖2所示。控制電路對(duì)4個(gè)功率管T1，T2，T3和T4的通斷時(shí)間進(jìn)行控制，使其處于交替導(dǎo)通狀態(tài)，將360 V直流母線電轉(zhuǎn)換成幅值相等(360 V)而脈沖寬度不斷變化的SPWM波電壓，再通過(guò)LC低通濾波器后輸出220 V的正弦交流電壓。
電源由10節(jié)蓄電池串聯(lián)起來(lái)，電壓為120 V，而直流母線的電壓為360 V，所以逆變電路開(kāi)關(guān)管集電極和發(fā)射極之間的電壓Vce為：
根據(jù)電路上的電壓等級(jí)，逆變電路選擇的IGBT型號(hào)為富士公司的電壓電流等級(jí)為600 V/100 A的2MBI-100VA-060-50。Boost電路所選用的IGBT型號(hào)為英飛凌公司的電壓電流等級(jí)為600 V/80 A的IKW75N60T。升壓電路是非隔離型電路，可能從蓄電池端引入脈動(dòng)，為了進(jìn)一步平滑直流輸出電壓中脈動(dòng)電壓的幅值，取電解電容為2 000 μF，由兩個(gè)1 000 μF/450 V的電解電容并聯(lián)而成。為了消除噪聲對(duì)電路的干擾，在電解電容上并聯(lián)一個(gè)0.47 μF的無(wú)極性電容C2，用來(lái)吸收高頻噪聲，起到高頻旁路的作用[5]。
2.1.2 緩沖電路的設(shè)計(jì)[6]
為了達(dá)到保護(hù)IGBT的目的，在逆變電路中加入了RCD緩沖電路。如圖3所示，圖中Lm為主電路中總的雜散電感，Ls為緩沖電路中的雜散電感，Cs，Rs，Ds分別為吸收電容，吸收電阻和吸收二極管。
電阻R上的功率為：
式中，Vce為最大的集電極-發(fā)射極電壓，Cs為緩沖電容，f為電路的工作頻率。在本文所用的電路中，Vce為600 V，f為20 kHz。為了減少電路中消耗的功率，一般要求PR≤120 W，即：
2.2 逆變電路的控制軟件設(shè)計(jì)
應(yīng)急電源逆變器在電網(wǎng)斷電時(shí)工作。蓄電池的直流電壓隨著時(shí)間變長(zhǎng)而逐漸降低，同時(shí)負(fù)載端也會(huì)出現(xiàn)變化，從而影響到逆變器輸出電壓的穩(wěn)定，因此需要設(shè)計(jì)電壓負(fù)反饋閉環(huán)來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。通過(guò)采集輸出電壓的有效值，與設(shè)定值進(jìn)行比較決定PI控制參數(shù)，然后輸入到控制器，對(duì)Boost電路PWM波形的占空比進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的，其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
系統(tǒng)將逆變器輸出端的交流電壓通過(guò)采樣和調(diào)理電路反饋給DSP，然后DSP通過(guò)PI算法來(lái)改變SWPM波的調(diào)制度，進(jìn)而穩(wěn)定逆變電路的輸出電壓[7-9]。逆變程序的流程圖如圖5所示。
3 系統(tǒng)測(cè)試與分析
在上述工作基礎(chǔ)上，最終搭建了3.6 kW的EPS系統(tǒng)樣機(jī)。
蓄電池組的電壓為120 V，而逆變器需要的輸入電壓是360 V。因此需要通過(guò)Boost電路將蓄電池電壓升高，從而使逆變器可以輸出220 V電壓。Boost電路輸出直流電波和驅(qū)動(dòng)電路波形如圖6所示。
由圖可見(jiàn)，Boost電路輸出的直流電壓比較穩(wěn)定，波動(dòng)小，而B(niǎo)oost電路的驅(qū)動(dòng)波形比較穩(wěn)定，負(fù)壓有較大幅值能確保IGBT的關(guān)斷，負(fù)壓部分雖有細(xì)微波動(dòng)，但不影響對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)，達(dá)到負(fù)荷設(shè)計(jì)要求。
本文設(shè)計(jì)的逆變電路通過(guò)SPWM波進(jìn)行控制，可以將360 V的直流電壓轉(zhuǎn)換成220 V的交流電壓。其驅(qū)動(dòng)波形和輸出波形如圖7所示。
如圖7所示，在空載狀態(tài)下，IGBT的驅(qū)動(dòng)波形良好；當(dāng)負(fù)載滿載時(shí)，在驅(qū)動(dòng)波形上升沿有一個(gè)臺(tái)階和尖峰。這個(gè)尖峰來(lái)自IGBT的米勒效應(yīng)，電路已經(jīng)將其控制在可以接受的范圍內(nèi)，滿載時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形工作狀態(tài)良好。而最后逆變器輸出的正弦波形良好，達(dá)到了預(yù)期的要求。
4 總結(jié)
本文對(duì)單相EPS進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了EPS逆變器主電路的拓?fù)洌碆oost-逆變兩級(jí)電路。這種電路結(jié)構(gòu)可以克服常規(guī)單級(jí)逆變電路需要的電池?cái)?shù)量太多，不宜維護(hù)的缺點(diǎn)，比較適合中小功率的EPS系統(tǒng)使用。并且對(duì)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中主要元器件的選型和參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。最終實(shí)現(xiàn)了3.6 kW的逆變器的制作和調(diào)試，測(cè)試效果良好。
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