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特种逆变电源的设计
摘要
隧道、煤矿等场所上使用的窄轨机车上经常会用到车载空压机等辅助设备，但是机车上没有能直接供车载空压机等使用的交流电，所以就需要一个逆变电源系统把接触网的直流电逆变成交流电供给空压机等设备使用。
本文针对当前我国窄轨机车上车载空压机等辅助设备的使用现状，提出特种逆变电源的设计这个题目。
该电源系统直接利用SPWM变频控制技术，将机车接触网的直流电550V转化成频率为50HZ电压为380V的稳定三相交流电，供车载空压机等辅助设备使用。
设计的主电路采用IGBT作为主控器件，其驱动电路采用高速型EXB840驱动模块，并由AT89C51单片机和集成电路SA8282配合生成SPWM三相正弦波，作为系统的控制电路。
此电源的设计，极大地方便了生产和应用，具有极其良好的经济效益和社会效益。
结果表明，由SA8282为控制芯片的逆变电源结构简单、性能稳定可靠,适合于中、小功率的应用场合。
关键词：
SPWM，SA8282，逆变电源，单片机
THEDESIGNOFSPECIALINVERTERPOWERSUPPLY
ABSTRACT
Thenarrow-gaugetrainsoftenbeusedon-boardaircompressorandotherauxiliaryequipmentintunnelandmine,butthetraindon’tsupplyACfortheon-boardaircompressordirectly,soitisneedforapowerinverterthatcouldputtheDCintoACfortheaircompressorusing.
Inthispaper,accordingtheusingofaircompressoron-boardandotherauxiliaryequipmentonourcountry'snarrow-gaugetrain,thesubjectofthedesignofspecialinverterpowersupplyisput.TheinverterpowersystemuseSPWMinvertercontroltechnologydirectly,itcouldputtheDCwhichthevolvageis550VofOCSintoastabilityofthree-phaseACwhichthefrequencyof50HZandthevolvageof380Vforusingofaircompressorandotherauxiliaryequipment.ThemaindesignofcircuituseIGBTasamasterdevice,thedrivecircuitusehigh-speed-baseddrivemoduleofEXB840andituseAT89C51single-chipandlarge-scaleintegratedcircuitsofSA8282togeneratetheSPWMthree-phasesymmetricalsinewave,asthecontrolcircuitinthesystem.Thedesignofthepower,whichisgreatlyfacilitatestheproductionandapplication,andithasgoodeconomicandsocialbenefitsextremely.
TheresultsshowthattheinverterpowersupplystructurewhichiscontrolledbytheSA8282issimpleandgoodoutputwaveform,theperformanceisstableandreliable,anditissuitableformediumandlow-powerapplications.
Keywords:
SPWM,SA8282,inverterpowersupply,MCU
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1．绪论
1.1课题背景介绍
随着科学技术和电气化铁路的高速发展，如何使电力能源的利用更加合理化，高效化，已成为急待解决的重要课题。
目前，我国窄轨机车上经常会用到车载空压机等辅助设备，但是车载空压机等设备需要工频50HZ电压380V的交流电，机车本身并没有提供，就需要把窄轨机车接触网的高压直流电转化为空压机等使用的交流电。
因此，开始在机车上采用DC550V供电系统来逐步取代原有的车轴发电机供电系统和发电车供电统，即将窄轨机车接触网的DC550V转化为三相交流电，供给车载空压机等辅助设备使用。
图1-1接触网
1.2特种逆变电源的现状及发展前景
特种逆变电源是专为窄轨机车设计的一种直流变压装置，它将窄轨接触网直流高压电通过逆变电路变成适合于机车低压系统的电压，为机车的车载空压机等设备提供电源。
逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代，逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。
最初的逆变电源采用品闸管（SCR）作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。
由于SCR是一种没有自关断能力的器件，因此必须通过增加换流电路来强迫关断SCR，SCR的换流电路限制了逆变电源的进一步发展。
随着半导体技术和变流技术的发展，自关断的电力电子器件脱颖而出，相继出现了电力晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等等。
自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能。
由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而逆变桥输出电压中低次谐波的频率比较高，使输出滤波器的尺寸得以减小，而且对非线性负载的适应性得以提高。
最初，对于采用全控型器件的逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的PWM控制技术，其输出电压的稳定是通过输出电压有效值或平均值反馈控制的方法实现的[1]。
一般认为，逆变技术的发展可分为如下三个阶段。
1956—1980年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，输出电压波形改善以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变效率较低，正弦逆变技术开始出现。
1981—2000年高频化新技术阶段，这个阶段的特点是，开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM为主，体积重量小，逆变效率较高，正弦波逆变技术的发展日趋完善。
2000年至今为高效低污染阶段，这个阶段的特点是以逆变的综合性能为主，低速与高速开关器件并用，多重叠加法与PWM法并用，不再偏向追求高速开关器件与高开关频率，高效环保的逆变技术开始出现。
逆变电源之所以能得到广泛应用，是因为它能实现以下功能：
（1）逆变电源能将直流电转换为交流电；
（2）变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电；
（3）变相，逆变电源能将单相交流电转换为三相交流电，也能将三相交流电转换为单相交流电。
驱动电路
图1-2逆变电源结构图
随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对逆变器控制性能要求的提高，逆变电源也得到了深入的发展，目前，逆变电源的发展趋势主要集中在以下几个方面：
（1）高频化；
提高逆变电源的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，并可消除变压器和电感的音频噪声，同时改善了输出电压的动态响应能力。
（2）高性能化；
高性能主要指输出电压特性的高性能。
（3）并联及模块化；
（4）小型化；
（5）输入功率因数化；
（6）数字化；
（7）智能化。
逆变电源是电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统运行的安全性和可靠性。
逆变电源问世以来引起了国内外电源界的普遍关注，现已成为具有影响力和发展前景的一项高科技产品，并广泛应用于通讯、工业设备、卫星通信设备、太阳能及风能发电领域。
近年来随着电子信息产业的高速发展，人们对逆变电源的需求与日俱增，逆变电源的开发、研制、生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。
目前随着逆变电源的广泛应用，逆变电源显示了十分强大的生命力，并具有高集成度，高性能比，最简的外围电路，最佳的性能指标等特点。
逆变电源的应用，特别是特种逆变电源的应用将越来越重要。
21世纪是能源开发、资源利用与环境保护互相协调发展的世纪，能源的优化利用与清洁能源的开发，是能源资源与环境可持续发展战略的重要组成部分。
具有世界三大能源之称的石油、天然气和煤等化石燃料将逐渐被耗尽，氢能源与再生能源将逐渐取代化石燃料而成为人类使用的主题能源，这种能源的变迁将迫使发电方式产生一次大变革，使用氢能源与再生能源的高效低污染燃料电池发电方式，将成为主体发电方式。
因此，逆变电源在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位[2]。
1.3主要技术要求
（1）装置的输入电压为：
DC550V；
（2）装置的输出为：
AC380V50HZ；功率：
5KW。
1.4逆变电源的设计思路
本设计中电源系统就适用于窄轨列车接触网DC550V供电制式的窄轨机车。
其主电路采用IGBT的组合电路，提高了整个系统的效率。
该系统具有实时控制、自保护。
系统对过压、过流等故障具有功能强大的诊断系统，从而提高了系统的安全性和可靠性，同时也增强了系统的可维护性。
论文在详细分析了机车DC550V供电系统对逆变电源的功能需求和参数要求的基础上，根据大容量化、集成化、全控化、高频化及多功能化的电源系统设计原则，提出以AT89C51及部分外围扩展芯片和三相波形发生器SA8282为控制器的三相逆变电源结构方案，完成三相逆变主电路及其开关器件的驱动、保护、吸收电路设计。
2．逆变原理
逆变，是电力电子学变换技术中最主要的一种。
电力电子学，亦称为电力电子技术，是应用半导体功率开关器件的开通和关断，实现电能的变换和控制的技术，它包括电压、电流、频率、相数和波形等方面的变化，电力电子技术是电力技术（发电机、变压器等各种电力设备和处理电能的电力网络）、电子技术（各种电子器件和处理信息的电子电路）和控制技术（模拟控制理论和数字控制理论）三者相结合的一种新型交叉学科。
电力电子技术诞生于20世纪50年代，经过半个多世纪的发展，现在已成为理论和科学体系比较完整，而且又相对独立的一门科学艺术。
特别是从20世纪80年代以来，由于电力电子技术突飞猛进的发展，及其对工业发展所产生的作用，它已被各国专家学者称为是人类社会继计算机之后的第二次电子革命，它在世界各国工业文明的发展过程中所起的关键作用，可能仅次于计算机，预计在本世纪，电力电子技术对工业自动化、交通运输、城市供电、节能、环境污染控制等方面的发展，将会产生更大的推动作用。
在这种推动作用中，逆变将扮演重要角色[3]。
2.1逆变的基本原理
逆变器是整流器的逆向变换器，其作用是通过半导体开关器件（如SCR、GTO、GTR、IGBT和功率MOSFET等）的开通和关断作用，把直流电能变换为交流电能的一种电力电力变化器。
由于它是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能的，因此变换效率比较高，但变换输出的波形则很差，是含有相当谐波成份的波形，因而还需要交流低通滤波器的滤波。
逆变的基本思想是利用电力电子器件的开关特性，通过控制其导通与关断来获得交流电。
根据不同的分类角度，逆变的方式多种多样，从而逆变电路的结构也复杂多变，下面介绍一种简单的典型的单相桥式逆变电路以说明逆变的基本原理，单相半桥式逆变电路如图2-1所示。
图2-1单相半桥式逆变原理图
图中
～
是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。
当开关
、
闭合，
、
断开时，负载电压
为正；当开关
、
断开，
、
闭合时，负载电压
为负。
这样，就把直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。
这就是逆变电路最基本的工作原理。
逆变器广泛应用于以直流发电机、蓄电池、太阳能电池和燃料电池为主直流电源的逆变场合。
随着石油、煤和天然气等主要能源的日益紧张，新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。
逆变器在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位[4]。
2.2逆变技术
所谓逆变技术，就是将直流电能变换成交流电能的技术。
逆变技术作为现代电力电子技术的重要组成部分，正成为电力电子技术中发展最为活跃的领域之一，其应用已渗透到国民经济的各个领域和人们生活的方方面面。
在当今的PWM逆变器中，输出变压器和交流滤波器的体积重量占主要部分。
为了减少输出变压器和交流滤波器的体积重量、提高逆变器的功率密度，高频化仍然是主要的发展方向之一，如提高SPWM逆变器的开关频率，采用交流传动用变频器的内高频环等。
但逆变器的高频化也存在一些问题，如使开关损耗增加，电磁干扰增大。
此外，导体的集肤效应和邻近效应，电容的ESR及磁元件的寄生参数等问题都需要解决，其中最主要的就是开关损耗和电磁干扰问题。
解决这些问题最有效地办法有两个：
一个是提高开关器件的速度，二是用谐振或准谐振的方式使逆变器开关工作在软开关状态。
1970年，N．O．Sokal提出了电压谐振技术，这两项技术都是用LC于开关器件共同组成一个串联或并联谐振回路，利用回路在一个开关周期中全谐振使器件工作在零电流转换（并联谐振）或零电压转换（串联谐振）的软开关状态，从而把开关损耗减小到零，这就是最早的软开关技术。
20世纪80年代初，美国弗吉尼亚电力电子技术中心（VPEC）对谐振技术进行了改进，提出了准谐振变换技术，即把LC回路在一个开关周期中的全谐振改为半谐振或部分谐振，这才使得软开关技术与PWM技术的结合成为可能。
此后，掀起了全球性研究软开关逆变技术的热潮。
PWM软开关逆变技术是当今电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力电子技术高频化的最佳途径。
逆变技术的种类很多，可以按不同的标准进行分类：
（1）按输入电量的形式：
电压型逆变、电流型逆变；
（2）按交流输出的相数：
单相和三相逆变、多相逆变；
（3）按主电路使用的开关器件：
MOSFET逆变、IGBT逆变、GTO逆变、IGCT逆变；
（4）按主电路的拓扑结构：
推挽式逆变、半桥式逆变、全桥式逆变；
（5）按输出交流电量的波形：
正弦波逆变、非正弦波逆变；
（6）按功率半导体开关的工作模式：
硬开关逆变、软开关逆变。
逆变技术的应用领域广泛，在交流电机的变频调速、不间断电源、开关电源、变频电源、风力发电等方面取得了很大的成就。
基本型的方波逆变器电路简单，但输出电压波形的谐波含量过大，亦即THD过大，移相多重叠加逆变器输出电压波形的谐波含量小，亦即THD小，但电路较复杂。
而PWM脉宽调制式逆变器，既有简单的的电路，又可使输出电压波形的谐波含量大大减少，亦即具有较低的THD输出电压波形，因而得到广泛应用。
所谓PWM脉宽调制技术（PulsWidthModulation，PWM），是一种参考波（通常是正弦波，有时也采用梯形波或注入零序谐波的正弦波或方波等）为调制波（ModulatingWave），而以N倍于调制波频率的三角波为载波（CarrierWave），进行波形比较，而调制波大于载波的部分产生一组幅值相等，而宽度正比于调制波的矩形脉冲序列用来等效调制波，并用开关量取代模拟量，并通过对逆变器的开关的通/断控制，把直流电变成交流电，这种技术就叫做脉宽控制逆变技术。
由于载波三角波的上下宽度都是线性变化的，故这种调制方式也是线性的。
当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列的脉冲宽度按正弦规律变化，这种调制技术通常叫做正弦脉宽调制（Sinusoida，SPWM）技术[5]。
2.3正弦脉宽调制技术
正弦脉宽调制（SPWM）技术，就是产生与正弦波等效的一系列等幅不等宽矩形脉冲波形。
等效原理是，每个矩形脉冲面积与对应位置正弦波面积相等。
如图2—2所示，设矩形脉冲高度为
，宽度为
，中点角度为
，
为调制正弦波的振幅，
以为载波比，则等效面积原理可以表示为：
（2-1）
当
较大时，
，并令
则可得：
（2-2）
图2-2等效回路算法原理图
由图2-2式可以明显看出，在载频固定，且给定输出角频率
（n=常量）情况下，等效脉冲宽度和调制度M成正比，和脉冲所在位置的正弦值
成正比。
也就是说，只要
按正弦规律变化，SPWM就可以输出正弦电压；
越宽，输出的电压值越高，根据这一规律，出现了多种形成SPWM的具体技术[6]。
（1）等效面积算法
等效面积算法具有计算量小、精度高、输出电压波形接近正弦波、谐波损耗小等优点。
其方法是把半个周期的正弦波分成N等份，然后把每一份正弦曲线段与横轴所包围的面积都用与之相等面积的等高矩形脉冲来代替，即相对应的同一时间段内矩形脉冲波面积的代数和与正弦波和横轴所包围的面积相等。
同样正弦波的负半周也可用该方法来等效。
N的多少就意味着SPWM信号的调制频率高低，调制频率越高正弦波的波形越好，但频率的选择又受元件频率特性的限制。
在载频
固定，且输出频率
已知的情况下，
=
，从而可以求得第i个脉冲的宽度
。
（2）自然采样法
自然采样法源于模拟控制方法，计算正弦调制波与三角波的交点，从而求出相应的脉冲宽度和脉冲间歇时间，生成SPWM波形，其原理如图2-3所示。
图中Tc表示载波周期，
表示脉冲宽度。
这种方法所求得等效面积精确，但要求解复杂的数学方程，计算量大，难以用单片机实时计算，工程实现难度较大。
图2-3自然采样法
（3）规则采样算法
规则采样算法是对自然采样法的近似，根据近似的方法不同有不同的计算方法。
图2—4示出了一种常用的规则采样算法。
其原理是，在三角载波的负峰值时刻求得
之值E，并以此值在三角载波上截得A，B两点，从而确定了脉宽值。
这种方法实际上是用阶梯波代替正弦波，只要n足够大，精度是可以保证的，但计算量要比自然采样小得多。
图2-4规则采样法
（4）单片机产生SPWM波
故障输入
单片机（包括DSP）在近年来发展很快，其强大的功能使其当然成为正弦脉宽调制控制器的主角。
为了进一步简化结构、提高运算效率、降低成本、减少外围硬件电路，近年来，出现了多种专门产生PWM的单片机。
其结构原理是在原来通用单片机的基础上，增加了PWM产生电路，同时还增加了相关的辅助电路，如A／D电路、专用通讯口等。
譬如：
AVR单片机AT90PWM2，DS87C550以及In-finenon公司的C504，XC164等单片机。
用XC164产生三相SPWM的应用如图2-5可以看出，利用专用单片机，可省去大量外部辅助器件，降低硬件成本，软件开销也明显下降。
图2-5XC164构成的驱动电路
3．主电路设计
3.1特种逆变电源的原理
本逆变电源的设计，由输入电路、逆变主电路、输出电路、采样电路、控制电路、驱动电路、辅助电路和保护电路组成，基本的结构框架和关系如图3-1所示。
采样电路
图3-1逆变系统原理框图
（1）输入电路
逆变电路的主回路输入可以是直流电或交流电。
本系统采用直流电，因为直流电波动比较大，所以要增加电容滤波电路来稳压。
（2）输出电路
输出回路将逆变器变换的交流电作进一步处理，以得到谐波含量较少的交流输出。
该部分电路一般有低通滤波电路组成，当输出侧接有变压器时，也可以利用变压器的电感进行滤波。
（3）控制电路
控制电路的功能是按要求调节并产生一系列控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，从而配合逆变主电路完成逆变功能。
逆变控制电路的形式多种多样，从大的方面讲，有模拟电路和数字电路（包括基于单片机的控制系统）。
图3-2给出了控制系统的结构框图。
图3-3给出了逆变器的数字控制电路基本框图；数字信号输入和模拟信号输入指各种反馈量，以及保护、检测量等信号，单片机检测到各种信号后，根据预先设定的程序或控制策略进行计算，然后通过数模转化输出控制信号，经放大后控制高频电力电子电路来实现DC-AC变换，交流输出经变压器变换后即可得到所需交流电。
输出
反馈电路
AC
AC
DC
图3-2逆变器的数字控制电路基本框图
A/D
图3-3逆变器的数字控制电路具体框架
（4）逆变电路
这部分电路是逆变电源的主体部分，主要由各种开关器件组成，用来实现主要的DC—AC变换。
（5）辅助和保护电路
辅助电路包括控制系统所需的各种电源等电路。
保护电路的主要保护功能包括：
过电压、过电流保护，完善的保护能确保逆变系统稳定、安全和可靠工作地保障。
3.2主电路原理图及工作原理
本系统的主电路为DC-AC逆变电路，输入直流电压供给逆变器，主电路开关器件采用六个IGBT模块和吸收电路来构成三相逆变器主电路。
图3-4系统主电路图
图3-4是逆变主电路，直流输入经开关器件组成的桥式逆变输出三相交流电a、b、c，经变压器隔离变换后得到所需的三相交流A、B、C。
该逆变电路较适用于三相对称负荷场所；但三相不对称而出现中心点漂移后，可以通过增加一个桥臂来进行调整，从而组成了
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