基于单片机的双输入 DC／AC变换器

2014年第1期工业仪表与自动化装置17基于单片机的双输入DCAC变换器陈荣，张加胜，敖志勇中国石油大学华东信息与控制工程学院，山东青岛266580摘要提出了一种基于BUCK电路的DCAC变换器结构，并介绍了其工作原理。变换器采用双BUCK电路为主电路，双电源供电，DSPIC30F4011单片机为控制器。应用PSIM软件对其进行仿真，列出了仿真参数，给出了负载电压，以及调制给定电压和变换器输出电压的仿真结果。同时构建了相应的实验电路，给出了主要的技术参数，测取了多个电压的相关波形。实验结果表明基于BUCK电路的DCAC变换器可以实现工频逆变输出。关键词变换器；双输入；SPWM中图分类号TM464文献标志码A文章编号10000682201401001703DUA1INPUTDCACCONVETERBASEDONMCUCHENRONG，ZHANGJIASHENG，AOZHIYONGCHINAUNIVERSITYOFPETROLEUMHUADONG，SHANDONGQINGDAO266580，CHINAABSTRACTADCACCONVERTERBASEDONBUCKCONVEERISPRESENTEDANDTHECONVEYERSWORKINGPRINCIPLEISTAKENTHEMAINCIRCUITUSESDUALBUCKCONVEER，DUALPOWERSUPPLYANDDSPIC30F4011MCUASCONTROLLERTHECONVERTERISSIMULATEDINTHEPSIMSOFTWARETHEPARAMETERSADOPTEDINTHEREALISTICSIMULATION，WAVEFORMSSUCHASVOLTAGEOFMODULATIONREFERENCEANDLOADWEREGIVEN，ANDASETOFLABORATORIALCIRCUITWASBUILTTHEPARAMETERSOFEXPERIMENTATIONANDTHEMEASUREDWAVEFORMSOFSOMEINTERRELATEDVOLTAGEARESHOWNITISPROVEDTHATADOPTINGTHEDCACCONVETERBASEDONBUCKCIRCUITCANACHIEVEALINEEQUENCYAS50HZKEYWORDSCONVERTER；DUA1INPUT；SPWM0引言DCAC变换器是一种利用电力电子器件，借助于电力电子功能电路，将直流电能转换成满足负载供电要求交流电静止式变流装置，可广泛应用于风力、太阳能发电并网I2J。目前，人们特别关注可再生新能源的分布式发电技术。利用DCAC变换器可将蓄电池、太阳能电池、风力发电装置和燃料电池等新能源转化的电能变换成交流电能与电网并网发电，因此DCAC变换技术在新能源的开发和利用中起到关键作用J。传统电压型逆变器多采用PWM调制直接实现DCAC变换，它具有以下缺陷电压波形存在电压突变，对器件和负载的耐电压突变能力要求较高且逆变器工作效率随着输出功率的收稿日期20130529基金项目中央高校基本科研业务费专项资金13CX06090A作者简介陈荣1976，男，山东垦利人，博士生，讲师，主要研究方向为电力电子与电力传动。减少而明显下降。为了减小电压突变对开关器件及负载的冲击和提高系统的工作效率，文中提出了一种基于双BUCK电路。，由DSPIC3OF4011控制的双输入单输出降压型DCAC变换器。该变换器双BUCK电路输出反相并联，采用单片机控制，具有电路设计简洁、转换效率高、控制简单、工作可靠等特点。通过PSIM仿真及样机的测试，验证了该方案的可行性。2主电路拓扑及基本工作原理图1所示为双BUCKDCAC变换器电路拓扑。电路由2个BUCK电路组成，正组、反组两路输出反向并联，采用双电源供电。图1中由S1、D、G、】和S构成的BUCK电路为正组，是一个单向DCDC变换器，提供正向交流电压。由SD、C、和S构成的BUCK电路为反组，也是一个单向DCDC变换器，提供反向交流电压。图2为双BUCKDCAC变换器工作象限分18工业仪表与自动化装置2014年第1期布图。D图1双BUCKDCAC变换器电路拓扑IIVII图2双BUCKDCAC变换器工作象限分布图第1象限正组工作，反组不工作，“0，I。0；单向开关S按照SPWM规律调制，S常通，S与S驱动信号互补；S、ST截止。此时电路包含两种工作模式工作模式I单向开关S导通，流过电感的电流线性上升，开关S选通。正组向输出电容C和负载供电。工作模式单向开关S关断，流过电感的电流通过D续流，开关S选通。输出电容C向负载供电。第象限正组工作，反组不工作，U。0，I。0；此时开关S反并联二极管D工作，负载电流续流。由以上分析可知，为了实现DCAC转换器功能，需要S。S与S，S搭配使用。当需要输出电压的正向部分时，开关器件S常通，开关器件S起到调节输出电压的功能。同样，当需要输出电压的反向部分时，开关器件S常通，开关器件S起到调节输出电压的功能。由于BUCK电路的输出电压与占空比成正比，用做DCAC变换时可通过按照SPWM规律调节占空比实现。2控制系统设计21控制系统结构与主要硬件设计双BUCKDCAC变换器包括一个由2个BUCK电路组成的主电路、控制电路和驱动电路等，见图3。图3双BUCKDCAC变换器系统控制结构图主控芯片采用DSPIC30F4011，是专为控制应用设计的一款单片机芯片，具有最大40MHZ的时钟频率，内部集成DSP引擎，支持双数据读取，支持4通道AD同步采样，自带PWM输出功能。驱动电路采用PC923，双电源供电，工作稳定性好。22控制系统软件设计系统在工作时，首先对给定信号和输出反馈信号进行AD转换，通过增量式数字PI算法调节占空比的大小，产生PWM控制信号，并与给定电压过零信号配合，控制输出端电压。3仿真结果采用PSIM软件对系统进行仿真，电压闭环PI控制，调制波由控制信号和三角载波调制而成。仿真参数三角载波频率为L536KHZ；输入电压100V，输出电压6OV，调制参考波为5OHZ正弦波，L1L210I,ZH，C1C220F，负载电阻RL2Q，负载电感L2MH。图4为系统仿真波形。图4A中自上至下依次为正组工作时、和反组工作时、驱动信号波形，、控制信号互补，保证正组和反组的可靠工作。图4B为给定电压EF与输出电压“。波形；图4C为输出电压1,与负载电流I波形。可见输出电压波形可以很好地跟踪正弦给定信号。2014年第1期工业仪表与自动化装置19AV1一驱动信号波形B输入、输出电压波形C输出电压和负载电流波形图4仿真波形4实验结果实验样机主要元件选型和参数如下和根据输入电压为100V的条件，采用型号为IRF740的MOSFET与快恢复二极管MUR81OOE串联组合；和采用MOSFET，型号为IRF740。输入电压均为100V，BUCK电路储能电感L和2为12H，滤波电容C、C为22F，负载电阻12Q，负载电感18MH。实验波形如图5所示。图5A为开关器件控制脉冲，其中和控制信号互补，从而实现正组、反组分别工作；图5B为输出信号U与给定参考信号UREF波形；图5C为输出电压。和负载电流IO波形。可见，实验波形与前面的仿真结果完全一致，输出实时跟踪给定信号，电流续流效果良好。幽妇捂I一IIL11I一_IRLIELLILT酬IRM一LI1一AV1一驱动信号波形TREFB给定和输出电压波形“FDL4出T_二F5结束语C输出电压、负载电流波形图5实验波形为了克服传统逆变器的缺陷，提出了一种基于单片机控制的双BUCKDCAC变换器设计方案，双直流电源供电，单交流电源输出。仿真和实验分析验证了基于双BUCK电路的DCAC变换器方案的可行性，整个电路结构和控制方案简单易行，输出电压接近正弦波，该变换器在新能源发电和柔性交流输电系统领域有一定的应用价值。参考文献1陈道炼DCAC逆变技术及其应用M北京机械工业出版社，20032张友军DCAC逆变器技术及其应用综述J电气开关，2004，32618223钱照明，张军明，吕征宇我国电力电子与电力传动面临的机遇与挑战J电工技术学报