一種基于單片機的交流直接變換器的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及一種基于單片機的交流直接變換器，應用在將一種交流電轉(zhuǎn)換為另一種交流電的領域中。
【背景技術(shù)】
[0002]當市電不能為一些特殊的商業(yè)用戶和工業(yè)用戶提供可靠的電力時，則需要根據(jù)用戶需求設計一種交流直接變換器。交流直接變換器是一個將220V交流市電直接轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧牧硪环N交流電的裝置。
[0003]電力電子變換技術(shù)在過去六十年里取得較大發(fā)展，研究者在交流轉(zhuǎn)直流、直流轉(zhuǎn)直流、直流轉(zhuǎn)交流等中、小功率變換器方面研究取得了顯著成就。然而，對交流直接變換領域的研究相對較少，傳統(tǒng)的做法是采用交流轉(zhuǎn)直流再轉(zhuǎn)交流的間接變換器，其具有成本高、變換級數(shù)多、效率低、拓撲結(jié)構(gòu)復雜、對電網(wǎng)的污染的缺點。目前國內(nèi)外對于交流轉(zhuǎn)交流變換技術(shù)的研究仍處于初級階段，已有的技術(shù)中諸如可控硅變換器、矩陣變換器和交流斬波器等，都有共同的缺陷即交流電網(wǎng)與負載并無電氣隔離，當系統(tǒng)帶非線性負載時，畸變電流將對電網(wǎng)造成污染，電源側(cè)受到干擾時，又會傳遞到負載側(cè)。
[0004]直流轉(zhuǎn)直流的變換拓撲結(jié)構(gòu)主要有:單端正激式、單端反激式以及半橋式和全橋式等。單端反激式僅適用于小功率場合。若要提高單端正激變換器的輸出功率，就必須采用多重單端正激變換主電路，因此大功率的單端正激式變換器體積巨大及內(nèi)部電路復雜程度很高。相比之下，橋式結(jié)構(gòu)更適合大功率場合。全橋結(jié)構(gòu)采用4個橋臂，相當于兩個半橋結(jié)構(gòu)的合并，工作時兩個半橋臂交替導通，其輸出幅值比半橋結(jié)構(gòu)高出一倍?，F(xiàn)有的交流轉(zhuǎn)交流的變換拓撲結(jié)構(gòu)復雜。
[0005]因此提供一種能適用于大功率場合且有電氣隔離的交流直接變換器己成為當務之亟。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型提供一種基于單片機的交流直接變換器，其克服了現(xiàn)有的交流轉(zhuǎn)直流再轉(zhuǎn)交流的間接變換器成本高、變換級數(shù)多、效率低、拓撲結(jié)構(gòu)復雜、對電網(wǎng)的污染、需要考慮交流電的相位問題且交流電網(wǎng)與負載無電氣隔離容易導致電網(wǎng)污染的缺點，具有成本低、變換級數(shù)少、效率高、拓撲結(jié)構(gòu)簡單、無需考慮交流電的相位問題、適用于大功率場合和無電網(wǎng)污染的優(yōu)點。
[0007]本實用新型的技術(shù)方案如下:
[0008]—種基于單片機的交流直接變換器，包括控制系統(tǒng)、驅(qū)動電路和變換主電路；控制系統(tǒng)為采用脈寬調(diào)制技術(shù)的控制系統(tǒng)，其包括相連接的微控制器與閉環(huán)控制電路。
[0009]微控制器包括主控芯片、復位電路、CPU輔助電源和輸入輸出裝置；閉環(huán)控制電路包括反饋電路K2和反饋電路K3 ;變換主電路包括交流斬波器、高頻變壓器、相位恢復器和輸出濾波器。
[0010]輸入輸出裝置與主控芯片連接，用于向主控芯片輸入設定值Uref或I ref，并用于顯示主控芯片輸出的反饋信號If或反饋信號Uf;主控芯片分別與復位電路、CPU輔助電源、反饋電路K2、反饋電路K3、驅(qū)動電路連接，用于接收輸入輸出裝置輸入的設定值Uraf或I ref，將由反饋電路K3獲得的反饋信號Uf與設定值U?f或者將由反饋電路K2獲得的反饋信號I f與設定值1-進行比例積分調(diào)節(jié)運算得到誤差信號Es，產(chǎn)生脈寬調(diào)制控制信號發(fā)送給驅(qū)動電路；驅(qū)動電路與變換主電路的交流斬波器和相位恢復器連接，用于將脈寬調(diào)制控制信號放大后發(fā)送給交流斬波器和相位恢復器。
[0011]反饋電路K2與負載連接，用于采集負載的輸出電流Ιο將其轉(zhuǎn)化為反饋信號If;反饋電路K3與負載連接，用于采集負載的輸出電壓Uo將其轉(zhuǎn)化為反饋信號Uf。
[0012]所述交流斬波器為一個由四個雙向開關(guān)構(gòu)成帶有兩個半橋臂的具有雙向電流流通能力的全橋電路，其中每兩個雙向開關(guān)構(gòu)成一個半橋臂；交流斬波器與高頻變壓器的原邊連接，用于對輸入的交流信號進行高頻斬波，將調(diào)制后的高頻方波送入高頻變壓器原邊；高頻變壓器的副邊與相位恢復器連接，用于輸出高頻斬波信號給相位恢復器；相位恢復器與輸出濾波器連接，用于將高頻變壓器副邊耦合過來的高頻信號進行相位恢復，并傳給輸出濾波器；輸出濾波器與負載連接，用于對相位恢復器發(fā)送的經(jīng)相位恢復后的高頻信號進行高頻成分的濾除以輸出所需要的交流電發(fā)送給負載。
[0013]所述相位恢復器和交流斬波器的結(jié)構(gòu)相同，為一個由四個雙向開關(guān)構(gòu)成帶有兩個半橋臂的全橋電路，其中每兩個雙向開關(guān)構(gòu)成一個半橋臂；交流斬波器和相位恢復器各自的全橋電路中位于不同半橋臂上的一個雙向開關(guān)兩兩為一組，控制系統(tǒng)的主控芯片向交流斬波器和相位恢復器各自的一組雙向開關(guān)發(fā)送同樣的脈寬調(diào)制控制信號，向交流斬波器和相位恢復器各自的另一組雙向開關(guān)發(fā)送同樣但互補的脈寬調(diào)制控制信號。
[0014]控制系統(tǒng)根據(jù)用戶需求選擇工作模式，其微控制器讀取電壓電流設定值Uref、Iref，選擇恒壓或恒流工作模式，通過閉環(huán)控制電路采集變換主電路的輸出電壓Uo或輸出電流Ιο，并反饋給微控制器。微控制器進行信號運算處理，給驅(qū)動電路發(fā)送脈寬調(diào)制(PWM)控制信號，使得變換主電路按正確的邏輯工作，最后輸出所需要的恒壓/恒流交流電。變換主電路的交流斬波器采用具有雙向電流流通能力的全橋橋式結(jié)構(gòu)，其拓撲結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)中變換級數(shù)少且效率高，適用于大功率場合。
[0015]驅(qū)動電路是連接控制系統(tǒng)與變換主電路的樞紐，在放大控制信號驅(qū)動能力的基礎上同時實現(xiàn)弱電與強電的電氣隔離，能夠有效避免強電側(cè)諧波對控制信號干擾，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行?？刂葡到y(tǒng)通過驅(qū)動電路發(fā)送脈寬調(diào)制(PWM)控制信號給變換主電路，驅(qū)動電路將控制信號放大處理，驅(qū)動變換主電路的各個雙向開關(guān)，使得變換主電路按正確的邏輯工作，最后輸出所需要的恒壓/恒流交流電。。
[0016]通過設置與交流斬波器結(jié)構(gòu)相同的相位恢復器，控制系統(tǒng)向交流斬波器和相位恢復器各自的一組雙向開關(guān)發(fā)送同樣的脈寬調(diào)制控制信號，向交流斬波器和相位恢復器各自的另一組雙向開關(guān)發(fā)送同樣但互補的脈寬調(diào)制控制信號，即可實現(xiàn)不需要考慮交流電的相位問題，就可獲得具有恒定電壓或恒定電流的交流電。
[0017]閉環(huán)控制電路還包括反饋電路K1，反饋電路K1分別與變換主電路的交流斬波器和微控制器的主控芯片連接；反饋電路K1采集交流斬波器處的交流母線電流IH，將其轉(zhuǎn)化為電壓信號并得到反饋信號Us，將反饋信號Us輸送給主控芯片；主控芯片將反饋信號Us與誤差信號Es進行比較，產(chǎn)生脈寬調(diào)制控制信號發(fā)送給驅(qū)動電路。
[0018]當系統(tǒng)輸入電壓或者負載突然改變時，交流母線電流IH就立即發(fā)生改變，有電流內(nèi)環(huán)就可快速調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)信號，加快了系統(tǒng)的響應時間，提高控制精度。
[0019]所述每個雙向開關(guān)由兩個反向串聯(lián)的IGBT構(gòu)成。IGBT作為新一代全控制電力電子器件，綜合了 M0SFET高輸入阻抗和GTR低導通壓降的優(yōu)點，具有開關(guān)頻率高、驅(qū)動功率小、控制電路簡單、開關(guān)損耗小、通斷速度快等優(yōu)點，非常適用于直流電壓600V及以上的電路控制系統(tǒng)。采用兩只IGBT反向串聯(lián)構(gòu)成一個雙向開關(guān)，以實現(xiàn)電流雙向流通，其變換效率高，同時IGBT的驅(qū)動信號簡單，系統(tǒng)可靠性強。
[0020]所述控制系統(tǒng)采用單片機C8051F040。單片機C8051F040主要完成兩個任務:1.運行電流型PWM調(diào)制算法；2.協(xié)調(diào)管理各個模塊(包括通信、人機接口等)。C8051F040是Cygnal公司生產(chǎn)的51系列單片機，是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機，其內(nèi)部集成了 1個12位、lOOksps和1個8位、500ksps的ADC模塊，而且都帶有PGA和8通道模擬多路開關(guān)。同時該單片機具有高速的運算能力，峰值速度可達25MIPS，大大縮短數(shù)據(jù)處理時間，其具有快速尚效精確等優(yōu)點。
[0021]控制系統(tǒng)還包括保護電路，保護電路包括軟啟動器、欠壓保護器和溫度保護器，軟啟動器、欠壓保護器和溫度保護器分別與微控制器的主控芯片連接。保護電路用于保障微控制器的安全、穩(wěn)定運行。
[0022]所述輸入輸出裝置為人機界面，使用更加方便、快捷。
[0023]本實用新型相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果如下:
[0024]1.本發(fā)明采用的拓撲結(jié)構(gòu)是根據(jù)直流轉(zhuǎn)直流變換拓撲中的全橋橋式結(jié)構(gòu)進行相應改進，將其有單向電壓阻斷能力的開關(guān)管和二極管換成雙向開關(guān)管，因此衍變成一個具有雙向電流導通能力可用于交流直接變換的全橋橋式結(jié)構(gòu)，將其運用在交流直接變換領域，以適用于大功率場合，克服了現(xiàn)有交流轉(zhuǎn)交流變換技術(shù)的不足；
[0025]2.在控制系統(tǒng)和變換主電路間設置了驅(qū)動電路，即起到了放大控制信號驅(qū)動能力，又同時實現(xiàn)弱電與強電的電氣隔離，克服了目前交流轉(zhuǎn)交流變換技術(shù)諸如可控硅變換器、矩陣變換器和交流斬波器等存在的交流電網(wǎng)與負載并無電氣隔離而導致的電網(wǎng)污染問題缺陷，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；
[0026]3.通過設置與交流斬波器的結(jié)構(gòu)相同的相位恢復器，并向交流斬波器和相位恢復器各自的一組雙向開關(guān)發(fā)送同樣的脈寬調(diào)制控制信號，向交流斬波器和相位恢復器各自的另一組雙向開關(guān)發(fā)送同樣但互補的脈寬調(diào)制控制信號，來實現(xiàn)不需要考慮交流電的相位問題，即可獲得具有恒定電壓或恒定電流的交流電；
[0027]4.通過電流內(nèi)環(huán)反饋電路K1的設置，使得當系統(tǒng)輸入電壓或者負載突然改變時，能快速調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制(PWM)控制信號，加快了系統(tǒng)的響應時間，提高控制精度；
[0028]5.用反向串聯(lián)的IGBT構(gòu)成雙向開關(guān)，綜合了 IGBT開關(guān)頻率高、驅(qū)動功率小、控制電路簡單、開關(guān)損耗小、通斷速度快等的優(yōu)點，提高了系統(tǒng)的性能；
[0029]6.控制系統(tǒng)采用單片機C8051F040，綜合了其快速高效精確等優(yōu)點；
[0030]7.本申請一種基于單片機的交流直接變換器綜合了全橋橋式變換拓撲結(jié)構(gòu)、IGBT以及單片機C8051F040的諸多優(yōu)點，大大提升了其性能，即能適應于大功率場合，又能實現(xiàn)電氣隔離，具有成本低、變換級數(shù)少、具有雙向功率