一種三邏輯正弦脈寬調製整流器的製作方法

2023-08-03 00:38:01 1

專利名稱：一種三邏輯正弦脈寬調製整流器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電流型P麗(pulse Width Modulated,脈寬調製，下同)整流技術領域， 採用DSP(Digtal Signal Processor,數位訊號處理器，下同)編程和PWM斬控技術，解決 網側功率因數低、消除網側電流的各次諧波，達到網側電流的正弦化，提高系統的功率因數。
背景技術：
在傳統的電源製作中，如感應加熱電源，採用的基本上都是三相全控橋式整流電路，它 具有主電路結構簡單、控制方便、晶閘管價格便宜等優點。但是，在倡導產業綠色化的現代, 它的缺點也暴露無遺它會產生很大的電力汙染，即引起網側電流畸變，產生大量的諧波， 降低系統的功率因數。同時，傳統整流電路還會在換流過程中引起電壓畸變。而相控整流電 路是一個時滯環節，它會導致相控整流電路無法實現快速調節。針對電網的諧波抑制，目前 採用的主要方法是裝設無源濾波器和有源電力濾波器，其中無源濾波器既能補償諧波，又能 補償無功功率，結構簡單、可靠性高；有源電力濾波器相當於一個諧波發生器，用於產生和 電網諧波等大反向的諧波以抵消電網中的諧波。針對無功功率補償，目前主要採用的是並聯 電容器，但不足之處就是只能補償固定的無功功率，而且在系統中有諧波的情況下還很有可 能發生並聯諧振。本實用新型的整流技術正是解決電壓電流畸變、功率因數低等問題的關鍵 環節。
發明內容
本實用新型的目的就在於開發一種新型的整流技術，使其不產生諧波，功率因數為l或 可調，從而解決電力電子裝置中常見的諧波和無功功率問題。
一種三邏輯正弦脈寬調製整流器，主要由脈衝信號發生器、主電路、信號放大隔離電路、 輔助電源電路構成，其特徵在於脈衝信號由數位訊號處理器產生，實現了三相二邏輯的產生 以及二邏輯向三邏輯的轉變；並通過硬體電路將三相三邏輯信號轉變為六電平驅動，通過驅
3動電路用於三相電流型脈寬調製中半導體邏輯器件的驅動信號，網側電壓通過工頻變壓器接 過零檢測電路，原邊接網側電壓，副邊經兩個整流鉗位二極體接到運放的輸入端，並在網側 裝設電感電容濾波器，電壓過零點的信息輸入數位訊號處理器，產生的六路驅動信號經過芯 片功率放大後，再通過限流電阻和集隔離與驅動功能於一體的電氣隔離電路連接，驅動電路 通過六路驅動信號控制六個開關管的通斷來驅動主電路，而電路中各個晶片所需電源都由電 源電路提供。
首先由DSP實現二邏輯的輸出在三相電壓型SPWM(Sinusoidal pulse Width Modulation, 正弦脈寬調製，下同)整流器中，將三個互差12(T的調製波與相同的三角載波相交產生三相 二邏輯開關函數。然後將以上產生的二值邏輯的PWM信號變換成適合電流型PWM變流器的三 邏輯信號，即三相電壓型P麗整流器的線電壓信號。再由三邏輯輸出進一步處理得到門極驅 動信號在DSP內部先存入一個正弦表，正弦表的初相位為0，表的數據個數等於頻率調製 比， 一般設為6的倍數，本實用新型中設為84個，同理也可以存入b相和c相的正弦表，它 們的相位分別滯後和超前a相120度，這樣就可以得到三相對稱的調製信號，然後根據電網 電壓過零點的信號來讀正弦表表頭，就可以得到與電網電壓同步的信號。
其中TMS320LF2407的事件管理模塊(Event-Manager Module)的PWM輸出功能能產生二 邏輯SP麗信號，所以利用事件管理模塊A全比較單元的CMPR1 (PWM1) 、 CMPR2 (PWM3) 、 CMPR3 (PWM5)來分別產生電壓型逆變器二邏輯SPWM的電平信號，利用捕獲單元的CAP1(PWM7)、 CAP2(PWM8)、 CAP3(P麗9)來捕獲P麗1、 PWM3、 PWM5輸出信號的上升沿和下降沿，進入捕獲中 斷子程序，然後將捕獲口設為基本的I/O 口功能，並設為輸入方式，將CMPR1 (PWM1)、 CMPR2 (P麗3)、 CMPR3 (P麗5)埠的電平信號讀入DSP，然後根據當前所對應的扇區，就可以確定 電流型P麗逆變器的六個開關管的驅動信號。所有的比較單元選擇定時器Tl為時基以實現同 步。程序中用T1的周期中斷功能，每0.24mS產生一個中斷，然後對相應的周期寄存器賦相 應的值。所用TMS320LF2407A的CPU時鐘頻率為40MHz， T1PR的計數設定值為0X1298。
在主程序中還設置了定時器中斷和捕獲中斷，定時器中斷子程序起到判斷過零點和將主 程序中計算的PWM佔空比送入比較器，以確定下一開關周期內PWM的作用。輸出口輸出電壓 型逆變器二邏輯SP麗信號，而捕獲中斷子程序主要是根據PWM 口的電平信號和當前扇區的信 息來確定6個開關的驅動信號。主程序控制流程圖、定時器中斷子程序流程圖、捕獲中斷子 程序流程圖見附圖l-3。
4但驅動信號還不能直接驅動開關管，必須先經過硬體電路處理。
本實用新型硬體電路概貌如附圖4，主要由主電路，電壓過零檢測電路，功率放大電路， 電氣隔離電路，輔助電源電路構成。本實用新型的思想是首先在網側端進行電壓過零檢測， 把電壓過零點的信息輸入DSP, DSP產生六路驅動信號經過後續電路功率放大和電氣隔離後驅 動開關管，而電路中各個晶片所需電源都由電源電路提供。
主電路是三相橋式整流電路，用GBAT GBBT GBCT GBAB GBBB GBCB 6路從DSP出 來的信號控制6個開關管的通斷，從而把交流電整成直流電。
過零檢測電路的目的是使電流跟隨電壓變化，不產生諧波也不消耗無功功率。如附圖6 所示，通過工頻變壓器，原邊接網側電壓，副邊得到15V的電壓信號經過兩個IN4007的整流 鉗位二極體，接到運放的輸入端，運放輸出方波的上升沿即為正弦電壓的過零點。
功率放大電路如附圖7所示，其最主要的部分是晶片74HC245。它可以對信號進行功率 放大，使信號具有較強的驅動能力。圖中發光二極體的作用是檢測驅動信號是否正常。信號 放大之後送入電氣隔離電路。
電氣隔離電路把控制電路和主電路隔離，使得電路具備更大的安全性能。本實用新型採 用的是光耦隔離的方法，技術的關鍵部分是附圖8所示的電路。它集隔離與驅動功能於一體， 使用TLP250時應在引腳5與8之間接一個0. luF的陶瓷電容，以穩定電壓，片內發光二極體
的工作電流Ip為7-10mA。
硬體電路中各晶片和DSP所需的電源電壓均由輔助電源供電。輔助電源電路拓撲結構見 附圖9_11，分別產生15V， 5V， 3.3V電壓，供給驅動電路和DSP。
本實用新型的效果和益處是電流型整流電路與傳統的晶閘管組成的相控整流電路相比， 除了具備能量回饋、四象限運行的優點之外，還有更優越的性能。首先，晶閘管相控整流電 路是通過控制移相角來調節輸出功率的，當移相角為正值時，網側電流和電壓會產生一個相 位差，尤其是在深控狀態下，這個相位差會很大，極大地降低了網側的功率因數。而電流型PWM技術，採用的是PWM斬控技術，不存在移相角的問題，可以達到網側電流電壓同相；同 時，它按照一定的調製方法並在網側裝設LC濾波器，可以消除網側電流的各次諧波，達到網 側電流的正弦化，提高系統的功率因數的目的。並且，電流型PWM整流器採用的是場效應管 和絕緣柵雙極型電晶體等電力電子半導體器件，它們具有快速關斷的能力，因此可以實現電 壓輸出的快速調節。本實用新型的整流方法相對於傳統整流方法來說也是非常節約電能的。
正如以上所敘述的，由於電流型PWM整流器能真正達到"綠色"變流器的目的，從而受 到了國內外學者的廣泛關注。而電流型PWM技術的核心，即最關鍵的技術部分就是三邏輯PWM 信號的產生。而目前DSP晶片的內部功能只是針對電壓型PWM變流器的二邏輯信號，無法直 接產生三邏輯信號。已有的方法釆用在直流側並聯開關管的方法解決這一問題，會使主電路 結構變得複雜。本實用新型就是建立於此基礎之上，致力於研究電流型PWM變流器的三邏輯 信號發生裝置，進一步應用於三相電流型P畫整流電路。通過DSP內部功能產生二邏輯SPWM 信號，然後進一步產生和分配適合電流型PWM變流器的三邏輯信號，配製合適的驅動電路， 驅動絕緣柵雙極型電晶體和串聯二極體組成的三相六開關電流型主電路，為電流型PWM變流 器的進一步研究奠定良好的基礎。三邏輯PWM信號的高效產出將大大促進電流型PWM整流器 的應用，具有很大的發展空間，其社會效益和經濟效益也是十分可觀的。


圖1是DSP主程序控制流程圖。
圖2是定時器中斷子程序流程圖。
圖3是捕獲中斷子程序流程圖。
圖4是實驗電路結構概貌圖。
圖5是實驗主電路的電路圖。
圖6是過零檢測電路的電路圖。
圖7是驅動電路的電路圖。圖8是光耦隔離電路的電路圖。 圖9是產生+15V直流電源電路的電路圖。 圖10是產生+5V直流電源電路的電路圖。 圖11是產生+3. 3V直流電源電路的電路圖。
具體實施方式

電流型P麗技術的核心部分就是三邏輯PWM信號的產生。其產生過程如下首先通過DSP 內部功能產生二邏輯SPWM信號，再由DSP編程實現二邏輯向三邏輯的轉換，這樣可以使得二 邏輯的SPWM信號變換成適合電流型PWM變流器的三邏輯信號，再進一步處理成六電平的門極 驅動信號。在三相電壓型SP麗整流器中，將三個互差120。的調製波與相同的三角載波相交 即可產生三相二邏輯開關函數。然後將以上產生的二值邏輯的PWM信號變換成適合電流型PWM 變流器的三邏輯信號，就相位關係而言，三邏輯SPWM輸出就是三相電壓型PWM整流器的線電 壓信號。在DSP內部先存入a相、b相、c相的正弦表，即可得到三相對稱的調製信號。利用 TMS320LF2407事件管理模塊A全比較單元的CMPR1、 CMPR2、 CMPR3分別產生電壓型逆變器 二邏輯SP麗的電平信號，利用捕獲單元的CAP1 、 CAP2、 CAP3來捕獲比較單元輸出信號的上 升沿和下降沿，進入捕獲中斷子程序，然後將捕獲口設為基本的I/O 口功能，並設為輸入方 式，將CMPR1、 CMPR2、 CMPR3埠的電平信號讀入DSP，然後根據當前所對應的扇區，査表 確定六個開關管的驅動信號。網側電壓通過工頻變壓器接過零檢測電路，原邊接網側電壓， 副邊經兩個整流鉗位二極體接到運放的輸入端。然後根據電網電壓過零點的信號來讀正弦表 表頭，就可以得到與電網電壓同步的信號。再將六路門極信號分別加到絕緣柵雙極型電晶體 和串聯二極體組成的三相六開關電流型主電路，從而實現對主電路開關的控制。但由於原始 產生的開關信號比較微弱，還不足以驅動主電路，需要經過一個功率放大的過程，這部分由 晶片74HC245實現功率放大，發光二極體可以檢測驅動信號是否正常。產生的六路驅動信號 經功率放大後，即具有較強的i動能力。再通過限流電阻和集隔離與驅動功能於一體的電氣 隔離電路連接，電氣隔離電路採用的是光耦隔離。經過功率放大的信號再經過隔離電路後就 可以得到能直接加到開關管上的驅動信號，驅動電路是通過六路驅動信號控制六個開關管的 通斷來驅動主電路的。最後一個部分就是模塊化設計各種直流穩壓電源電路，實現對以上用 到的各種晶片進行供電支持，使得各個部分能夠進行正常工作。如附圖9-ll所示，15V、 5V直流電源採用晶片7815、 7805， 3.3V直流電源採用晶片W117，分別供給驅動電路和DSP。
上述詳細說明為針對本實用新型的一種較佳的可行實施例說明而已，惟該實施例並非用 以限定本實用新型的申請範圍，凡其它未脫離本實用新型所揭示的技藝精神下所完成的均等 變化與修飾變更，均應包含於本實用新型所涵蓋的專利範圍中。
權利要求1. 一種三邏輯正弦脈寬調製整流器，主要由脈衝信號發生器、主電路、信號放大隔離電路、輔助電源電路構成，其特徵在於脈衝信號由數位訊號處理器產生，實現了三相二邏輯的產生以及二邏輯向三邏輯的轉變；並通過硬體電路將三相三邏輯信號轉變為六電平驅動，通過驅動電路用於三相電流型脈寬調製中半導體邏輯器件的驅動信號，網側電壓通過工頻變壓器接過零檢測電路，原邊接網側電壓，副邊經兩個整流鉗位二極體接到運放的輸入端，並在網側裝設電感電容濾波器，電壓過零點的信息輸入數位訊號處理器，產生的六路驅動信號經過晶片功率放大後，再通過限流電阻和集隔離與驅動功能於一體的電氣隔離電路連接，驅動電路通過六路驅動信號控制六個開關管的通斷來驅動主電路，而電路中各個晶片所需電源都由電源電路提供。
專利摘要一種具備功率因數高、無高次諧波特點的三邏輯正弦脈寬調製整流器。它是在一塊電路板上由主電路，電壓過零檢測電路，功率放大電路，電氣隔離電路，輔助電源電路組合構成的。首先在網側端進行電壓過零檢測，把電壓過零點的信息輸入DSP，DSP產生六路驅動信號經過後續電路功率放大和電氣隔離後驅動開關管，而電路中各個晶片所需電源都由電源電路提供。它與傳統的晶閘管組成的相控整流電路相比，除了具備能量回饋、四象限運行的優點之外，還有更優越的性能。它可以消除網側電流的各次諧波，達到網側電流的正弦化，提高系統的功率因數。並且，電流型PWM整流器採用的是場效應管和絕緣柵雙極型電晶體等電力電子半導體器件，它們具有快速關斷的能力，因此可以實現電壓輸出的快速調節。相對於傳統整流方法來說也是非常節約電能的。
文檔編號H02M5/00GK201315549SQ20082013570
公開日2009年9月23日 申請日期2008年10月7日 優先權日2008年10月7日
發明者傑 李, 柏德勝, 程英俊 申請人:柏德勝;程英俊;李 傑