基于M30624FGAFP控制的三相逆变电源的研制

哈尔滨电气集团阿城继电器有限责任公司 李嘉亮

一、引言

随着电力电子科学技术的发展，逆变器控制技术也越来越受到人们的瞩目。传统逆变器采用外环控制，只能实现输出电压有效值的恒定值控制，不能保证输出电压波形质量，并且在非线性负载条件下，输出谐波含量大且波形严重失真。为实现供电设备稳态精度高，动态响应快的优良性能，现代逆变电源大多采用瞬时值反馈控制，解决了系统动态响应慢的问题。本文以20KVA三相逆变电源为例来说明。

二、原理及硬件

1.主要技术参数

1）输出额定功率：20KVA

2）输出额定电压：380/220V±5%（三相四线）

3）输出额定频率：50±1%Hz

4）波形失真度(THD)：≤3%(非线性负载)

5）动态响应：≤5%（负载变化由空载到满载）

6）负载功率因数：大于0.9

7）过载能力：120%，90秒

8）输出电流峰值系数：3∶1

9）效率：≥80%

10）三相负载不平衡能力：100%

2.主电路结构

图1 逆变电源原理框图

图2 程序流程框图

图3 中心对准PWM波形的生成

如图1所示，系统由三个单相逆变器组成，它们的输出端按星型连接，各自独立控制。

系统中采用二极管桥式整流电路。逆变器开关器件选用三菱公司的智能功率模块IPM，它将功率开关器件IGBT和驱动电路集成在一起，使用时只需提供驱动电源和控制信号即可。IPM还具有过流、过热等故障检测电路，提高了逆变器的运行可靠性。系统的基本工作原理是：交流电经过整流滤波后，供给逆变桥。IPM在由单片机产生的驱动信号控制下，将直流电根据SPWM原理逆变成50Hz的交流电，同时使三个单相逆变器的输出电压相位差保持在120°，形成三相四线制交流电源，经滤波后供给负载。单片机对输出电压进行闭环控制，使输出电压和频率稳定在给定值。

3.控制电路的组成

控制系统主要由单片机M30624FGAFP、信号采样及处理电路、显示回路、RS485通

讯接口及Gsm Modem组成。

M30624FGAGP是三菱公司推出的一款高性能16位单片机，该款单片机融合了基于寄存器型和基于存储器型两种结构的优点，从而能够实现类似RISC的高速处理性能。它具有超低功耗、极强的抗干扰能力和很高的C语言编程效率等特点，片内集成了10位A/D转换器、DMA控制器、异步通信通道、定时器等丰富的周边功能电路模块，内部还有20K的RAM，256K的Flash等，可做到总线不出芯片，具有极高的稳定性和极强的抗干扰性。而且通过对定时器A1、A2、A4和B2的联合使用，可方便的获得三相SPWM驱动信号波形。

在装置内部安装了Gsm Modem，它通过串行通讯接口与单片机交换信息，可及时的将系统的运行信息以手机短信的形式传递。由于GSM网络基本复盖全国，且传输稳定可靠，可随时获得运行信息。

4.保护功能

1)输出过载保护：负载功率超过105%小于120%额定功率时，90秒钟延时后将关断输出，需关机才能复位。

2)输出短路保护：输出短路或负载功率超过120%时，逆变电源输出将立即自动关闭，需关机才能复位。

3)输入欠压告警：输入交流电压较低，导致整流后的电压低于180VDC时，装置的欠压指示灯亮。

三、软件设计

软件设计是整个逆变控制的核心，它决定着逆变器的输出特性。图2示出系统程序流程框图。

在主程序中，完成对输出电压、电流的采样及三相电压的相位控制，通过PI调节器来调整输出电压，完成显示及与Gsm Modem通讯并控制其收发短信息的功能。

在TB2定时器中断程序中，首先对逆变电流进行采样，并判断该电流或电流上升率是否超过限值，若超过则关闭SPWM脉冲，否则允许SPWM脉冲输出，查表取脉冲正弦值，计算脉冲宽度，给TA1、TA2、TA4定时器赋值。

在工作过程中，单片机不断地处理检测反馈回来的信号，调整SPWM控制信号和控制系统的输出状态，以满足系统的性能要求。为提高抗冲击性负荷的能力，对逆变电流进行实时检测，实现逐个脉冲限制，有效的提高了其抗冲击性负荷的能力。

建立标准正弦波半个周波的数据表格（0～180°），每隔1.8°左右一个数据，共96个数据（载波频率9.6KHz）。负半周可重复采用该表格，即一个周波（0～360°）的正弦波数据表格共有192个数据。利用查表法求得每一时刻的脉冲宽度。

利用M30624FCAFP的三相马达控制功能，通过控制定时器A1、A2、A4和定时器B2，产生三相正弦脉宽调制(SPWM)波形。

令M30624FCAFP的三相PWM控制寄存器（INVC0）工作在三角波调制方式，则SPWM波形占空比的瞬态值用下面的公式计算：

U_PHASE=WGCP_REF±(M*SIN_VALUE)/156

其中：

WGCP_REF-相中间点对应的占空比值；

M-调制深度系数；取值范围1～0FFH；

SIN_VALUE-正弦函数数据表对应的数据，取值范围0～0FFH。0～180°范围内等

式左边取“＋”号，180～360°范围内等式左边取“－”号。

三角波调制方式波形的形成示意图如图3所示。

四、结论

介绍了基于单片机控制的三相全桥逆变器的原理及系统流程。整个系统硬件设计简单，可靠性高，软件调节控制反馈是系统核心，通过精确的调节能使系统更稳定可靠运行。适用于很多场合，今后在电力电子市场上会得到广泛的应用。

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