《电子技术应用》

基于DSP2812的单相EPS的研制

2016年电子技术应用第6期 作者:杨 军,李晓宁,李均龙,张文睿
2016/9/6 14:07:00

杨  军,李晓宁,李均龙,张文睿

(电子科技大学,四川 成都611731)


    摘  要: 应急电源是电网供电异常时,向用户提供暂时电力供应的独立装置。为了克服常规单级逆变电路需要的电池数量太多,不宜维护的缺点,采用逆变器Boost-逆变两级电路,并基于DSP2812设计了一个3.6 kW的单相应急电源EPS,主要研究了逆变系统各重要元件参数的选取方法以及逆变系统的控制方法,最后进行了测试和分析,证明了该系统的可行性。

    关键词: 应急照明电源;逆变系统;DSP

    中图分类号: TP29

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.037


    中文引用格式: 杨军,李晓宁,李均龙,等. 基于DSP2812的单相EPS的研制[J].电子技术应用,2016,42(6):136-138.

    英文引用格式: Yang Jun,Li Xiaoning,Li Junlong,et al. Development of single phase EPS based on DSP2812[J].Application of Electronic Technique,2016,42(6):136-138.

0 引言

    随着经济的发展,社会对供电的依赖越来越大,尤其是一些重要的公共建筑,一旦中断供电,将造成重大的社会影响和经济损失。因此,应急电源作为独立于电网之外的备用电源,被广泛应用于各种建筑工程之中[1-3],如火灾应急照明、隧道应急照明和监控等,其作用是在事故发生的情况下确保提供所需的应急电力,为人们生产和生活安全提供保障。

    应急电源是与电网在电气上独立的各种电源,目前应用较多的是柴油发电机和蓄电池。其中蓄电池有允许短时电源中断的应急电源装置(Emergency  Power Supply,EPS)和不间断电源装置(Uninterrup- table Power Supply,UPS)两种。

    与柴油发电机和UPS相比,EPS具有管理智能化、使用寿命长、过载能力强、保护功能完善、无排气、无噪声等优势[1]。随着数字信号处理器(DSP)、高速单片机和智能功率模块(IPM)的出现,EPS的数字控制技术也得以成为现实[2]。本文基于DSP2812设计了一个3.6 kW的应急照明电源,详细介绍了系统核心软硬件的设计,测试效果良好。

1 系统总体结构设计

    本文设计的应急电源是单相型的,逆变器输出的是单相交流电,中心控制处理电路是以DSP2812[6]为核心的控制系统,系统结构如图1所示。

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    DSP2812是美国TI公司推出的定点32位DSP芯片,其内部集成有PWM模块,适合用于电力电子、工业控制、电机控制等,用途广泛。DSP2812较低的供电电压大大地降低了系统功耗,给电源设计带来更高的可靠性[3]

    系统包括充电器、逆变器、切换开关、检测电路、蓄电池、触摸屏显示监控和主控制板等。其中逆变器和充电器是整个系统的核心。充电器的作用在蓄电池欠压时恢复蓄电池的容量,逆变器的功能是将直流电转换为交流电,提供持续稳定的输出,切换开关的主要作用是确保电网供电和逆变器供电能够在适当的条件下完成切换。主控板的作用对整个系统进行实时监测,在触摸屏上显示系统的各项参数和运行状态,并在系统故障时发出报警信号。

2 EPS逆变电路的设计

    逆变系统是EPS的核心,其性能直接影响整个系统能否正常运行,其主要功能是完成交直流点的转换,本系统采用蓄电池作为电源,也就是将来自蓄电池的直流电转换为交流电提供给负载。逆变器输出的交流电必须满足设计要求,即频率稳定在50 Hz左右,输出电压稳定,受负载影响小,正弦波的畸变因素THD小于特定值。

2.1 逆变电路的硬件设计

2.1.1 逆变主电路设计

    为了减小电源的体积,主电路采用Boost-逆变两级电路,电路前级通过Boost电路将蓄电池组的电压升高,可以减少蓄电池数量,让系统轻量化并降低成本,后级为电压式单相全桥逆变电路[4],如图2所示。控制电路对4个功率管T1,T2,T3和T4的通断时间进行控制,使其处于交替导通状态,将360 V直流母线电转换成幅值相等(360 V)而脉冲宽度不断变化的SPWM波电压,再通过LC低通滤波器后输出220 V的正弦交流电压。

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    电源由10节蓄电池串联起来,电压为120 V,而直流母线的电压为360 V,所以逆变电路开关管集电极和发射极之间的电压Vce为:

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    根据电路上的电压等级,逆变电路选择的IGBT型号为富士公司的电压电流等级为600 V/100 A的2MBI-100VA-060-50。Boost电路所选用的IGBT型号为英飞凌公司的电压电流等级为600 V/80 A的IKW75N60T。升压电路是非隔离型电路,可能从蓄电池端引入脉动,为了进一步平滑直流输出电压中脉动电压的幅值,取电解电容为2 000 μF,由两个1 000 μF/450 V的电解电容并联而成。为了消除噪声对电路的干扰,在电解电容上并联一个0.47 μF的无极性电容C2,用来吸收高频噪声,起到高频旁路的作用[5]

2.1.2 缓冲电路的设计[6]dy2-t3.gif

    为了达到保护IGBT的目的,在逆变电路中加入了RCD缓冲电路。如图3所示,图中Lm为主电路中总的杂散电感,Ls为缓冲电路中的杂散电感,Cs,Rs,Ds分别为吸收电容,吸收电阻和吸收二极管。

    电阻R上的功率为:

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    式中,Vce为最大的集电极-发射极电压,Cs为缓冲电容,f为电路的工作频率。在本文所用的电路中,Vce为600 V,f为20 kHz。为了减少电路中消耗的功率,一般要求PR≤120 W,即:

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2.2 逆变电路的控制软件设计

    应急电源逆变器在电网断电时工作。蓄电池的直流电压随着时间变长而逐渐降低,同时负载端也会出现变化,从而影响到逆变器输出电压的稳定,因此需要设计电压负反馈闭环来稳定输出电压。通过采集输出电压的有效值,与设定值进行比较决定PI控制参数,然后输入到控制器,对Boost电路PWM波形的占空比进行调整,从而达到调整输出电压的目的,其控制结构框图如图4所示。

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    系统将逆变器输出端的交流电压通过采样和调理电路反馈给DSP,然后DSP通过PI算法来改变SWPM波的调制度,进而稳定逆变电路的输出电压[7-9]。逆变程序的流程图如图5所示。

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3 系统测试与分析

    在上述工作基础上,最终搭建了3.6 kW的EPS系统样机。

    蓄电池组的电压为120 V,而逆变器需要的输入电压是360 V。因此需要通过Boost电路将蓄电池电压升高,从而使逆变器可以输出220 V电压。Boost电路输出直流电波和驱动电路波形如图6所示。

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    由图可见,Boost电路输出的直流电压比较稳定,波动小,而Boost电路的驱动波形比较稳定,负压有较大幅值能确保IGBT的关断,负压部分虽有细微波动,但不影响对IGBT的驱动,达到负荷设计要求。

    本文设计的逆变电路通过SPWM波进行控制,可以将360 V的直流电压转换成220 V的交流电压。其驱动波形和输出波形如图7所示。

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    如图7所示,在空载状态下,IGBT的驱动波形良好;当负载满载时,在驱动波形上升沿有一个台阶和尖峰。这个尖峰来自IGBT的米勒效应,电路已经将其控制在可以接受的范围内,满载时的驱动波形工作状态良好。而最后逆变器输出的正弦波形良好,达到了预期的要求。

4 总结

    本文对单相EPS进行了设计,确定了EPS逆变器主电路的拓扑,即Boost-逆变两级电路。这种电路结构可以克服常规单级逆变电路需要的电池数量太多,不宜维护的缺点,比较适合中小功率的EPS系统使用。并且对电路设计过程中主要元器件的选型和参数设计进行了详细说明。最终实现了3.6 kW的逆变器的制作和调试,测试效果良好。

参考文献

[1] 吴雷.在线监测式EPS应急电源系统的研制[D].上海:上海交通大学,2006:2.

[2] 易龙强.数字化UPS/EPS系统控制关键技术及其应用研究[D].长沙:湖南大学,2006:5-12.

[3] 贾昊,张春光,樊丽萍.基于DSP2812的电源可靠性的硬件设计[J].通信电源技术,2005,22(5):41-44.

[4] 刘凤君.现代高频开关电源技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2008.

[5] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004.

[6] 曲振江,左树萍,付媛媛.RDC缓冲电路的技术分析[J].高电压技术,2007(5):176-179.

[7] 袁莉,张利钦,史源平,等.DSP TMS320F2812在逆变电源中的应用[J].北华航天工业学院学报,2014,24(5):12-15.

[8] JUNG S L,TZOU Y Y.Discrete sliding-mode control of a PWM inverter for sinusoidal output waveform synthesis with optimal sliding curve[J].IEEE Trans on Power Electronics.1996(11):567-577.

[9] YU T Y,HSUN H L.SHYANG O R.Fuzzy control of a closed-loop regulated PWM inverter under large load variations[C].Industrial Electronics,Control,and Instrumentation,1993.Proceedings of the IECON′93.international Conference.15-19 Nov.1993:267-272.

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