專利名稱：一種三邏輯正弦脈寬調(diào)制整流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電流型P麗(pulse Width Modulated,脈寬調(diào)制，下同)整流技術(shù)領(lǐng)域， 采用DSP(Digtal Signal Processor,數(shù)字信號(hào)處理器，下同)編程和PWM斬控技術(shù)，解決 網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低、消除網(wǎng)側(cè)電流的各次諧波，達(dá)到網(wǎng)側(cè)電流的正弦化，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的電源制作中，如感應(yīng)加熱電源，采用的基本上都是三相全控橋式整流電路，它 具有主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、晶閘管價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。但是，在倡導(dǎo)產(chǎn)業(yè)綠色化的現(xiàn)代, 它的缺點(diǎn)也暴露無(wú)遺它會(huì)產(chǎn)生很大的電力污染，即引起網(wǎng)側(cè)電流畸變，產(chǎn)生大量的諧波， 降低系統(tǒng)的功率因數(shù)。同時(shí)，傳統(tǒng)整流電路還會(huì)在換流過(guò)程中引起電壓畸變。而相控整流電 路是一個(gè)時(shí)滯環(huán)節(jié)，它會(huì)導(dǎo)致相控整流電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。針對(duì)電網(wǎng)的諧波抑制，目前 采用的主要方法是裝設(shè)無(wú)源濾波器和有源電力濾波器，其中無(wú)源濾波器既能補(bǔ)償諧波，又能 補(bǔ)償無(wú)功功率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高；有源電力濾波器相當(dāng)于一個(gè)諧波發(fā)生器，用于產(chǎn)生和 電網(wǎng)諧波等大反向的諧波以抵消電網(wǎng)中的諧波。針對(duì)無(wú)功功率補(bǔ)償，目前主要采用的是并聯(lián) 電容器，但不足之處就是只能補(bǔ)償固定的無(wú)功功率，而且在系統(tǒng)中有諧波的情況下還很有可 能發(fā)生并聯(lián)諧振。本實(shí)用新型的整流技術(shù)正是解決電壓電流畸變、功率因數(shù)低等問(wèn)題的關(guān)鍵 環(huán)節(jié)。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就在于開發(fā)一種新型的整流技術(shù)，使其不產(chǎn)生諧波，功率因數(shù)為l或 可調(diào)，從而解決電力電子裝置中常見的諧波和無(wú)功功率問(wèn)題。
一種三邏輯正弦脈寬調(diào)制整流器，主要由脈沖信號(hào)發(fā)生器、主電路、信號(hào)放大隔離電路、 輔助電源電路構(gòu)成，其特征在于脈沖信號(hào)由數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了三相二邏輯的產(chǎn)生 以及二邏輯向三邏輯的轉(zhuǎn)變；并通過(guò)硬件電路將三相三邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榱娖津?qū)動(dòng)，通過(guò)驅(qū)
3動(dòng)電路用于三相電流型脈寬調(diào)制中半導(dǎo)體邏輯器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，網(wǎng)側(cè)電壓通過(guò)工頻變壓器接 過(guò)零檢測(cè)電路，原邊接網(wǎng)側(cè)電壓，副邊經(jīng)兩個(gè)整流鉗位二極管接到運(yùn)放的輸入端，并在網(wǎng)側(cè) 裝設(shè)電感電容濾波器，電壓過(guò)零點(diǎn)的信息輸入數(shù)字信號(hào)處理器，產(chǎn)生的六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)芯 片功率放大后，再通過(guò)限流電阻和集隔離與驅(qū)動(dòng)功能于一體的電氣隔離電路連接，驅(qū)動(dòng)電路 通過(guò)六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制六個(gè)開關(guān)管的通斷來(lái)驅(qū)動(dòng)主電路，而電路中各個(gè)芯片所需電源都由電 源電路提供。
首先由DSP實(shí)現(xiàn)二邏輯的輸出在三相電壓型SPWM(Sinusoidal pulse Width Modulation, 正弦脈寬調(diào)制，下同)整流器中，將三個(gè)互差12(T的調(diào)制波與相同的三角載波相交產(chǎn)生三相 二邏輯開關(guān)函數(shù)。然后將以上產(chǎn)生的二值邏輯的PWM信號(hào)變換成適合電流型PWM變流器的三 邏輯信號(hào)，即三相電壓型P麗整流器的線電壓信號(hào)。再由三邏輯輸出進(jìn)一步處理得到門極驅(qū) 動(dòng)信號(hào)在DSP內(nèi)部先存入一個(gè)正弦表，正弦表的初相位為0，表的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)等于頻率調(diào)制 比， 一般設(shè)為6的倍數(shù)，本實(shí)用新型中設(shè)為84個(gè)，同理也可以存入b相和c相的正弦表，它 們的相位分別滯后和超前a相120度，這樣就可以得到三相對(duì)稱的調(diào)制信號(hào)，然后根據(jù)電網(wǎng) 電壓過(guò)零點(diǎn)的信號(hào)來(lái)讀正弦表表頭，就可以得到與電網(wǎng)電壓同步的信號(hào)。
其中TMS320LF2407的事件管理模塊(Event-Manager Module)的PWM輸出功能能產(chǎn)生二 邏輯SP麗信號(hào)，所以利用事件管理模塊A全比較單元的CMPR1 (PWM1) 、 CMPR2 (PWM3) 、 CMPR3 (PWM5)來(lái)分別產(chǎn)生電壓型逆變器二邏輯SPWM的電平信號(hào)，利用捕獲單元的CAP1(PWM7)、 CAP2(PWM8)、 CAP3(P麗9)來(lái)捕獲P麗1、 PWM3、 PWM5輸出信號(hào)的上升沿和下降沿，進(jìn)入捕獲中 斷子程序，然后將捕獲口設(shè)為基本的I/O 口功能，并設(shè)為輸入方式，將CMPR1 (PWM1)、 CMPR2 (P麗3)、 CMPR3 (P麗5)端口的電平信號(hào)讀入DSP，然后根據(jù)當(dāng)前所對(duì)應(yīng)的扇區(qū)，就可以確定 電流型P麗逆變器的六個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。所有的比較單元選擇定時(shí)器Tl為時(shí)基以實(shí)現(xiàn)同 步。程序中用T1的周期中斷功能，每0.24mS產(chǎn)生一個(gè)中斷，然后對(duì)相應(yīng)的周期寄存器賦相 應(yīng)的值。所用TMS320LF2407A的CPU時(shí)鐘頻率為40MHz， T1PR的計(jì)數(shù)設(shè)定值為0X1298。
在主程序中還設(shè)置了定時(shí)器中斷和捕獲中斷，定時(shí)器中斷子程序起到判斷過(guò)零點(diǎn)和將主 程序中計(jì)算的PWM占空比送入比較器，以確定下一開關(guān)周期內(nèi)PWM的作用。輸出口輸出電壓 型逆變器二邏輯SP麗信號(hào)，而捕獲中斷子程序主要是根據(jù)PWM 口的電平信號(hào)和當(dāng)前扇區(qū)的信 息來(lái)確定6個(gè)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。主程序控制流程圖、定時(shí)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(qū)動(dòng)信號(hào)還不能直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，必須先經(jīng)過(guò)硬件電路處理。
本實(shí)用新型硬件電路概貌如附圖4，主要由主電路，電壓過(guò)零檢測(cè)電路，功率放大電路， 電氣隔離電路，輔助電源電路構(gòu)成。本實(shí)用新型的思想是首先在網(wǎng)側(cè)端進(jìn)行電壓過(guò)零檢測(cè)， 把電壓過(guò)零點(diǎn)的信息輸入DSP, DSP產(chǎn)生六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)后續(xù)電路功率放大和電氣隔離后驅(qū) 動(dòng)開關(guān)管，而電路中各個(gè)芯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(lái)的信號(hào)控制6個(gè)開關(guān)管的通斷，從而把交流電整成直流電。
過(guò)零檢測(cè)電路的目的是使電流跟隨電壓變化，不產(chǎn)生諧波也不消耗無(wú)功功率。如附圖6 所示，通過(guò)工頻變壓器，原邊接網(wǎng)側(cè)電壓，副邊得到15V的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)IN4007的整流 鉗位二極管，接到運(yùn)放的輸入端，運(yùn)放輸出方波的上升沿即為正弦電壓的過(guò)零點(diǎn)。
功率放大電路如附圖7所示，其最主要的部分是芯片74HC245。它可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率 放大，使信號(hào)具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。圖中發(fā)光二極管的作用是檢測(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否正常。信號(hào) 放大之后送入電氣隔離電路。
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(shí)用新型采 用的是光耦隔離的方法，技術(shù)的關(guān)鍵部分是附圖8所示的電路。它集隔離與驅(qū)動(dòng)功能于一體， 使用TLP250時(shí)應(yīng)在引腳5與8之間接一個(gè)0. luF的陶瓷電容，以穩(wěn)定電壓，片內(nèi)發(fā)光二極管
的工作電流Ip為7-10mA。
硬件電路中各芯片和DSP所需的電源電壓均由輔助電源供電。輔助電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見 附圖9_11，分別產(chǎn)生15V， 5V， 3.3V電壓，供給驅(qū)動(dòng)電路和DSP。
本實(shí)用新型的效果和益處是電流型整流電路與傳統(tǒng)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(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)之外，還有更優(yōu)越的性能。首先，晶閘管相控整流電 路是通過(guò)控制移相角來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率的，當(dāng)移相角為正值時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流和電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相 位差，尤其是在深控狀態(tài)下，這個(gè)相位差會(huì)很大，極大地降低了網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。而電流型PWM技術(shù)，采用的是PWM斬控技術(shù)，不存在移相角的問(wèn)題，可以達(dá)到網(wǎng)側(cè)電流電壓同相；同 時(shí)，它按照一定的調(diào)制方法并在網(wǎng)側(cè)裝設(shè)LC濾波器，可以消除網(wǎng)側(cè)電流的各次諧波，達(dá)到網(wǎng) 側(cè)電流的正弦化，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)的目的。并且，電流型PWM整流器采用的是場(chǎng)效應(yīng)管 和絕緣柵雙極型晶體管等電力電子半導(dǎo)體器件，它們具有快速關(guān)斷的能力，因此可以實(shí)現(xiàn)電 壓輸出的快速調(diào)節(jié)。本實(shí)用新型的整流方法相對(duì)于傳統(tǒng)整流方法來(lái)說(shuō)也是非常節(jié)約電能的。
正如以上所敘述的，由于電流型PWM整流器能真正達(dá)到"綠色"變流器的目的，從而受 到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。而電流型PWM技術(shù)的核心，即最關(guān)鍵的技術(shù)部分就是三邏輯PWM 信號(hào)的產(chǎn)生。而目前DSP芯片的內(nèi)部功能只是針對(duì)電壓型PWM變流器的二邏輯信號(hào)，無(wú)法直 接產(chǎn)生三邏輯信號(hào)。已有的方法釆用在直流側(cè)并聯(lián)開關(guān)管的方法解決這一問(wèn)題，會(huì)使主電路 結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。本實(shí)用新型就是建立于此基礎(chǔ)之上，致力于研究電流型PWM變流器的三邏輯 信號(hào)發(fā)生裝置，進(jìn)一步應(yīng)用于三相電流型P畫整流電路。通過(guò)DSP內(nèi)部功能產(chǎn)生二邏輯SPWM 信號(hào)，然后進(jìn)一步產(chǎn)生和分配適合電流型PWM變流器的三邏輯信號(hào)，配制合適的驅(qū)動(dòng)電路， 驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極型晶體管和串聯(lián)二極管組成的三相六開關(guān)電流型主電路，為電流型PWM變流 器的進(jìn)一步研究奠定良好的基礎(chǔ)。三邏輯PWM信號(hào)的高效產(chǎn)出將大大促進(jìn)電流型PWM整流器 的應(yīng)用，具有很大的發(fā)展空間，其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)概貌圖。
圖5是實(shí)驗(yàn)主電路的電路圖。
圖6是過(guò)零檢測(cè)電路的電路圖。
圖7是驅(qū)動(dòng)電路的電路圖。圖8是光耦隔離電路的電路圖。 圖9是產(chǎn)生+15V直流電源電路的電路圖。 圖10是產(chǎn)生+5V直流電源電路的電路圖。 圖11是產(chǎn)生+3. 3V直流電源電路的電路圖。
具體實(shí)施方式

電流型P麗技術(shù)的核心部分就是三邏輯PWM信號(hào)的產(chǎn)生。其產(chǎn)生過(guò)程如下首先通過(guò)DSP 內(nèi)部功能產(chǎn)生二邏輯SPWM信號(hào)，再由DSP編程實(shí)現(xiàn)二邏輯向三邏輯的轉(zhuǎn)換，這樣可以使得二 邏輯的SPWM信號(hào)變換成適合電流型PWM變流器的三邏輯信號(hào)，再進(jìn)一步處理成六電平的門極 驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在三相電壓型SP麗整流器中，將三個(gè)互差120。的調(diào)制波與相同的三角載波相交 即可產(chǎn)生三相二邏輯開關(guān)函數(shù)。然后將以上產(chǎn)生的二值邏輯的PWM信號(hào)變換成適合電流型PWM 變流器的三邏輯信號(hào)，就相位關(guān)系而言，三邏輯SPWM輸出就是三相電壓型PWM整流器的線電 壓信號(hào)。在DSP內(nèi)部先存入a相、b相、c相的正弦表，即可得到三相對(duì)稱的調(diào)制信號(hào)。利用 TMS320LF2407事件管理模塊A全比較單元的CMPR1、 CMPR2、 CMPR3分別產(chǎn)生電壓型逆變器 二邏輯SP麗的電平信號(hào)，利用捕獲單元的CAP1 、 CAP2、 CAP3來(lái)捕獲比較單元輸出信號(hào)的上 升沿和下降沿，進(jìn)入捕獲中斷子程序，然后將捕獲口設(shè)為基本的I/O 口功能，并設(shè)為輸入方 式，將CMPR1、 CMPR2、 CMPR3端口的電平信號(hào)讀入DSP，然后根據(jù)當(dāng)前所對(duì)應(yīng)的扇區(qū)，査表 確定六個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。網(wǎng)側(cè)電壓通過(guò)工頻變壓器接過(guò)零檢測(cè)電路，原邊接網(wǎng)側(cè)電壓， 副邊經(jīng)兩個(gè)整流鉗位二極管接到運(yùn)放的輸入端。然后根據(jù)電網(wǎng)電壓過(guò)零點(diǎn)的信號(hào)來(lái)讀正弦表 表頭，就可以得到與電網(wǎng)電壓同步的信號(hào)。再將六路門極信號(hào)分別加到絕緣柵雙極型晶體管 和串聯(lián)二極管組成的三相六開關(guān)電流型主電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路開關(guān)的控制。但由于原始 產(chǎn)生的開關(guān)信號(hào)比較微弱，還不足以驅(qū)動(dòng)主電路，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)功率放大的過(guò)程，這部分由 芯片74HC245實(shí)現(xiàn)功率放大，發(fā)光二極管可以檢測(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否正常。產(chǎn)生的六路驅(qū)動(dòng)信號(hào) 經(jīng)功率放大后，即具有較強(qiáng)的i動(dòng)能力。再通過(guò)限流電阻和集隔離與驅(qū)動(dòng)功能于一體的電氣 隔離電路連接，電氣隔離電路采用的是光耦隔離。經(jīng)過(guò)功率放大的信號(hào)再經(jīng)過(guò)隔離電路后就 可以得到能直接加到開關(guān)管上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路是通過(guò)六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制六個(gè)開關(guān)管的 通斷來(lái)驅(qū)動(dòng)主電路的。最后一個(gè)部分就是模塊化設(shè)計(jì)各種直流穩(wěn)壓電源電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)以上用 到的各種芯片進(jìn)行供電支持，使得各個(gè)部分能夠進(jìn)行正常工作。如附圖9-ll所示，15V、 5V直流電源采用芯片7815、 7805， 3.3V直流電源采用芯片W117，分別供給驅(qū)動(dòng)電路和DSP。
上述詳細(xì)說(shuō)明為針對(duì)本實(shí)用新型的一種較佳的可行實(shí)施例說(shuō)明而已，惟該實(shí)施例并非用 以限定本實(shí)用新型的申請(qǐng)范圍，凡其它未脫離本實(shí)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(yīng)包含于本實(shí)用新型所涵蓋的專利范圍中。
權(quán)利要求1. 一種三邏輯正弦脈寬調(diào)制整流器，主要由脈沖信號(hào)發(fā)生器、主電路、信號(hào)放大隔離電路、輔助電源電路構(gòu)成，其特征在于脈沖信號(hào)由數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了三相二邏輯的產(chǎn)生以及二邏輯向三邏輯的轉(zhuǎn)變；并通過(guò)硬件電路將三相三邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榱娖津?qū)動(dòng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路用于三相電流型脈寬調(diào)制中半導(dǎo)體邏輯器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，網(wǎng)側(cè)電壓通過(guò)工頻變壓器接過(guò)零檢測(cè)電路，原邊接網(wǎng)側(cè)電壓，副邊經(jīng)兩個(gè)整流鉗位二極管接到運(yùn)放的輸入端，并在網(wǎng)側(cè)裝設(shè)電感電容濾波器，電壓過(guò)零點(diǎn)的信息輸入數(shù)字信號(hào)處理器，產(chǎn)生的六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片功率放大后，再通過(guò)限流電阻和集隔離與驅(qū)動(dòng)功能于一體的電氣隔離電路連接，驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制六個(gè)開關(guān)管的通斷來(lái)驅(qū)動(dòng)主電路，而電路中各個(gè)芯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(shù)高、無(wú)高次諧波特點(diǎn)的三邏輯正弦脈寬調(diào)制整流器。它是在一塊電路板上由主電路，電壓過(guò)零檢測(cè)電路，功率放大電路，電氣隔離電路，輔助電源電路組合構(gòu)成的。首先在網(wǎng)側(cè)端進(jìn)行電壓過(guò)零檢測(cè)，把電壓過(guò)零點(diǎn)的信息輸入DSP，DSP產(chǎn)生六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)后續(xù)電路功率放大和電氣隔離后驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，而電路中各個(gè)芯片所需電源都由電源電路提供。它與傳統(tǒng)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(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)之外，還有更優(yōu)越的性能。它可以消除網(wǎng)側(cè)電流的各次諧波，達(dá)到網(wǎng)側(cè)電流的正弦化，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。并且，電流型PWM整流器采用的是場(chǎng)效應(yīng)管和絕緣柵雙極型晶體管等電力電子半導(dǎo)體器件，它們具有快速關(guān)斷的能力，因此可以實(shí)現(xiàn)電壓輸出的快速調(diào)節(jié)。相對(duì)于傳統(tǒng)整流方法來(lái)說(shuō)也是非常節(jié)約電能的。
文檔編號(hào)H02M5/00GK201315549SQ20082013570
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2008年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月7日
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