CN109525136A - 一种应用于安规测试设备中的逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于安规测试设备中的逆变器，包括单相全桥不控整流电路、滤波电容、单相全桥H桥逆变器、滤波器、电压内环控制器、SPWM控制器、驱动器、保护电路；本发明将母线滤波电容的直流电转换成电压幅值、频率可调的交流电。其中采用了电压内环控制器，对输出波形质量及输出响应速度进行了控制和调节。另外，该逆变器采用了过流保护电路使得当逆变器输出出现过流时，会对逆变器的驱动信号进行控制，及时停止输出。

Description

一种应用于安规测试设备中的逆变器
技术领域
本发明涉及一种逆变器，具体涉及一种应用于安规测试设备中的逆变器。
背景技术
随着电力电子技术的发展，逆变器得到了越来越广泛的应用。根据行业的特点，对于逆变器的性能指标要求也不尽相同。在安规测试仪应用中，一般通过逆变器输出幅值、频率可调的交流电压，然后通过升压器输出高压，进行安规测试。其中逆变器的拓扑结构一般为单相全桥(H桥)逆变，为了得到幅值、频率可控、波形失真度小的正弦波，控制方式采用电压外环控制、电压外环电流内环控制等方式。
在这些传统的控制方式中，提高逆变器效率的同时，增加了功率管的损耗，不得不增加散热器的设计，此外，保护电路中针对逆变器直流侧母线电压的波动，需要增加吸收电路进行抑制，防止功率管烧坏。由于繁琐的电路设计，导致逆变器整体的功率密度不高。与轻型化、小型化的安规测试仪的需求相背离。此外，由于滤波电感的影响，导致逆变器的响应速度慢。有些逆变器的控制算法只以输出电压的幅值为控制目标，对输出波形未加控制，导致输出波形谐波含量大。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种可提高功率密度、提高输出电压的分辨率、加快功放的响应速度、提高输出电压稳定性的应用于安规测试设备中的逆变器。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：一种应用于安规测试设备中的逆变器，包括单相全桥不控整流电路、滤波电容、单相全桥H桥逆变器、滤波器、电压内环控制器、SPWM控制器、驱动器、保护电路；
市电经单相全桥不控整流电路、滤波电容后输出直流母线电压，直流母线电压经单相全桥H桥逆变器将驱动器的PWM小信号转换成与直流母线电压幅值相等的PWM大信号，所述的PWM大信号经过滤波器变换成正弦波信号，电压内环控制器通过对采样的正弦波信号与给定正弦电压信号进行PI调节并输出至SPWM控制器，SPWM控制器将自身产生的三角波信号与电压内环控制器输出的信号比较输出SPWM驱动信号，SPWM驱动信号经驱动器控制单相全桥H桥逆变器；保护电路对单相全桥H桥逆变器输出端的采样电压信号和设定的电压阈值信号进行比较，并经驱动器控制单相全桥H桥逆变器。
所述的滤波器为LC滤波电路，包括分别接于单相全桥H桥逆变器两输出端的第一电感、第二电感，第一电感经第一电容接地，第二电感经采样电阻接地；第一电感与第一电容连接处对正弦波信号进行采样；第二电感与采样电阻连接处取采样电压信号。
所述的电压内环控制器为比例-积分控制器，具体为：正弦波信号经第三电阻、给定正弦电压信号经第二电阻接至第一运算放大器的反相输入端，第一运算放大器的反相输入端与其同相输入端接双向二极管，且第一运算放大器的反相输入端与其输出端接第四电阻与第二电容的串联支路以及第三电容；第一运算放大器输出端输出第三信号。
第一运算放大器采用JFET输入运算放大器，采用的型号为TL084、TL082或LF353。
电压内环控制器原理：将单相全桥H桥逆变器的输出经过LC滤波电路之后的正弦波电压瞬时值与给定的正弦波电压值经过硬件的PI调节，输出第三信号至SPWM控制器，产生SPWM驱动信号经驱动器驱动单相全桥H桥逆变器。由于整个电压内环控制器都是通过硬件电路实现的，由于硬件调节的快速性，以及控制参数的合理设计，从而保证了输出电压的控制速度和效果。
所述的SPWM控制器包括三角波发生器，三角波发生器产生的三角波信号接至第二运算放大器的反相输入端及第三运算放大器的同相输入端；第三信号接第四极性电容的阴极，第四极性电容的阳极接至第二运算放大器的同相输入端，第四极性电容并联有第五电阻；第三信号接第五极性电容的阳极，第五极性电容的阴极接至第三运算放大器的反相输入端，第五极性电容并联有第六电阻；第二运算放大器及第三运算放大器输出SPWM驱动信号。
SPWM控制器为采用JFET输入运算放大器、电阻、电容设计而成的三角波发生器产生的三角波信号与第三信号比较输出SPWM驱动信号。其中的JFET输入运算放大器可选用TL084、TL082或者LF353等JFET输入运算放大器。
所述的保护电路为：采样电压信号输入第四运算放大器的反相输入端及第五运算放大器的同相输入端，设定的过流保护电压阈值信号输入第四运算放大器的同相输入端及第五运算放大器的反相输入端，第四运算放大器及第五运算放大器输出第四信号。
SPWM驱动信号及第四信号经驱动器作用于单相全桥H桥逆变器。
所述的保护电路为比较器，单相全桥H桥逆变器输出端的第二电感中的电流信号经采样电阻转化成采样电压信号，采样电压信号与设定的过流保护电压阈值信号进行比较，比较器的输出端接至驱动器。
正常工作状态下，采样电压信号幅值小于设定的过流保护电压阈值信号，比较器输出高电平；反之，当出现过流时，采样电压信号幅值大于设定的过流保护电压阈值信号，比较器输出低电平，将驱动器的驱动信号全部拉至低电平，使得驱动器无法输出驱动信号，从而达到保护的目的。
所述的驱动器采用的型号为TLP250或ICPL3120-ISOCOM。驱动器采用TLP250时，保护电路的输出的第四信号接至TLP250的Anode引脚；SPWM控制器输出的SPWM驱动信号接至TLP250的Cathode引脚。
本发明为了保障输出波形失真度小，增加了电压内环控制。同时有效地保障了输出的响应速度。在提高功率密度方面，采用了精简的驱动电路、保护电路。不仅减少了器件的数量，而且有效地保障了逆变器的性能及可靠性。逆变波形的调制技术和电压闭环控制策略的应用，使得逆变器的输出响应快，波形失真度小，电压稳定度高。逆变器整体的功率密度大。
本发明将母线滤波电容的直流电转换成电压幅值、频率可调的交流电。其中采用了电压内环控制器，对输出波形质量及输出响应速度进行了控制和调节。另外，该逆变器采用了过流保护电路使得当逆变器输出出现过流时，会对逆变器的驱动信号进行控制，及时停止输出。
说明书附图
图1为本发明电路原理图；
图2为滤波器电路原理图；
图3为电压内环控制器电路原理图；
图4为SPWM控制器电路原理图；
图5为保护电路电路原理图；
图6为驱动器及单相全桥H桥逆变器的电路原理图。
具体实施方式
一种应用于安规测试设备中的逆变器，如图1所示，包括单相全桥不控整流电路、滤波电容、单相全桥H桥逆变器、滤波器、电压内环控制器、SPWM控制器、驱动器、保护电路；
市电经单相全桥不控整流电路、滤波电容后输出直流母线电压，直流母线电压经单相全桥H桥逆变器将驱动器的PWM小信号转换成与直流母线电压幅值相等的PWM大信号，所述的PWM大信号经过滤波器变换成正弦波信号，电压内环控制器通过对采样的正弦波信号与给定正弦电压信号进行PI调节并输出至SPWM控制器，SPWM控制器将自身产生的三角波信号与电压内环控制器输出的信号比较输出SPWM驱动信号，SPWM驱动信号经驱动器控制单相全桥H桥逆变器；保护电路对单相全桥H桥逆变器输出端的采样电压信号和设定的电压阈值信号进行比较，并经驱动器控制单相全桥H桥逆变器。
所述的滤波器为LC滤波电路，如图2所示，包括分别接于单相全桥H桥逆变器两输出端的第一电感L1、第二电感L2，第一电感L1经第一电容C1接地，第二电感L2经采样电阻R1接地；第一电感L1与第一电容C1连接处对正弦波信号Vout1进行采样；第二电感L2与采样电阻R1连接处取采样电压信号Vout2。
所述的电压内环控制器为比例-积分控制器，如图3所示，具体为：正弦波信号Vout1经第三电阻R3、给定正弦电压信号经第二电阻R2接至第一运算放大器A1的反相输入端，第一运算放大器A1的反相输入端与其同相输入端接双向二极管，且第一运算放大器A1的反相输入端与其输出端接第四电阻R4与第二电容C2的串联支路以及第三电容C3；第一运算放大器A1输出端输出第三信号Vout3。
第一运算放大器A1采用JFET输入运算放大器，采用的型号为TL084、TL082或LF353。
电压内环控制器原理：将单相全桥H桥逆变器的输出经过LC滤波电路之后的正弦波电压瞬时值与给定的正弦波电压值经过硬件的PI调节，输出第三信号Vout3至SPWM控制器，产生SPWM驱动信号经驱动器驱动单相全桥H桥逆变器。由于整个电压内环控制器都是通过硬件电路实现的，由于硬件调节的快速性，以及控制参数的合理设计，从而保证了输出电压的控制速度和效果。
如图4所示，所述的SPWM控制器包括三角波发生器，三角波发生器产生的三角波信号接至第二运算放大器A2的反相输入端及第三运算放大器A3的同相输入端；第三信号Vout3接第四极性电容C4的阴极，第四极性电容C4的阳极接至第二运算放大器A2的同相输入端，第四极性电容C4并联有第五电阻R5；第三信号Vout3接第五极性电容C5的阳极，第五极性电容C5的阴极接至第三运算放大器A3的反相输入端，第五极性电容C5并联有第六电阻R6；第二运算放大器A2及第三运算放大器A3输出SPWM驱动信号。
SPWM控制器为采用JFET输入运算放大器、电阻、电容设计而成的三角波发生器产生的三角波信号与第三信号Vout3比较输出SPWM驱动信号。其中的JFET输入运算放大器可选用TL084、TL082或者LF353等JFET输入运算放大器。
所述的保护电路为：如图5所示，采样电压信号Vout2输入第四运算放大器A4的反相输入端及第五运算放大器A5的同相输入端，设定的过流保护电压阈值信号输入第四运算放大器A4的同相输入端及第五运算放大器A5的反相输入端，第四运算放大器A4及第五运算放大器输出第四信号Vout4。
所述的保护电路为比较器，单相全桥H桥逆变器输出端的第二电感L2中的电流信号经采样电阻R1转化成采样电压信号Vout2，采样电压信号Vout2与设定的过流保护电压阈值信号进行比较，比较器的输出端接至驱动器。
正常工作状态下，采样电压信号Vout2幅值小于设定的过流保护电压阈值信号，比较器输出高电平；反之，当出现过流时，采样电压信号Vout2幅值大于设定的过流保护电压阈值信号，比较器输出低电平，将驱动器的驱动信号全部拉至低电平，使得驱动器无法输出驱动信号，从而达到保护的目的。
如图6所示，SPWM驱动信号及第四信号Vout4经驱动器作用于单相全桥H桥逆变器。
所述的驱动器采用的型号为TLP250或ICPL3120-ISOCOM。驱动器采用TLP250时，保护电路的输出的第四信号(Vout4)接至TLP250的Anode引脚；SPWM控制器输出的SPWM驱动信号接至TLP250的Cathode引脚。

Claims (5)

1.一种应用于安规测试设备中的逆变器，其特征在于：包括单相全桥不控整流电路、滤波电容、单相全桥H桥逆变器、滤波器、电压内环控制器、SPWM控制器、驱动器、保护电路；
市电经单相全桥不控整流电路、滤波电容后输出直流母线电压，直流母线电压经单相全桥H桥逆变器将驱动器的PWM小信号转换成与直流母线电压幅值相等的PWM大信号，所述的PWM大信号经过滤波器变换成正弦波信号，电压内环控制器通过对采样的正弦波信号与给定正弦电压信号进行PI调节并输出至SPWM控制器，SPWM控制器将自身产生的三角波信号与电压内环控制器输出的信号比较输出SPWM驱动信号，SPWM驱动信号经驱动器控制单相全桥H桥逆变器；保护电路对单相全桥H桥逆变器输出端的采样电压信号和设定的电压阈值信号进行比较，并经驱动器控制单相全桥H桥逆变器。
2.根据权利要求1所述的应用于安规测试设备中的逆变器，其特征在于：所述的滤波器包括分别接于单相全桥H桥逆变器两输出端的第一电感(L1)、第二电感(L2)，第一电感(L1)经第一电容(C1)接地，第二电感(L2)经采样电阻(R1)接地；第一电感(L1)与第一电容(C1)连接处对正弦波信号(Vout1)进行采样；第二电感(L2)与采样电阻(R1)连接处取采样电压信号(Vout2)。
3.根据权利要求2所述的应用于安规测试设备中的逆变器，其特征在于：所述的电压内环控制器为比例-积分控制器，具体为：正弦波信号(Vout1)经第三电阻(R3)、给定正弦电压信号经第二电阻(R2)接至第一运算放大器(A1)的反相输入端，第一运算放大器(A1)的反相输入端与其同相输入端接双向二极管，且第一运算放大器(A1)的反相输入端与其输出端接第四电阻(R4)与第二电容(C2)的串联支路以及第三电容(C3)；第一运算放大器(A1)输出端输出第三信号(Vout3)。
4.根据权利要求3所述的应用于安规测试设备中的逆变器，其特征在于：所述的SPWM控制器包括三角波发生器，三角波发生器产生的三角波信号接至第二运算放大器(A2)的反相输入端及第三运算放大器(A3)的同相输入端；第三信号(Vout3)接第四极性电容(C4)的阴极，第四极性电容(C4)的阳极接至第二运算放大器(A2)的同相输入端，第四极性电容(C4)并联有第五电阻(R5)；第三信号(Vout3)接第五极性电容(C5)的阳极，第五极性电容(C5)的阴极接至第三运算放大器(A3)的反相输入端，第五极性电容(C5)并联有第六电阻(R6)；第二运算放大器(A2)及第三运算放大器(A3)输出SPWM驱动信号。
5.根据权利要求1所述的应用于安规测试设备中的逆变器，其特征在于：所述的保护电路为：采样电压信号(Vout2)输入第四运算放大器(A4)的反相输入端及第五运算放大器(A5)的同相输入端，设定的过流保护电压阈值信号输入第四运算放大器(A4)的同相输入端及第五运算放大器(A5)的反相输入端，第四运算放大器(A4)及第五运算放大器输出第四信号(Vout4)。
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