CN205070803U - 一种基于单片机的交流直接变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于单片机的交流直接变换器，包括相连接的控制系统、驱动电路和变换主电路，控制系统为采用脉宽调制技术的控制系统，变换主电路由依次连接的交流斩波器、高频变压器、相位恢复器和输出滤波器组成；交流斩波器为一个由四个双向开关构成带有两个半桥臂的具有双向电流流通能力的全桥电路，其中每两个双向开关构成一个半桥臂。该实用新型克服了现有的交流转直流再转交流的间接变换器成本高、变换级数多、效率低、拓扑结构复杂、对电网的污染以及交流直接变换技术中交流电网与负载无电气隔离容易导致电网污染的缺点，具有成本低、变换级数少、效率高、拓扑结构简单、适用于大功率场合和无电网污染的优点。

Description

一种基于单片机的交流直接变换器

技术领域

本实用新型涉及一种基于单片机的交流直接变换器，应用在将一种交流电转换为另一种交流电的领域中。

背景技术

当市电不能为一些特殊的商业用户和工业用户提供可靠的电力时，则需要根据用户需求设计一种交流直接变换器。交流直接变换器是一个将220V交流市电直接转变为所需的另一种交流电的装置。

电力电子变换技术在过去六十年里取得较大发展，研究者在交流转直流、直流转直流、直流转交流等中、小功率变换器方面研究取得了显著成就。然而，对交流直接变换领域的研究相对较少，传统的做法是采用交流转直流再转交流的间接变换器，其具有成本高、变换级数多、效率低、拓扑结构复杂、对电网的污染的缺点。目前国内外对于交流转交流变换技术的研究仍处于初级阶段，已有的技术中诸如可控硅变换器、矩阵变换器和交流斩波器等，都有共同的缺陷即交流电网与负载并无电气隔离，当系统带非线性负载时，畸变电流将对电网造成污染，电源侧受到干扰时，又会传递到负载侧。

直流转直流的变换拓扑结构主要有：单端正激式、单端反激式以及半桥式和全桥式等。单端反激式仅适用于小功率场合。若要提高单端正激变换器的输出功率，就必须采用多重单端正激变换主电路，因此大功率的单端正激式变换器体积巨大及内部电路复杂程度很高。相比之下，桥式结构更适合大功率场合。全桥结构采用4个桥臂，相当于两个半桥结构的合并，工作时两个半桥臂交替导通，其输出幅值比半桥结构高出一倍。现有的交流转交流的变换拓扑结构复杂。

因此提供一种能适用于大功率场合且有电气隔离的交流直接变换器己成为当务之亟。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于单片机的交流直接变换器，其克服了现有的交流转直流再转交流的间接变换器成本高、变换级数多、效率低、拓扑结构复杂、对电网的污染、需要考虑交流电的相位问题且交流电网与负载无电气隔离容易导致电网污染的缺点，具有成本低、变换级数少、效率高、拓扑结构简单、无需考虑交流电的相位问题、适用于大功率场合和无电网污染的优点。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于单片机的交流直接变换器，包括控制系统、驱动电路和变换主电路；控制系统为采用脉宽调制技术的控制系统，其包括相连接的微控制器与闭环控制电路。

微控制器包括主控芯片、复位电路、CPU辅助电源和输入输出装置；闭环控制电路包括反馈电路K2和反馈电路K3；变换主电路包括交流斩波器、高频变压器、相位恢复器和输出滤波器。

输入输出装置与主控芯片连接，用于向主控芯片输入设定值U_ref或I_ref，并用于显示主控芯片输出的反馈信号I_f或反馈信号U_f；主控芯片分别与复位电路、CPU辅助电源、反馈电路K2、反馈电路K3、驱动电路连接，用于接收输入输出装置输入的设定值U_ref或I_ref，将由反馈电路K3获得的反馈信号U_f与设定值U_ref或者将由反馈电路K2获得的反馈信号I_f与设定值I_ref进行比例积分调节运算得到误差信号Es，产生脉宽调制控制信号发送给驱动电路；驱动电路与变换主电路的交流斩波器和相位恢复器连接，用于将脉宽调制控制信号放大后发送给交流斩波器和相位恢复器。

反馈电路K2与负载连接，用于采集负载的输出电流Io将其转化为反馈信号I_f；反馈电路K3与负载连接，用于采集负载的输出电压Uo将其转化为反馈信号U_f。

所述交流斩波器为一个由四个双向开关构成带有两个半桥臂的具有双向电流流通能力的全桥电路，其中每两个双向开关构成一个半桥臂；交流斩波器与高频变压器的原边连接，用于对输入的交流信号进行高频斩波，将调制后的高频方波送入高频变压器原边；高频变压器的副边与相位恢复器连接，用于输出高频斩波信号给相位恢复器；相位恢复器与输出滤波器连接，用于将高频变压器副边耦合过来的高频信号进行相位恢复，并传给输出滤波器；输出滤波器与负载连接，用于对相位恢复器发送的经相位恢复后的高频信号进行高频成分的滤除以输出所需要的交流电发送给负载。

所述相位恢复器和交流斩波器的结构相同，为一个由四个双向开关构成带有两个半桥臂的全桥电路，其中每两个双向开关构成一个半桥臂；交流斩波器和相位恢复器各自的全桥电路中位于不同半桥臂上的一个双向开关两两为一组，控制系统的主控芯片向交流斩波器和相位恢复器各自的一组双向开关发送同样的脉宽调制控制信号，向交流斩波器和相位恢复器各自的另一组双向开关发送同样但互补的脉宽调制控制信号。

控制系统根据用户需求选择工作模式，其微控制器读取电压电流设定值Uref、Iref，选择恒压或恒流工作模式，通过闭环控制电路采集变换主电路的输出电压Uo或输出电流Io，并反馈给微控制器。微控制器进行信号运算处理，给驱动电路发送脉宽调制(PWM)控制信号，使得变换主电路按正确的逻辑工作，最后输出所需要的恒压/恒流交流电。变换主电路的交流斩波器采用具有双向电流流通能力的全桥桥式结构，其拓扑结构简单、系统中变换级数少且效率高，适用于大功率场合。

驱动电路是连接控制系统与变换主电路的枢纽，在放大控制信号驱动能力的基础上同时实现弱电与强电的电气隔离，能够有效避免强电侧谐波对控制信号干扰，确保系统稳定运行。控制系统通过驱动电路发送脉宽调制(PWM)控制信号给变换主电路，驱动电路将控制信号放大处理，驱动变换主电路的各个双向开关,使得变换主电路按正确的逻辑工作，最后输出所需要的恒压/恒流交流电。。

通过设置与交流斩波器结构相同的相位恢复器，控制系统向交流斩波器和相位恢复器各自的一组双向开关发送同样的脉宽调制控制信号，向交流斩波器和相位恢复器各自的另一组双向开关发送同样但互补的脉宽调制控制信号，即可实现不需要考虑交流电的相位问题，就可获得具有恒定电压或恒定电流的交流电。

闭环控制电路还包括反馈电路K1，反馈电路K1分别与变换主电路的交流斩波器和微控制器的主控芯片连接；反馈电路K1采集交流斩波器处的交流母线电流I_H，将其转化为电压信号并得到反馈信号Us，将反馈信号Us输送给主控芯片；主控芯片将反馈信号Us与误差信号Es进行比较，产生脉宽调制控制信号发送给驱动电路。

当系统输入电压或者负载突然改变时，交流母线电流I_H就立即发生改变，有电流内环就可快速调节脉宽调制(PWM)信号，加快了系统的响应时间，提高控制精度。

所述每个双向开关由两个反向串联的IGBT构成。IGBT作为新一代全控制电力电子器件，综合了MOSFET高输入阻抗和GTR低导通压降的优点，具有开关频率高、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快等优点，非常适用于直流电压600V及以上的电路控制系统。采用两只IGBT反向串联构成一个双向开关，以实现电流双向流通，其变换效率高，同时IGBT的驱动信号简单，系统可靠性强。

所述控制系统采用单片机C8051F040。单片机C8051F040主要完成两个任务：1.运行电流型PWM调制算法；2.协调管理各个模块(包括通信、人机接口等)。C8051F040是Cygnal公司生产的51系列单片机，是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，其内部集成了1个12位、100ksps和1个8位、500ksps的ADC模块,而且都带有PGA和8通道模拟多路开关。同时该单片机具有高速的运算能力，峰值速度可达25MIPS，大大缩短数据处理时间，其具有快速高效精确等优点。

控制系统还包括保护电路，保护电路包括软启动器、欠压保护器和温度保护器，软启动器、欠压保护器和温度保护器分别与微控制器的主控芯片连接。保护电路用于保障微控制器的安全、稳定运行。

所述输入输出装置为人机界面，使用更加方便、快捷。

本实用新型相比现有技术的有益效果如下：

1.本发明采用的拓扑结构是根据直流转直流变换拓扑中的全桥桥式结构进行相应改进，将其有单向电压阻断能力的开关管和二极管换成双向开关管，因此衍变成一个具有双向电流导通能力可用于交流直接变换的全桥桥式结构，将其运用在交流直接变换领域，以适用于大功率场合，克服了现有交流转交流变换技术的不足；

2.在控制系统和变换主电路间设置了驱动电路，即起到了放大控制信号驱动能力，又同时实现弱电与强电的电气隔离，克服了目前交流转交流变换技术诸如可控硅变换器、矩阵变换器和交流斩波器等存在的交流电网与负载并无电气隔离而导致的电网污染问题缺陷，保证了系统的稳定运行；

3.通过设置与交流斩波器的结构相同的相位恢复器，并向交流斩波器和相位恢复器各自的一组双向开关发送同样的脉宽调制控制信号，向交流斩波器和相位恢复器各自的另一组双向开关发送同样但互补的脉宽调制控制信号，来实现不需要考虑交流电的相位问题，即可获得具有恒定电压或恒定电流的交流电；

4.通过电流内环反馈电路K1的设置，使得当系统输入电压或者负载突然改变时，能快速调节脉宽调制(PWM)控制信号，加快了系统的响应时间，提高控制精度；

5.用反向串联的IGBT构成双向开关，综合了IGBT开关频率高、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快等的优点，提高了系统的性能；

6.控制系统采用单片机C8051F040，综合了其快速高效精确等优点；

7.本申请一种基于单片机的交流直接变换器综合了全桥桥式变换拓扑结构、IGBT以及单片机C8051F040的诸多优点，大大提升了其性能，即能适应于大功率场合，又能实现电气隔离，具有成本低、变换级数少、具有双向功率流、变换效率高、拓扑结构简洁、控制简单可靠、电网污染少的优点，是一种“绿色”的交流直接变换装置。

附图说明

图1是本实用新型所述的基于单片机的交流直接变换器的结构图；

图2是本实用新型所述的基于单片机的交流直接变换器的工作流程图；

图3是本实用新型所述的基于单片机的交流直接变换器的控制系统1的结构图；

图4是本实用新型所述的基于单片机的交流直接变换器的变换主电路2的结构图。

标号说明：控制系统1；变换主电路2；驱动电路3；微控制器4；闭环控制电路5；保护电路6；交流斩波器7；高频变压器8；相位恢复器9；输出滤波器10；负载11；双向开关71；主控芯片41；复位电路42；CPU辅助电源43；输入输出装置44；软启动器61；欠压保护器62；温度保护器63。

具体实施方式

下面结合说明书附图1-4对本实用新型的技术方案进行详细说明。

如图1-4所示，本实用新型所述的一种基于单片机的交流直接变换器，包括依次连接的控制系统1、驱动电路3和变换主电路2，控制系统1为采用脉宽调制技术的单片机C8051F040，其包括微控制器4以及分别与其连接的闭环控制电路5与保护电路6；微控制器4包括主控芯片41、复位电路42、CPU辅助电源43和人机界面，复位电路42、CPU辅助电源43分别与主控芯片41相连接，主控芯片41与人机界面相连接；闭环控制电路5包括反馈电路K1、反馈电路K2和反馈电路K3；保护电路6包括软启动器61、欠压保护器62和温度保护器63，软启动器61、欠压保护器62和温度保护器63分别与微控制器4的主控芯片41连接。变换主电路2由依次连接的交流斩波器7、高频变压器8、相位恢复器9和输出滤波器10组成，其中交流斩波器7与高频变压器8原边连接，相位恢复器9与高频变压器8副边连接；该基于单片机的交流直接变换器的输出滤波器10与负载11相连，反馈电路K1与交流斩波器7连接，负载11分别与反馈电路K2、反馈电路K3连接，反馈电路K1、反馈电路K2和反馈电路K3分别连接到微控制器4的主控芯片41。驱动电路3分别与交流斩波器7与相位恢复器9相连接。交流斩波器7为一个由四个双向开关71构成带有两个半桥臂的具有双向电流流通能力的全桥电路，其中每两个双向开关71构成一个半桥臂，每个双向开关71均由两个反向串联的IGBT构成。相位恢复器9和交流斩波器7的结构相同，为一个由四个双向开关71构成带有两个半桥臂的全桥电路，其中每两个双向开关71构成一个半桥臂；交流斩波器7和相位恢复器9各自的全桥电路中位于不同半桥臂上的一个双向开关71两两为一组。

通过人机界面向控制系统1输入设定值U_ref或I_ref给主控芯片41。交流斩波器7对输入的交流信号进行高频斩波，将调制后的高频方波送入高频变压器8原边，由高频变压器8副边输出高频斩波信号，相位恢复器9将高频变压器8副边耦合过来的高频信号进行相位恢复，并传给输出滤波器10对高频信号进行高频成分的滤除以输出所需要的交流电发送给负载11；反馈电路K2采集负载11的输出电流Io将其转化成反馈信号I_f，或者反馈电路K3采集负载11的输出电压Uo将其转化成反馈信号U_f，反馈信号I_f或U_f被输送给主控芯片41，主控芯片41将其通过人机界面显示以用于观察并将反馈信号U_f与设定值U_ref或者将I_f与设定值I_ref进行比例积分调节运算等一系列PI计算得到的误差信号Es；反馈电路K1采集经交流斩波器7输出的交流母线电流I_H，将交流母线电流I_H转化为电压信号并得到反馈信号Us，并将反馈信号Us输送给主控芯片41；主控芯片41将反馈信号Us与误差信号Es进行比较，产生脉宽调制控制信号并通过驱动电路3放大后发送给变换主电路2的交流斩波器7与相位恢复器9，以控制变换主电路2的交流直接变换过程，输出具有恒定电压或恒定电流的交流电给负载11，如此循环工作。其中控制系统1向交流斩波器7和相位恢复器9各自的一组双向开关71(即8个IGBT-Q1，Q1'，Q4，Q4'和Q5，Q5'，Q8，Q8')发送同样的脉宽调制控制信号，向交流斩波器7和相位恢复器9各自的另一组双向开关71(即8个IGBT-Q2，Q2'，Q3，Q3'和Q6，Q6'，Q7，Q7')发送同样但互补的脉宽调制控制信号，以控制交流斩波器7和相位恢复器9的工作。

本实用新型所述的基于单片机的交流直接变换器并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本实用新型原理的任何改进或替换，均应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于单片机的交流直接变换器，其特征在于：包括控制系统(1)、驱动电路(3)和变换主电路(2)；控制系统(1)为采用脉宽调制技术的控制系统，其包括相连接的微控制器(4)与闭环控制电路(5)；

微控制器(4)包括主控芯片(41)、复位电路(42)、CPU辅助电源(43)和输入输出装置(44)；闭环控制电路(5)包括反馈电路K2和反馈电路K3；变换主电路(2)包括交流斩波器(7)、高频变压器(8)、相位恢复器(9)和输出滤波器(10)；

输入输出装置(44)与主控芯片(41)连接，用于向主控芯片(41)输入设定值U_ref或I_ref，并用于显示主控芯片(41)输出的反馈信号I_f或反馈信号U_f；主控芯片(41)分别与复位电路(42)、CPU辅助电源(43)、反馈电路K2、反馈电路K3、驱动电路(3)连接，用于接收输入输出装置(44)输入的设定值U_ref或I_ref，将由反馈电路K3获得的反馈信号U_f与设定值U_ref或者将由反馈电路K2获得的反馈信号I_f与设定值I_ref进行比例积分调节运算得到误差信号Es，产生脉宽调制控制信号发送给驱动电路(3)；驱动电路(3)与变换主电路(2)的交流斩波器(7)和相位恢复器(9)连接，用于将脉宽调制控制信号放大后发送给交流斩波器(7)和相位恢复器(9)；

反馈电路K2与负载(11)连接，用于采集负载(11)的输出电流Io将其转化为反馈信号I_f；反馈电路K3与负载(11)连接，用于采集负载(11)的输出电压Uo将其转化为反馈信号U_f；

所述交流斩波器(7)为一个由四个双向开关(71)构成带有两个半桥臂的具有双向电流流通能力的全桥电路，其中每两个双向开关(71)构成一个半桥臂；交流斩波器(7)与高频变压器(8)的原边连接，用于对输入的交流信号进行高频斩波，将调制后的高频方波送入高频变压器(8)原边；高频变压器(8)的副边与相位恢复器(9)连接，用于输出高频斩波信号给相位恢复器(9)；相位恢复器(9)与输出滤波器(10)连接，用于将高频变压器(8)副边耦合过来的高频信号进行相位恢复，并传给输出滤波器(10)；输出滤波器(10)与负载(11)连接，用于对相位恢复器(9)发送的经相位恢复后的高频信号进行高频成分的滤除以输出所需要的交流电发送给负载(11)；

所述相位恢复器(9)和交流斩波器(7)的结构相同，为一个由四个双向开关(71)构成带有两个半桥臂的全桥电路，其中每两个双向开关(71)构成一个半桥臂；交流斩波器(7)和相位恢复器(9)各自的全桥电路中位于不同半桥臂上的一个双向开关(71)两两为一组，控制系统(1)的主控芯片(41)向交流斩波器(7)和相位恢复器(9)各自的一组双向开关(71)发送同样的脉宽调制控制信号，向交流斩波器(7)和相位恢复器(9)各自的另一组双向开关(71)发送同样但互补的脉宽调制控制信号。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的交流直接变换器，其特征在于：闭环控制电路(5)还包括反馈电路K1，反馈电路K1分别与变换主电路(2)的交流斩波器(7)和微控制器(4)的主控芯片(41)连接；反馈电路K1采集经交流斩波器(7)的交流母线电流I_H，将其转化为电压信号并得到反馈信号Us，将给反馈信号Us输送给主控芯片(41)；主控芯片(41)将反馈信号Us与误差信号Es进行比较，产生脉宽调制控制信号发送给驱动电路(3)。

3.根据权利要求1或2所述的基于单片机的交流直接变换器，其特征在于：所述每个双向开关(71)由两个反向串联的IGBT构成。

4.根据权利要求1或2所述的基于单片机的交流直接变换器，其特征在于：所述控制系统(1)采用单片机C8051F040。

5.根据权利要求1或2所述的基于单片机的交流直接变换器，其特征在于：控制系统(1)还包括保护电路(6)，保护电路(6)包括软启动器(61)、欠压保护器(62)和温度保护器(63)，软启动器(61)、欠压保护器(62)和温度保护器(63)分别与微控制器(4)的主控芯片(41)连接。

6.根据权利要求1或2所述的基于单片机的交流直接变换器，其特征在于：所述输入输出装置(44)为人机界面。