基于AVR的单/三相变换器的设计

臧海岗

(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽　淮南　232001)



基于AVR的单/三相变换器的设计

臧海岗

(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001)

摘要：单/三相变换器一般采用裂相和移相技术，变换效果受负载影响较大，为了平衡变换器的三相输出电压，提高电能质量，结合整流逆变原理，提出一种AVR控制的单/三相变换器，构建硬件拓扑电路，采用SPWM控制方式和双闭环反馈控制策略，利用MATLAB建模仿真并进行实验分析。仿真和实验结果表明，该变换器可以有效克服突变负载的干扰，输出电能质量较高，能在一定程度上提高边远地区三相电源的普及率，满足中小功率三相负载的使用需求。

关键词：AVR；SPWM；双闭环反馈；突变负载

我国三相动力供电并未实现全覆盖，民用电力系统中的单相供电体系难与三相动力负载相匹配[1]。传统单相变三相变换器常采用裂相技术和移相技术，其三相输出电压易受负载影响，电缆和电器经常烧坏，且系统转换效率较低[2-3]。结合现代电力电子技术，提出一种基于SPWM控制方式的单/三相变换器，AVR单片机为控制中心，单相输入交流电经过整流升压、逆变滤波和系统控制过程后，输出可供三相负载使用的标准三相交流电，其稳定性、精确性和转换效率将得到大幅提高。

1硬件电路

变换器的主电路如图1所示，整流电路采用单相不控整流方式，升压电路采用Boost方式，逆变电路采用SPWM控制方式。接入单相交流电的瞬间，电容C1快速充电会导致浪涌电流的出现，并联TVS器件可以快速吸收浪涌电流，保护整流桥和后续电路免受大电流冲击。Boost电路在理想状态下，电感L1和电容C2均为无穷大，实际电路中要考虑其效果和体积，折中取值。给定一个PWM信号驱动VT1，即可调节升压输出U3。

(1)

(2)

(3)

D越大，U3的调节时间越长；C2越大，U3的第一个峰值越大；L1越大，U3的波形越平滑。升压电路中，并联了一个大电阻R1防止输出侧开路。三相输出电压为矩形波，其含有工频倍数的高频谐波，严重影响负载元件。LC低通滤波器可以整理输出电压波形，消除高频谐波，输出标准正弦波[4]。选择适当小的截止频率更利于滤除谐波，电容为三角型接法时可提高滤波效果。考虑到三相负载变化的影响，L2、L3和L4的取值相对大一些。

2系统控制

2.1　控制策略分析

三相输出的电能质量对用电端影响很大，负荷也对传统单/三相变换器的输出电能质量有很大影响，其输出电压会随着负荷功率和类型的变化而产生较大波动。为了排除感性负载和非线性负载的干扰[5]，提高三相输出的电能质量，扩大单/三相变换器的适用范围，需排除负载功率扰动，这里采取双环反馈控制方法，即内环控制瞬时值，提高三相输出的动态性能；外环控制有效值，保证三相输出的精确性。系统的控制策略如图2所示，外环将三相输出的有效值与给定有效值比较计算，得到的误差信号经过外环PI调节并与标准正弦信号叠加，其输出信号为内环给定；内环给定与三相输出电压瞬时值比较计算，其误差信号经过内环PI调节得到内环PWM控制信号。外环PI调节器H1(s)和内环PI调节器H2(s)分别为

(4)

(5)

未加PI调节的内环开环传递函数为

G2(s)=K2KpwmU3G1(s)

(6)

设反馈系数K1=1，K2=1， 加入PI调节H2(s)的内环闭环和外环闭环传递函数分别为

G3(s)=

(7)

(8)

根据内外环传递函数，计算出PI调节器参数值，实现对系统输出的精准控制。

2.2　系统程序分析

控制系统的中断服务程序如图3所示，基本思想是基于中断服务程序来实现对逆变输出的控制[6-7]。系统经过自检和初始化后，通过设置定时器产生中断，开始进入中断服务程序。A/D采集输出有效值和瞬时值，并分别与设定限值比较，若发生欠压和过流等故障，则置位相应的标志寄存器，禁止输出SPWM，并切除故障；若A/D采样值在正常范围内，则分别执行有效值PI运算和瞬时值PI运算，运算结果被写入比较寄存器，然后将调控电压信号经信号调理折算成调制信号，并与定时器比较输出相应SPWM序列信号，进而驱动功率开关管，控制变换器调整输出量。

3仿真与实验分析

为了初步验证所述原理的正确性，用MATLAB进行建模仿真[8]。变换器在0.1 s内实现软启动，防止冲击负载。仿真设置滤波前后的输出对比来验证该变换器的滤波效果(见图4)。矩形正弦波是未滤波输出，其含有高次谐波，波形不平滑，脉冲尖峰电压高达670 V，电能质量较差；正弦波形是滤波输出， 无尖峰电压，最大纹波波动为6 V，波形平滑，电能质量高。

设置开环控制和双闭环控制的仿真对比，在0.35 s投入重负载突变(见图5~图6)。开环模式下，重负载突变引起阶跃性压降，且无法自适应调整，电能质量变差；双闭环模式下，负载突变瞬间引起了极小压降，输出随即自适应调整回归标准值，其受负载突变的影响可以忽略。

应用AVR ATMEGA16搭建实验电路，用示波器测量三相输出电压波形，其中a相10~60 ms的输出电压波形如图7所示，实验波形与仿真波形无较大差异，波形整体平滑，峰值电压略有波动，负载突变点的电压波动在5ms内恢复稳定，响应速度较快。

4结论

提出一种基于AVR的SPWM调制方法的单相/三相变换器，应用双闭环反馈控制策略克服突变负载的干扰，得到稳定的三相输出；应用MATLAB和实验对理论原理进行验证，仿真和实验结果证实了其正确性和可行性，达到了预期效果。该变换器适用于中小功率三相负载，包括阻感性负载和非线性负载，方便移动使用，在工业密度低的边远地区和电气化铁道辅助供电方面有着广阔的应用前景。

参考文献：

[1]陈仕龙， 李群湛， 束洪春. 基于静止无功补偿的单相变三相电源变换研究[J].铁道学报，2009，31(6)：97-101.

[2]CIPRIANO E，JACOBINA C B，DA SILVA E R C，et al.Single-phase to three-phase power converters： State of the art[J]. Power Electronics， IEEE Transactions on， 2012， 27(5)： 2 437-2 452.

[3]LEE D C， KIM Y S. Control of single-phase-to-three-phase AC/DC/AC PWM converters for induction motor drives[J]. Industrial Electronics， IEEE Transactions on， 2007， 54(2)： 797-804.

[4]张立广， 刘正中. SPWM 逆变电源 LC 滤波器的研究与设计[J]. 电子设计工程， 2014， 22(6)： 172-174.

[5]欧阳帆， 周有庆， 汤清泉， 等. 一种基于平衡变压器的单相/三相供电方法[J]. 电工技术学报， 2008， 23(9)： 132-137.

[6]刘琨， 陈允平， 吴波. DSP 在逆变器 PWM 控制中的应用[J]. 电气应用， 2006， 25(3)： 98-101.

[7]蒿书利， 庹先国， 王洪辉， 等. 基于 STM32 的 SPWM 逆变电源控制信号电路设计[J]. 电源技术， 2012， 36(9)： 1 348-1 350.

[8]洪乃刚.电力电子、 电机控制系统的建模和仿真[M]. 北京：机械工业出版社， 2010： 100-135.

(责任编辑：何学华，吴晓红)

Design of Single/Three-Phase Converter Based on AVR

ZANG Hai-gang

(School of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001,China)

Abstract:The splitting phase and shifting phase technologies are usually applied in single /three-phase converter and the effect of shifting is greatly affected by the load. In order to balance the three-phase output voltage and improve the power quality, based on the principle of rectifier and inverter, a AVR control single / three phase converter was proposed. The hardware topology circuit was built; SPWM control mode and double closed-loop feedback control strategy were adopted. Simulation and experimental analysis were conducted by modeling with MATLAB. The simulation and experimental results showed that the converter can effectively overcome the interference of the mutation load effectively. The good power output quality will improve the popularity rate of the three-phase power supply in remote areas to a certain extent and meet the needs of small and medium power of three phase load.

Key words:AVR; SPWM; double-loop feedback; mutation load

作者简介：臧海岗(1990-)，男，江苏徐州人，在读硕士，研究方向：电力系统及其自动化。

收稿日期：2015-01-22

中图分类号：TM46

文献标志码：A

文章编号：1672-1098(2015)04-0057-04