变流器负载试验中的能量回馈装置电路的探析

唐 林

（四川职业技术学院 电子电气工程系，四川 遂宁 629000）

0 引言

通常情况下变流器进行负载试验时，在变流器的输出端连接负载,该负载的能耗就成为输出电能消耗。为了实现节约电能，应进行能量回馈利用。能量回馈装置是依据上述工作过程进行设计，装置原理是负载试验时，直流电源通过逆变器变为交流电，将输出的交流电通过反馈电路至供电电源端，交流电源通过逆变电路转换成直流电，并通过反馈电路连接到逆变器的输入端口，与直流电源共同给逆变器电路提供电源，从而实现了节能目的。

1 系统原理框图

变流器负载实验中能量回馈装置的系统原理框图如图1 所示。该系统主要由直流电源、多路SPWM 调 制、H 桥驱动、AC/DC 变流器、MSP430 单片机系统、LCD12864 显示等功能电路组成。

图1 能量回馈装置系统原理框

EG8010 芯片输出SPWM 驱动H 桥，在通过LC 低通滤波器滤除高频分量，还原低平交流电。通过单片机MSP430 对EG8010SPWM 模块控制，使其输出频率在0-100 之间，并通过液晶屏LCD12864 显示。H 桥输出的交流电通过升压变压器以及整流滤波电路输出直流电压回收传输给H 桥的供电端，实现能量回馈。

1.1 调制方式

本能量回馈装置的系统的工作模式分为双极性调制方式和单极性调制方式，双极性调制时双桥臂同时做脉冲宽度调制（SPWM）输出，应用时使用两路电感滤波特性将会更好，电压取样反馈电路需要两路分压网络做差分反馈处理。单极性调制时仅一桥臂做脉冲宽度调制（SPWM）该输出，另一桥臂做基波输出，应用时滤波电感需要接在脉冲宽度调制（SPWM）桥臂输出端，电压取样反馈电路同样需要接在脉冲宽度调制（SPWM）桥臂电感的输出端。

通过比较上述两种调制方式，结合工程实际要求，因此选择具有稳压精度高、电压调整速度快的EG8010 芯片，单极性调制模式时，采用峰值点采样输出电压，受负载变化或输入电压波动等因数影响调制输出电压可能会出现偏离，信号通过EG8010 能在输出交流电压的1～3 个周期内调整到期望值。EG8010 单极性调制输出电压反馈电路如图2 所示。

图2 EG8010 单极性调制输出电压反馈电路

1.2 控制系统

本设计的控制系统微处理器采用MSP430F14 9，MSP430F149 是基于RISC 的16 位混合信号微处理器，具有丰富的寻址方式，和高速的运算能力。专为超低功耗设计，拥有5 种低功耗模式，以适应不同的需要。灵活的时钟使用方式。片内集成了丰富的功能模块，具有很强的数字和模拟信号处理能力，既能实现数字信号处理的某些算法又可使MSP430 单片机在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处，所以具有超低的功耗,广泛地应用于医疗设备、仪器仪表、军事、家电、工业自动化等领域。

2 理论分析与计算

2.1 EG8010 芯片

本电路采用的EG8010 是一款单相SPWM 逆变器专用芯片，采用5V 单电源供电，引脚设置4 种纯正弦波输出频率，单极性和双极性调制方式，自带死区控制，引脚设置4 种死区时间，具有电压、电流、温度反馈实时处理，过压、欠压、过流、过热保护功能。通过串口设置输出电压、频率等参数。外接12832 串行液晶显示模块可显示逆变器的电压、频率、温度和电流等信息。可应用于风力、光伏发电逆变器、不间断电源UPS 系统、数码发电机系统、中频电源、单相电机调速控制器、单相变频器、正弦波调光器、调压器、逆变焊机等。

2.2 脉冲宽度调制（SPWM）模块

脉冲宽度调制（SPWM）理论基于冲量等效原理：大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量变量对时间的积分相等，其作用效果就相同。在理论上，无论冲量是何种表现方式，只要是冲量等效的脉冲作用在惯性系统上，其输出响应等效是基本相同的。

无论是正弦波还是与其冲量等效的等宽不等高的阶梯谐波，还是与其冲量等效的等高不等宽的窄宽度脉冲序列，当它作用于惯性系统后，最终输出是效果是等效的。理论上通过上述变换正弦波通过惯性系统以后还是正弦波，与正弦波等效的窄宽度脉冲序列通过惯性系统后是与正弦波一致。正弦波的半个周期均分成n 个相等的时间段，每个时间段时长为Ts= T/2n，相对应的角度为θs= wTs。假设第k 个时段的终点时刻为kTs，起点时刻为，相应的第k 个时段中心处相位角为

第k 个时段幅值为Vd的窄脉冲的面积与对应时段内正弦波投影面积相等，脉冲宽度Tk必须满足式

将式1 代入式2 得

因此，第k 个脉冲的宽度在Ts时段内的占空比为

定义调制比为

如果n、Vd、V1m、w 的值确定，则M 为一常数，从而Dk变化规律是按正弦变化的，也就是说脉冲宽度是按正弦规律变化的。这种按正弦规律输出脉冲电压的方法称为正弦脉宽调制。

调制比为

从以上各式可以总结出，调制比M 如果改变，Dk相应同比例改变，电路输出的基波电压也会同比例改变。

3 H 桥电路与程序设计

3.1 单相桥式逆变电路（H 桥）设计

如图3 所示两个三极管，一只可以实现对正极导通上拉，另一只可以实现对负极导通下拉。由完全对称的这样两个电路，在同一个电路系统中，同时一个完成电位上拉，另一个完成电位下拉，或者相反，两者总是保持电压相反的输出，这样可以在单电源供电的情况下使负载上加载的电压极性倒过来。由于这样的接法加上中间的负载在电路画中体现出来就像一个H 的字样，故得名H 桥。

单相桥式逆变电路工作原理，开关T1、T4 闭合，T2、T3 断开：Uo=Ud；开关T1、T4 断开，T2、T3 闭合：Uo=－Ud；当以频率fS 交替切换开关T1、T4 和T2、T3 时则在负载电阻R 上获得交变电压波形（正负交替的方波），其周期，这样，就将直流电压E 变成了交流电压Uo。Uo 含有各次谐波，如果得到正弦波电，则可通过滤波器滤波获得。

图3 单相桥式逆变电路（H 桥）

图4 系统程序流程图

3.2 系统软件流程图

如图4 所示为系统程序流程图。首先配置MSP430 单片机的时钟设置外部8M 晶振，配置串口，配置定时器，初始化串口，扫描按键触值，通过按键控制单片机输出频率或电压，通过另一按键控制单片机增加和减少电压和频率，通过串口发送到EG8010 模块，循环扫描，实现电压和频率的调节。

4 设计装置测试结果

4.1 测试方法

通过MSP430 单片机控制EG8010SPWM 模块，输出频率在20Hz—100Hz 之间，用示波器检测H 桥的输出端，通过电流检测，再通过示波器的显示，检查它的高频分量是否滤除到位，其次再检测整流滤波电路的输出，检查其是否为直流电以及其输出直流电压是否达到要求，检测其输出波形是否变换为50Hz、25V、0.25V、2A 的单相正弦交流电。

4.2 测试结果

表1 能量回馈装置测试数据

（1）将H 桥逆变电路的输出端连接一个阻性负载，用示波器检测频率为50Hz 0.02Hz，万用表检测交流电电压为25V，达到所需要求；

（2）在满足(1)的情况下，H 桥逆变电路的输出交流电能够满足要求所需的的频率范围，步进1Hz；

（3）H 桥逆变电路与能量回馈装置相连接时，系统就能够实现能量回馈，输出电流I1=1A；

（4）H 桥逆变电路与能量回馈装置相连接之后，其输出端的电流I1 为2A

4.3 测试结果分析

通过以上数据可得，将阻性负载连接在H 桥逆变电路后，就能输出50Hz、2A、25V±0.25V 的单相正弦交流电，其调节频率在20Hz—100Hz 之间，实现了能量回收，达到了节能的目的。

5 结语

总而言之，随着现阶段节能装置技术的快速发展，受到相关研究人员高度关注，在各项研究中对能量回收进行分析具有重要作用。该能量回馈装置通过实验测试数据分析能达到相应的节能目的，装置具有很多优点，在设计和测试中已体现出来，随着我国工业自动化程度的提高节能减排的发展需求，通过进一步的优化在节能技术领域可实现应用推广。