基于SA4828的通用变频器能量回馈控制系统

　　基于SA4828的通用变频器能量回馈控制系统李珂，杜春水，张承慧（山东大学控制科学与工程学院，山东济南250061）1种新型的基于正弦波PWM发生器SA4828的能量回馈控制系统。分析了其系统构成及工作原理，结合SA4828的功能特点，给出了能量回馈控制系统微处理器监控系统的设计方法，在直流电压检测环节中利用简单的减法电路提高了控制和显示的分辨率。设计了一台15kVA的样机进行，其主电路主要由三相PM逆变桥及相关外围电路组成。逆变桥的输出端通过3个扼流电抗器L与变频器输入端子R，S，T相连，输入端则通过两个隔离二极管D，D2接通用变频器的直流侧P，N端，以保障能量在变频器j有源逆变桥电网方向上的单向流动。扼流电抗器L的作用是平衡压差，限流以及滤波，对再生能量回馈电网起关键作用。微处理器监控系统负责检测，显示系统中的电压，电流和系统中的故障信息，为逆变桥提供驱动信号等。系统的工作过程是：当电机电动运行时，逆变器开关管全被封锁，处于关断状态；当电动机处于再生发电状态时，能量由电机侧回痢直流侧，导致直流母线电压升高。当直流母线电压超过电网线电压峰值时，通用变频器整流桥由于承受反压而关断；当直流母线电压继续升高并超过启动有源逆变工作电压Udlh时，逆变器开始工作，将能量馈送电网；当直流母线电压下降到关闭逆变器工作电压Udll时，关闭有源逆变器。

　　2能量回馈控制系统微处理器监控系统设计传统的能量回馈系统（装置）大多采用模拟控制方式5‘61，由运算放大器，非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统控制非常不灵活，调试困难，阻碍了其发展和应用范围的推广。随着微处理器技术的日新月异，许多功能和算法可以采用软件技术来完成，为系统提供了更好的灵活性，使系统能够达到更高的性能指标。

　　设计的能量回馈微处理器监控系统如所示，以MCS"51系列单片机ATMEL89C52为控制核心，结合少量模拟电路，完成直流侧电压，回馈电流的实时检测和显示，回馈电流与电网同步，故障的实时显示和声光报警等功能；采用串行E2PROM实现“黑匣子”功能，记忆*近发生的五次故障信息，停电后数据不丢失，简单控制由键盘输入设置完成，使得能量馈送电网过程更加安全可靠，直观，易于操作；为实现回馈过程对电网影响小，馈送电流谐波小，回馈效率高等功能，采用三相正弦波PWM发生器芯片SA4828实现逆变器的SPWM调制。

　　微处理器监控系统方框。1SA4828简介及其在系统中的应用能量回馈控制系统结构框图光电隔离PWM发生器芯片它具有增强型微处理器接口，可与更多的单片机兼容；全数字化的PWM产生方法，避免了模拟电路中存在的漂移问题，使它的脉冲具有很高的精确性和稳定性；工作频率范围宽，载波频率可选择至24kHz；载波频率，电源频率，脉冲延迟时间，*小脉宽删除时间，波形，幅值，相序，WDT设置等工作参数，可由微处理器以向其写入控制字的方式方便的确定或修改，无需外加任何电路；封锁输入确保在紧急情况下忽略微处理器的控制命令立即关闭PWM输出，避免了微处理器中断服务周期引入的延迟对安全性的影响；设有“看门狗”定时器功能，当与控制处理器的通信失败时，“看门狗”定时器会切断输出。SA4828功能强大，可广泛的用于变频调速，逆变电源及UPS等工业领域。

　　作为能量回馈控制系统中的核心器件，SA4828为三相IPM逆变桥提供SPWM驱动信号。只有在需要改变控制方式或控制参数时，微处理器才和SA4828通讯，正常工作时，SA4828相对独立运行，使其给微处理器的负担极小。选用24.756MHz的有源晶振为SA4828提供时基信号，该频率的晶振选取，可使SA4828的各个参数的分辨率*高，且有利于各设置参数的计算。

　　SA4828的SETTRP输入是独立于微处理器控制的输出封锁控制引脚，它的存在使一个外部故障源可以优先于微处理器的控制而提供一个迅速的SPWM信号关断功能。如所示，系统监测电路中的各种故障信号经隔离组合，形成逻辑或关系直接提供给SA4828的SETTRIP，这使得SA4828所有直流电压检测电路电动机发电状态结束后，必须关闭逆变装置，因此Udll要大于电动状态时可能出现的*高直流母线电压Udm.设三相电网电压波动为+15%~-15%，则整流后，直流母线上可能出现的*高电压为：由于直流侧电压很高，测量范围上限一般定为850V，若测量范围定为0~ 850V，因受AD转换器位数的限制，则测量和显示分辨率低。因此在电路中增设减法电路，缩小测量范围，提高分辨率。直流电压信号转变为电流信号流经高精度线性度光耦HCNR200，隔离后再通过队变为弱电电压信号。调节氏，使得当Ud=850V时，Um=10V，再调节R2，使得当Ud=500V时，U=0V；假定信号传递是完全线性的情况下，可得到关系式：pwm输出立即被锁定为低，同时TRIP输出引脚被置低，通知微处理器，作进一步的软件处理。这样可及时，迅速地关闭有源逆变装置，以保护设备安全。

　　2.2直流电压检测电路直流电压检测环节是能量回馈的基础，为馈送过程提供起停信号，具体来说：实时地检测直流侧电压，一旦电动机工作于发电状态且使直流母线电压Ud超过设定值Udlh且系统无异常时，即起动逆变器，实现直流母线上的能量回馈电网，迫使Ud回落；当Ud小于另一设定值Udll后再关闭逆变器。

　　为避免逆变器在某一点附近频繁切换，电压控制采用滞环控制方式，即UdU1>Udll.直流电压检测电路2.3同步设计同步是实现有源逆变的基础和关键。对于能量回馈系统，所谓同步就是要使回馈电网的电流与电网电压同频反相，以实现单位功率因数回馈。回馈不同步轻则造成无功电流增大，污染电网，重则产生系统环流，甚至破坏系统中的功率器件。

　　与变频器不同，能量回馈向电网馈送的频率相对固定，在50Hz左右波动，所以SA4828的电源频率范围设定（FRS）设置在60Hz，这样可以提高输出频率的分辨率。能量回馈的不同步分为相位不同步及频率不同步。设计的同步检测电路如所示，电网交流信号经同步变压器降压，用比较器LM339及如所示。

　　率的方波信号，该方波信号经隔离整形送入微处理器系统分析处理，得到电网的相位及频率信息，逆变器的输出频率跟随电网变化通过改变SA4828的电源频率设定（PFS），实现频率与电网同步；通过对SA4828计数器复位（CR）的操作，起动三相SPWM信号输出，达到回馈相位与电网同步。

　　2.4监控系统程序设计微处理器监控程序采用C语言编写，做到各控制功能模块化，可读性好，主要分为初始化模块，AD采集模块和SA4828设置及控制模块等。整个主程序6（a）是SA4828输出的SPWM驱动信号，其中，chi驱动R相上桥臂，ch2驱动S相上桥臂。可以看到，R相驱动信号比S相超前120\同理，S相超前T相1203（图中未给出）。（b）是回馈电流的波形，它非常近似于正弦波，利用FLUKE-41B多功能谐波分析仪测得其总谐波畸变率（THD）约为3. 7%.同时，系统馈送时的功率因数也较高，实测在0.96以上，节能效果达30%以上。

　　对于微处理器监控系统来说，能否保证系统的精确性，AD转换部分起决定作用。在电路正常运行后，直流电压的测量数据如表1所示。可以看出，外部输入电压到AD574A的模拟电压输入端会产生一定的压差。经分析后得出：由于系统有二路模拟输入，而AD574A只允许一路模拟输入，故系统采用电子开关CD4066来选择通路。而CD4066为CMOS模拟器件，它接通时有一定的导通电阻，输入电路的压差主要是由该导通电阻产生的。由表中数据可以看到该压差是非线性变化的。针对线路压差，系统设计从软件上加以补偿。考虑到压差为非线性变化以及流程图如所示。另外，故障处理及其显示等放在中断子程序中，在此不再赘述。

　　系统直流侧电压从零点上升到工作点非常快的特点，系统采用对输入电压值的线路压差进行分段补偿的方法。经过补偿，由表1的*后两列可知显示值与实测值基本符合，完全达到了系统的精度要求。

　　输入电压AD输入电压压差显示电压值实际电压值实验结果表明整个系统设计合理，回馈电流谐波小，功率因数高，测量和显示准确，节能效果明显，各项指标达到设计要求。

　　4结论的馈送电流精度低，质量差及控制功能单一等缺点，成功地设计了一种基于正弦波PWM发生器芯片SA4828的数字化新型通用变频器能量回馈控制系统，将再生能量及时高效地馈送电网。值得指出的是，目前制作PWM整流器或四象限运行变频器在技术上是没有问题的，而且其拓扑电路也比通用变频器加馈送单元简单。但是，一个不争的事实是由于前两者均属于专用逆变器，市场价格昂贵，在现阶段的市场竞争力还不如后者。特别是对于用回馈单元替代己有变频系统中的制动电阻的情形，后者的性价比优势更加突出，因此新型能量回馈控制系统应用前景广阔。