劉江文++梁純++陳曉曦

摘 要：在不改變原先用電設備的情況下，解決煤礦井下的臨時用電問題，需要設計一種礦用三相移動式逆變電源來實現(xiàn)。文章介紹一種逆變電源，由大容量鋰電池組提供直流輸入，智能功率模塊IPM內(nèi)含逆變主電路和驅(qū)動及保護電路，EG8030作為逆變控制芯片實現(xiàn)SPWM波輸出，檢測電路采集電池電壓和逆變電壓信號，單片機實現(xiàn)逆變器的啟停和三相SPWM調(diào)制深度控制。

關鍵詞：礦用；三相逆變；SPWM

中圖分類號：TM464 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0102-03

1 概述

煤礦井下施工過程中，經(jīng)常需要進行設備的拆裝、搬運、檢修、維護，需要臨時用電。然而，煤礦井下的供電通常是由井下中央變電所通過敷設輸電線路供給電能的方式實現(xiàn)，這種供電方式只適用于設施固定、長期運行的場所。因此，煤礦井下迫切需要一種無需敷設供電線路的移動逆變電源，能夠滿足臨時工作場所的照明和電動工具的使用。本文設計了一款礦用移動式三相逆變電源，可以提供容量2KVA的三相交流50Hz、127V電源，能夠應用于井下部分區(qū)域的照明和煤電鉆用電，為井下施工及意外事故提供臨時用電，彌補了當前井下集中供電方式的輸電線路長、安裝周期長等不足。

2 系統(tǒng)方案設計

礦用移動式三相逆變電源的電路構成如圖1所示，由大容量鋰電池模塊組、三相逆變主電路、逆變控制電路、人機界面和電池電壓檢測、交流輸出檢測電路組成。

鋰電池選用磷酸鐵鋰電池模塊，標稱電壓48V，標稱容量100Ah。5組電池組模塊串聯(lián)連接，鋰電池組總輸出直流電壓為240V，作為三相逆變主電路的輸入。

逆變主電路使用智能功率模塊IPM，選用FUJI electric的IGBT-IPM模塊6MBP30RH060，這款IPM模塊內(nèi)部集成6組絕緣柵雙極型晶體管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor）及其驅(qū)動電路，額定電流30A，耐壓600V，內(nèi)部集成了過電流保護（OC）、短路保護（SC）、控制電源欠壓保護（UV）、過熱保護（管殼過熱TcOH、芯片過熱TjOH）等保護電路，且可通過向IPM相連的MCU輸出報警信號（ALM），確保系統(tǒng)停止工作。

逆變控制電路采用低功耗單片機作為控制核心，檢測鋰電池組電壓和三相逆變主電路輸出的電壓、電流，運行PID調(diào)節(jié)算法程序，控制三相純正弦波逆變器專用芯片EG8030的輸出SPWM，對三相逆變主電路的逆變過程實施控制，得到符合要求的三相交流電。

3 EG8030的特性

3.1 EG8030性能特點

EG8030 是一款功能完善的自帶死區(qū)控制的三相純正弦波逆變發(fā)生器芯片，采用CMOS 工藝，+5V單電源供電，外接16MHz晶體振蕩器，可選四種載波頻率，能產(chǎn)生高精度、失真和諧波都很小的三相SPWM信號。芯片具備完善的采樣機構，能夠采集電流信號、溫度信號、三相電壓信號，可實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，還具有死區(qū)時間控制、軟啟動、相序反轉(zhuǎn)、相序清零等功能以及過壓、欠壓、過流、短路、過熱等保護功能。

3.2 EG8030的引腳功能

引腳如圖2所示：

3.3 EG8030的工作模式

EG8030具有四種工作模式：分別是三相同步開環(huán)調(diào)壓模式、三相同步閉環(huán)穩(wěn)壓模式、三相獨立開環(huán)調(diào)壓模式和三相獨立閉環(huán)穩(wěn)壓模式。其中三相獨立閉環(huán)穩(wěn)壓模式是EG8030的一種測試模式。

三相同步開環(huán)調(diào)壓模式是EG8030最簡單的一個工作模式。只需提供一個比較穩(wěn)定的高壓直流電源和一個三相輸出濾波器，即可調(diào)節(jié)VOLADJ 腳上的電壓使輸出電壓達到目標值。

三相同步閉環(huán)穩(wěn)壓模式是EG8030的推薦應用模式，適用于對輸出電壓有精度要求的場合。在這種工作模式下，芯片采樣AVFB、BVFB、CVFB腳上的反饋信號并取平均值得到當前三相的平均反饋電壓，再經(jīng)過內(nèi)部PI調(diào)節(jié)器運算得到三相SPWM的調(diào)制深度MA、MB、MC，且MA=MB=MC，同步調(diào)節(jié)三相輸出。

三相獨立開環(huán)調(diào)壓模式EG8030的另外一種開環(huán)工作模式。用戶通過調(diào)節(jié)AVFB、BVFB、CVFB腳上的電壓獨立控制三相SPWM的調(diào)制深度MA、MB、MC。

4 移動式三相逆變電源的電路設計

4.1 逆變主電路

逆變主電路選用的6MBP30RH060型IGBT-IPM智能功率模塊，內(nèi)部集成6組IGBT器件及其驅(qū)動電路，內(nèi)部結構如圖3所示。直流輸入端口與鋰電池模塊組連接，上橋臂驅(qū)動電路電源為三組獨立的+15V DC隔離電源，下橋臂驅(qū)動電路共用一組+15V DC隔離電源；上、下橋臂PWM輸入端與逆變控制電路的6路SPWM脈沖信號接入；報警輸出端口經(jīng)光電隔離后與逆變控制電路的通用輸入/輸出接口相連。

4.2 逆變控制電路

本設計中，采用EG8030的三相同步開環(huán)調(diào)壓模式，由單片機通過D/A輸出，控制調(diào)制深度控制引腳（Pin8：VOLADJ），D/A輸出的0～5V直流電壓線性對應著0～100%的SPWM波的調(diào)制深度，調(diào)制深度的數(shù)值大小影響著逆變器的交流輸出電壓。如式（1）所示：m代表調(diào)制深度，VACRMS代表逆變器輸出交流電壓的有效值，VDC代表電池組的直流電壓。

單片機采用NXP公司的P89V51RD2，運行速度達36MHz，支持12時鐘或6時鐘模式，片上集成1kB SRAM和64kBFlashROM，擁有4個8位并行通用輸入輸出口、3個16位定時計數(shù)器。該款單片機無模擬量輸入輸出功能，本設計通過I2C總線外接擴展芯片PCF8591。PCF8591是一款8位A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片，采用2.5V～6V單電源供電，采樣速率取決于I2C總線的傳輸速率，支持最多4路A/D通道和1路D/A通道，模擬輸入可配置成4路單端輸入、3路關聯(lián)的差分輸入、2路單端和1路差分輸入、2路差分輸入等四種模式。

P89V51RD2檢測鋰電池組直流電壓，逆變器輸出的交流電流、電壓，運行PID算法程序，根據(jù)結果調(diào)節(jié)D/A輸出電壓，從而改變SPWM波調(diào)制深度，得到穩(wěn)定的逆變?nèi)嘟涣麟娸敵觥?/p>

4.3 光電隔離與驅(qū)動電路

EG8030的SPWM脈沖輸出為推挽式輸出端口，其灌電流能力達20mA，拉電流能力僅為5mA。接線時將SPWM脈沖輸出引腳與光電耦合器一次側(cè)發(fā)光二極管的陰極相連，SPWM脈沖電流由電源流出經(jīng)發(fā)光二極管灌入EG8030。光電耦合器的輸入側(cè)提供的正向電流If足夠大，降低了光電耦合器輸出側(cè)出現(xiàn)誤動作的可能性。

5 逆變器軟件設計

主程序流程圖如圖5所示。

本設計的SPWM脈沖序列由專用三相逆變控制芯片EG8030自主生成的，單片機無需參與。逆變控制電路中單片機的主要任務是實時檢測鋰電池組電壓、逆變主電路輸出的交流電流和電壓，動態(tài)計算調(diào)制深度參數(shù)，進而設定EG8030的運行特征數(shù)據(jù)，維持和保障整個三相逆變器的正常工作。

6 結束語

按照上述方案設計的三相逆變電源，集成化程度高、電路簡單、運行穩(wěn)定可靠，與當前IGBT+驅(qū)動電路+數(shù)字信號處理器DSP的逆變器設計相比較，硬件電路和軟件編程得以大大簡化。該逆變器作為井下臨時施工的便攜電源、應急場合的備用電源進行了測試并取得良好效果。

參考文獻：

[1]吳海東，任曉明，蒲強，等.基于SPWM控制的三相逆變器電路設計[J].電器與能效管理技術，2015（8）：43-45.

[2]周志敏，周紀海，紀愛華.逆變電源實用技術[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4]富士IGBT-IPM應用手冊[Z].富士電機電子設備技術株式會社，

2004，9.

[5]EG8030三相SPWM芯片數(shù)據(jù)手冊（REV0.2）[Z].