汽油發(fā)電機逆變電源控制系統(tǒng)的研究與設計

刁子軒，張?zhí)m紅，陳永樓

(1.鹽城工學院 電氣工程學院，鹽城 224051；2.江蘇友和機械動力有限公司，鹽城 224001)

0 引 言

近些年隨著新技術的不斷發(fā)展，針對傳統(tǒng)汽油發(fā)電機損耗大、發(fā)動機使用壽命短和所發(fā)電能品質(zhì)不高等問題，一種小型汽油發(fā)電機逆變電源應運而生[1]。此類逆變電源體積小、電壓輸出穩(wěn)定，廣泛應用于醫(yī)療設備、通信設備等各類應急場合。但目前的發(fā)電機逆變電源在工作狀態(tài)下存在發(fā)電機工作效率不高、負載調(diào)節(jié)特性較差等問題[2-4]。本文采用EG8060作為控制芯片,引入油門控制和相控整流驅(qū)動的復合控制策略,讓逆變電源的發(fā)電機轉速隨負載的波動而實時變化。該設計有效地改善了逆變電源負載調(diào)節(jié)特性，提高了系統(tǒng)的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)的響應,擾動小,抗干擾強，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。

1 逆變電源系統(tǒng)結構組成

汽油發(fā)電機逆變電源的系統(tǒng)結構如圖1所示，汽油發(fā)電機逆變電源主要由汽油機、無刷直流電機和控制器組成。其工作原理如下：首先由汽油發(fā)動機燃燒汽油進行能量轉換產(chǎn)生動能，帶動無刷直流發(fā)電機旋轉發(fā)電，無刷電機發(fā)出380 V的三相交流電經(jīng)過三相半控整流電路后變?yōu)?00 V左右直流電壓，輸送給后級逆變電路和濾波電路，變換成220 V/50 Hz的交流電供負載使用。

此外，為了確保逆變電源的主電路正常工作，設置了相應的EG8060控制系統(tǒng)來控制主電路中的各個環(huán)節(jié)，有油門控制電路、整流驅(qū)動電路、同步信號采樣電路以及逆變驅(qū)動電路等一系列組成。

EG8060控制系統(tǒng)將三相整流電路輸出的直流電壓信號作為反饋信號,通過整流驅(qū)動電路和前級油門控制器來保證整流輸出電壓穩(wěn)定。當所帶負載的需求電壓發(fā)生改變時，首先是前級汽油機油門和整流環(huán)節(jié)系統(tǒng)協(xié)同工作進行調(diào)節(jié)，它可以根據(jù)負載的需求功率配合調(diào)節(jié)輸出功率，使汽油發(fā)電機能夠在滿足輸出電壓實時調(diào)節(jié)的前提下，達到節(jié)能減排、快速響應和穩(wěn)定輸出的目的。當所帶負載發(fā)生改變時，首先由整流驅(qū)動電路進行調(diào)節(jié)，如果當整流控制環(huán)節(jié)無法保證整流輸出電壓穩(wěn)定，就可以通過前級的油門控制器來對發(fā)動機的轉速進行調(diào)節(jié)，從而改變直流輸出電壓。

2 控制系統(tǒng)硬件設計方案

2.1 EG8060芯片

本文采用EG8060芯片作為控制器芯片，它是一種專用的SPWM產(chǎn)生芯片，該芯片可以實現(xiàn)交流-直流-交流的電能變換。該芯片內(nèi)部的工作部分為 SPWM 控制模塊、死區(qū)時間配置模塊、信號反饋電路、步進電機控制模塊等功能。

2.2 整流環(huán)節(jié)系統(tǒng)分析和設計

整流環(huán)節(jié)的任務是將無刷電機發(fā)出的三相交流電整流成穩(wěn)定的400 V直流電交給后級電路。這就需要整流電路快速反應，調(diào)整輸出電壓波形，本文選用三相整流電路，同時結合EG8060控制器對整流環(huán)節(jié)設置驅(qū)動控制電路，確保輸出電壓波形穩(wěn)定在400 V左右，滿足后級電路的需要。

2.2.1 整流電路原理分析

逆變電源整流環(huán)節(jié)選用三相半控整流電路，圖2是三相半控整流電路的輸出電壓波形圖，在不同的觸發(fā)角α下，三相半控整流電路的工作狀態(tài)也都不一樣，現(xiàn)在對控制角為α的整流電路進行分析[5-6]。

由于電路中只有3個晶閘管，一個周期中控制電路向主電路發(fā)3次觸發(fā)脈沖，其間隔為2π/3。依次為π/3+α，π+α，5π/3+α。

①從π/3到2π/3，a相電壓最高，觸發(fā)T1導通，b相電壓最低，則D6導通。

②從2π/3到π，a相電壓最高，T1依舊導通，c相電壓最低，則D2導通，D6關斷。

③從π到4π/3，b相電壓最高，觸發(fā)T3，則T3導通，T1關斷，c相電壓最低，則D2仍然導通。

④從4π/3到5π/3，b相電壓最高，T3導通，a相電壓最低，則D4導通，D2關斷。

⑤從5π/3到2π，c相電壓最高，T5導通，a相電壓最低，則D4導通。

此時的輸出電壓計算公式：

當控制角α≤60°時，

(1)

當控制角α>60°時，

1.17U(1+cosα)

(2)

式中：ω為角頻率；α表示整流電路的觸發(fā)角。

通過上述分析，三相半控整流電路通過改變觸發(fā)角α來穩(wěn)定輸出電壓的幅值，同時與前級的油門調(diào)節(jié)器協(xié)同工作來調(diào)節(jié)整流輸出電壓，確保整流電路穩(wěn)定輸出400 V左右直流電壓。

2.2.2 三相整流驅(qū)動電路設計

本文對于主電路中的三相半控整流電路設置了相應的驅(qū)動控制電路，三相驅(qū)動電路系統(tǒng)結構圖如圖3所示。該驅(qū)動控制系統(tǒng)的工作原理是外圍同步電路檢測的同步方波信號通過EG8060內(nèi)部運算來確定驅(qū)動信號的觸發(fā)脈沖，將觸發(fā)脈沖通過光耦隔離器來輸送給三相整流電路。因此，整流驅(qū)動電路系統(tǒng)由同步信號采樣電路和晶閘管驅(qū)動電路組成[7-9]。

1)同步信號電路設計

同步電路的作用是讓驅(qū)動電路可以在控制電壓不變的情況下，在每個周期的同一時刻給定觸發(fā)角，使得對應相的晶閘管導通，讓整流電路正常工作，而且觸發(fā)脈沖與主電路中電機所發(fā)的三相電壓保持著恒定的相位關系。

同步電路如圖4所示。同步信號采用無刷直流電機的輔助繞組電壓作為基準信號，其中輔助繞組是按照三相主繞組中的A相的下線方式布置的一套繞組，因此輔助繞組電壓跟主輸出電壓頻率一致,相位差恒定。輔助繞組電壓通過PC817的光電耦合器使電壓過零檢測后可以輸出一個方波信號，這個方波就可以作為觸發(fā)脈沖的同步基準信號，輸送到EG8060的23腳(M_SPD)進行數(shù)字處理，得到對應的同步脈沖信號。

EG8060控制芯片的23號引腳(M_SPD)對同步信號的下降沿進行捕獲，然后輸送給內(nèi)部的數(shù)字控制器。同步信號輸出波形如圖5所示。數(shù)字控制器計算前后兩次采樣的差值,設前一個同步信號到達數(shù)字控制器的計數(shù)值為t1，當前同步信號到達數(shù)字控制器時計數(shù)值為t2，則交流電壓周期T=t2-t1。

對于三相對稱的交流電壓,ABC三相的每一相觸發(fā)脈沖都比前一相滯后1/3個周期，我們只要得到A相的觸發(fā)脈沖時刻，就可以確定其余兩相的觸發(fā)脈沖。在前級電機發(fā)出的三相電壓的自然換相點時刻，EG8060內(nèi)部的數(shù)字控制器開始工作，發(fā)出三相晶閘管觸發(fā)脈沖，這樣就讓三相整流電路和前級三相電壓的頻率保持一致，實現(xiàn)同步功能。

2)晶閘管驅(qū)動電路設計

晶閘管驅(qū)動電路如圖6所示。當EG8060芯片在13號引腳(SCR_SW)發(fā)出高電平脈沖信號，經(jīng)過光耦隔離器PC817導通后輸送給CJ431電路后，將脈沖信號輸送給三相驅(qū)動電路運算放大得到驅(qū)動信號，控制晶閘管導通。其中，穩(wěn)壓二極管Q4的輸出電壓的計算公式：

(3)

Q4的參考段電壓Vref為2.5 V,因此Q4的恒壓電路輸出電壓為5 V,但由于此時接地參考端為400 V，所以輸出端V0為405 V電壓。同時405 V作為右側Q8的穩(wěn)壓二級管組成恒流電路的輸入端，這樣保證三相驅(qū)動電路穩(wěn)定工作。

驅(qū)動電路的工作原理實際上是通過驅(qū)動電路左側外接的三相電壓來對電路中6個三極管進行導通和關斷的控制，這樣就可以讓驅(qū)動信號分時發(fā)送，實現(xiàn)了三相電壓與觸發(fā)信號同步的功能。

以圖6左側的三相驅(qū)動電路發(fā)出A相驅(qū)動信號(TrigA)為例，當一個周期內(nèi)A相的觸發(fā)脈沖通過13號引腳(SCR_SW)發(fā)送到驅(qū)動電路時，此時驅(qū)動電路的6個三極管的工作狀態(tài)如表1所示。

此時A相的三極管Q5發(fā)射極電壓UE為412 V，基極電壓UB為400 V，根據(jù)PNP型三極管的UE>UB>UC的導通原則來判斷,三極管Q5導通，則可以發(fā)出A相的驅(qū)動脈沖信號(TrigA)控制晶閘管導通。

2.3 逆變環(huán)節(jié)系統(tǒng)設計

逆變環(huán)節(jié)是將前級400 V直流電通過逆變電路得到穩(wěn)定的220 V/50 Hz正弦波電壓。本文采用全橋逆變電路,需要 4 個開關器件，需要 4 路控制信號，開關器件承受的電壓為Ud，電流降低一半，工作電壓也在器件的承受范圍內(nèi)，可以達到較好的工作效果。

逆變電路采用SPWM的調(diào)制方式，通過EG8060內(nèi)部的SPWM控制模塊實時調(diào)整占空比，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。EG8060芯片可以通過芯片內(nèi)部的SPWM控制模塊輸出4路的SPWM信號，通過2個600 V高壓驅(qū)動器進行邏輯運算，最終變換成4路對應的SPWM脈沖，輸出給主逆變電路的4個MOS管的門極，這樣就可以控制逆變電路的工作狀態(tài),輸出220 V的單相交流電。

表1 三極管工作狀態(tài)

2.4 油門控制系統(tǒng)設計

本文采用EG8060控制芯片，它根據(jù)采集的逆變輸出電壓信號設置油門控制器來調(diào)節(jié)前級電機轉速，從而改變電機的輸入電壓，實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。本文的油門控制器主要由3個模塊組成：轉速檢測電路、數(shù)字PID 控制模塊和步進電機驅(qū)動輸出電路[10-11]。

油門控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。將采集的轉速信號傳遞到EG8060芯片的數(shù)字控制器進行PID調(diào)節(jié)就可以得到對應的步進電機調(diào)整信號，該信號通過電機控制芯片輸送給步進電機來調(diào)整油門開合度。這樣就可以實現(xiàn)轉速和電壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，轉速隨負載的改變而改變，達到實時滿足負載的功率需求，同時盡可能節(jié)能減排。

步進電機驅(qū)動電路如圖8所示。EG8060控制器對步進電機的控制主要由EG8060芯片的Stepper_EN,Stepper_OUT1，Stepper_OUT2 這3個引腳來傳遞指令給LV8549芯片，通過該芯片對步進電機進行驅(qū)動控制。其中Stepper_EN 是控制步進電機的開啟和關閉，Stepper_OUT1 和 Stepper_OUT2 組合輸出實現(xiàn)步進電機的正反轉。

3 仿真結果及分析

使用MATLAB軟件對便攜式移動電源主電路進行仿真，分別有電機、三相半控整流電路和逆變電路等模塊。對主電路進行了參數(shù)設置和波形采集，參數(shù)設置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

對采集的波形進行分析。首先，對于仿真中的電機設置了振輻和頻率，分別為400 V和50 Hz，可以輸出380 V的三相交流電，如圖9所示，輸送給三相半控整流電路。

之后三相交流電輸送給整流電路，仿真選用的三相半控整流電路,確保穩(wěn)定輸出400 V左右的直流電壓，符合后級負載的要求。如圖10所示。

逆變電路仿真采用了全橋逆變電路，同時讓逆變部分的SPWM觸發(fā)器給開關管觸發(fā)信號，將整流電路輸送的400 V的直流電逆變，最后通過濾波電路得到了220 V左右的單相交流電。輸出電壓波形如圖11所示。

4 實驗結果及分析

為論證本文的可行性，測試汽油發(fā)電機逆變電源的性能，對其進行了實驗驗證。本文采用江蘇友和動力機械有限公司提供的3 kW汽油發(fā)動機和無刷直流電機組成實驗平臺，實驗平臺如圖12所示。

對于整流電路的驅(qū)動脈沖進行測量，可以驗證整流驅(qū)動環(huán)節(jié)中晶閘管的觸發(fā)時間與電機的自然換相時序是否同步。將示波器接在三相半控整流電路的晶閘管，開始實驗就可以得到驅(qū)動脈沖，三相半控整流橋的驅(qū)動電路信號如圖13所示。

在空載情況下用示波器對逆變輸出電壓進行測量，測得電壓波形如圖14所示，輸出交流電壓幅值為220 V左右波動，符合設計要求。

5 結 語

本文提出了一種汽油發(fā)電機逆變電源及其控制系統(tǒng)的設計方案，設計了可以輸出恒壓恒頻交流電的汽油發(fā)電機逆變電源。重點分析了逆變電源的設計難點，以數(shù)字芯片 EG8060為核心，設計出了適用于汽油發(fā)電機的控制系統(tǒng)，詳細闡述了其軟硬件設計。并針對逆變電源中特有的油門控制器也做了詳細分析，達到了較好的效果。為了驗證設計的正確性，分別進行了仿真和實驗，結果都驗證了本方案是可行的。