劉江文++梁純++陳曉曦

摘 要：在不改變?cè)扔秒娫O(shè)備的情況下，解決煤礦井下的臨時(shí)用電問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)一種礦用三相移動(dòng)式逆變電源來(lái)實(shí)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(dòng)及保護(hù)電路，EG8030作為逆變控制芯片實(shí)現(xiàn)SPWM波輸出，檢測(cè)電路采集電池電壓和逆變電壓信號(hào)，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)逆變器的啟停和三相SPWM調(diào)制深度控制。

關(guān)鍵詞：礦用；三相逆變；SPWM

中圖分類(lèi)號(hào)：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0102-03

1 概述

煤礦井下施工過(guò)程中，經(jīng)常需要進(jìn)行設(shè)備的拆裝、搬運(yùn)、檢修、維護(hù)，需要臨時(shí)用電。然而，煤礦井下的供電通常是由井下中央變電所通過(guò)敷設(shè)輸電線(xiàn)路供給電能的方式實(shí)現(xiàn)，這種供電方式只適用于設(shè)施固定、長(zhǎng)期運(yùn)行的場(chǎng)所。因此，煤礦井下迫切需要一種無(wú)需敷設(shè)供電線(xiàn)路的移動(dòng)逆變電源，能夠滿(mǎn)足臨時(shí)工作場(chǎng)所的照明和電動(dòng)工具的使用。本文設(shè)計(jì)了一款礦用移動(dòng)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(yīng)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(shí)用電，彌補(bǔ)了當(dāng)前井下集中供電方式的輸電線(xiàn)路長(zhǎng)、安裝周期長(zhǎng)等不足。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

礦用移動(dòng)式三相逆變電源的電路構(gòu)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(jī)界面和電池電壓檢測(cè)、交流輸出檢測(cè)電路組成。

鋰電池選用磷酸鐵鋰電池模塊，標(biāo)稱(chēng)電壓48V，標(biāo)稱(chēng)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I(lǐng)PM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(dòng)電路，額定電流30A，耐壓600V，內(nèi)部集成了過(guò)電流保護(hù)（OC）、短路保護(hù)（SC）、控制電源欠壓保護(hù)（UV）、過(guò)熱保護(hù)（管殼過(guò)熱TcOH、芯片過(guò)熱TjOH）等保護(hù)電路，且可通過(guò)向IPM相連的MCU輸出報(bào)警信號(hào)（ALM），確保系統(tǒng)停止工作。

逆變控制電路采用低功耗單片機(jī)作為控制核心，檢測(cè)鋰電池組電壓和三相逆變主電路輸出的電壓、電流，運(yùn)行PID調(diào)節(jié)算法程序，控制三相純正弦波逆變器專(zhuān)用芯片EG8030的輸出SPWM，對(duì)三相逆變主電路的逆變過(guò)程實(shí)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(diǎn)

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(hào)。芯片具備完善的采樣機(jī)構(gòu)，能夠采集電流信號(hào)、溫度信號(hào)、三相電壓信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓，還具有死區(qū)時(shí)間控制、軟啟動(dòng)、相序反轉(zhuǎn)、相序清零等功能以及過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路、過(guò)熱等保護(hù)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(kāi)環(huán)調(diào)壓模式、三相同步閉環(huán)穩(wěn)壓模式、三相獨(dú)立開(kāi)環(huán)調(diào)壓模式和三相獨(dú)立閉環(huán)穩(wěn)壓模式。其中三相獨(dú)立閉環(huán)穩(wěn)壓模式是EG8030的一種測(cè)試模式。

三相同步開(kāi)環(huán)調(diào)壓模式是EG8030最簡(jiǎn)單的一個(gè)工作模式。只需提供一個(gè)比較穩(wěn)定的高壓直流電源和一個(gè)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(dá)到目標(biāo)值。

三相同步閉環(huán)穩(wěn)壓模式是EG8030的推薦應(yīng)用模式，適用于對(duì)輸出電壓有精度要求的場(chǎng)合。在這種工作模式下，芯片采樣AVFB、BVFB、CVFB腳上的反饋信號(hào)并取平均值得到當(dāng)前三相的平均反饋電壓，再經(jīng)過(guò)內(nèi)部PI調(diào)節(jié)器運(yùn)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(dú)立開(kāi)環(huán)調(diào)壓模式EG8030的另外一種開(kāi)環(huán)工作模式。用戶(hù)通過(guò)調(diào)節(jié)AVFB、BVFB、CVFB腳上的電壓獨(dú)立控制三相SPWM的調(diào)制深度MA、MB、MC。

4 移動(dòng)式三相逆變電源的電路設(shè)計(jì)

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(dòng)電路，內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dòng)電路電源為三組獨(dú)立的+15V DC隔離電源，下橋臂驅(qū)動(dòng)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(hào)接入；報(bào)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(shè)計(jì)中，采用EG8030的三相同步開(kāi)環(huán)調(diào)壓模式，由單片機(jī)通過(guò)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(xiàn)性對(duì)應(yīng)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(jī)采用NXP公司的P89V51RD2，運(yùn)行速度達(dá)36MHz，支持12時(shí)鐘或6時(shí)鐘模式，片上集成1kB SRAM和64kBFlashROM，擁有4個(gè)8位并行通用輸入輸出口、3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器。該款單片機(jī)無(wú)模擬量輸入輸出功能，本設(shè)計(jì)通過(guò)I2C總線(xiàn)外接擴(kuò)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(xiàn)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(guān)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(cè)鋰電池組直流電壓，逆變器輸出的交流電流、電壓，運(yùn)行PID算法程序，根據(jù)結(jié)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(dòng)電路

EG8030的SPWM脈沖輸出為推挽式輸出端口，其灌電流能力達(dá)20mA，拉電流能力僅為5mA。接線(xiàn)時(shí)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(dòng)作的可能性。

5 逆變器軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖5所示。

本設(shè)計(jì)的SPWM脈沖序列由專(zhuān)用三相逆變控制芯片EG8030自主生成的，單片機(jī)無(wú)需參與。逆變控制電路中單片機(jī)的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)檢測(cè)鋰電池組電壓、逆變主電路輸出的交流電流和電壓，動(dòng)態(tài)計(jì)算調(diào)制深度參數(shù)，進(jìn)而設(shè)定EG8030的運(yùn)行特征數(shù)據(jù)，維持和保障整個(gè)三相逆變器的正常工作。

6 結(jié)束語(yǔ)

按照上述方案設(shè)計(jì)的三相逆變電源，集成化程度高、電路簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，與當(dāng)前IGBT+驅(qū)動(dòng)電路+數(shù)字信號(hào)處理器DSP的逆變器設(shè)計(jì)相比較，硬件電路和軟件編程得以大大簡(jiǎn)化。該逆變器作為井下臨時(shí)施工的便攜電源、應(yīng)急場(chǎng)合的備用電源進(jìn)行了測(cè)試并取得良好效果。

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