1、建筑消防应急电源 DC/AC 变换研究 马鸿雁 谢扬飚 李炳华 岳云涛 覃剑戈 贾佳 北京建筑大学电气与信息工程学院 悉地 (北京) 国际建筑设计顾问有限公司 摘 要： 针对建筑消防应急电源系统 DC/AC 变换问题, 对三相逆变器进行电压电流双闭环 SPWM 控制进行研究:采用 DSPTMS320F2812 控制器、DSP 控制器生成 SPWM 脉冲信号, 通过 IR2130 芯片作为驱动电路对三相全桥逆变电路进行电流电压闭环SWPM 控制;输出的三相交流电经滤波器滤波, 在负载上得到稳定的正弦波交流电。关键词： 消防应急电源; DC/AC 变换; 三相逆变器; SPWM; DSP 控制;
2、控制电路; 逆变电路; 滤波电路; 作者简介：马鸿雁, 女, 北京建筑大学电气与信息工程学院, 副教授, 电气工程系副主任。作者简介：谢扬飚, 男, 北京建筑大学电气与信息工程学院, 硕士研究生。作者简介：李炳华, 男, 悉地 (北京) 国际建筑设计顾问有限公司, 教授级高级工程师, 电气总工程师。作者简介：岳云涛, 男, 北京建筑大学电气与信息工程学院, 副教授, 电气工程系主任。作者简介：覃剑戈, 男, 北京建筑大学电气与信息工程学院, 硕士研究生。作者简介：贾佳, 女, 北京建筑大学电气与信息工程学院, 硕士研究生。收稿日期：2017-09-13基金：北京市科技计划课题项目, 项目名称:
3、文物建筑电气火灾监控及防火技术研究与应用示范, 项目编号:Z171100004417031Research on DC/AC Conversion of Fire Emergency Power Supply for BuildingsMA Hongyan XIE Yangbiao LI Binghua YUE Yuntao QIN Jiange JIA Jia College of Electricity and Information Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture; CCDI Gr
4、oup; Abstract： In terms of the issues about DC/AC conversion of fire emergency power supply system of buildings, the research on voltage and current double closed-loop SPWM control of the three-phase inverters is made: DSPTMS320 F2812 controller and DSP controller are adopted for generating SPWM pul
5、se signals, and IR2130 chip is used as driver circuit for the voltage and current double close-loop SWPM control of the three-phase full-bridge inverter circuit;the three-phase alternating current output passes the filter for filtering; the stable sine wave AC is obtained on loads.Keyword： fire emer
6、gency power supply; DC/AC conversion; three-phase inverter; SPWM; DSP control; control circuit; inverter circuit; filter circuit; Received： 2017-09-130 引言在已有的各种电源中, 蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源, 当需要这些电源向交流负载供电时, 就需要逆变电路。另外, 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛, 其电路的核心部分都是逆变电路。逆变电路的基本作用是将直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都
7、任意可调的交流电源。消防应急电源也是一种通过逆变电路把蓄电池的直流电能逆变成正弦波交流电能的应急电源, 其在建筑领域的应用非常广泛1-5。本文将对建筑消防应急电源 DC/AC 变换设计进行探讨。1 消防应急电源拓扑及程序设计消防应急电源系统主要由三相逆变电路、控制电路、LC 滤波电路、驱动电路、检测电路 5 部分组成, 从而实现 DC/AC 的三相变化。本设计采用 SPWM (正弦脉宽调制) 调制方式, 图 1 为系统控制电路框图。交流输入电压经过整流后得到一个直流电压, 降压至指定数值要求, 经过全桥逆变电路得到交流输出电压, 给消防负载供电6-8。1.1 三相逆变电路的设计本设计逆变电路采
8、用电压型三相桥式逆变电路, 其原理如图 2 所示。三相逆变电路中的开关器件均选用 MOSFET 金属-氧化物半导体场效应晶体管, 型号为 C2M0025120D, 耐压值为 1 200 V, 工作电流达到 90 A。它具有工作速度快、输入阻抗大、驱动电路简单、控制电路简单、工作频率较高、元件容量大等优点。图 1 消防应急系统控制电路框图 Fig.1 Block diagram of control circuit of the fire emergency system 下载原图图 2 全桥逆变电路结构图 Fig.2 Diagram of full-bridge inverter circui
9、t structure 下载原图三相全桥逆变电路中, 6 个二极管有限制过电压的作用, 对 MOS 管进行保护。由于二极管和 MOS 管的电压和电流几乎相等, 所以选取二极管的型号为:快恢复二极管。1.2 控制电路该方案采用 DSPTMS320F2812 控制器编译 PID 算法, 采用 SPWM 波形调制技术形成的控制电路, 使得逆变器输出电压波形尽可能地接近于理想的正弦波。1.3 SPWM 的生成SPWM 是在 PWM 的基础上改变了调制脉冲方式, 脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列。SPWM 用输出的正弦信号作为调制波, 用高频三角波作为载波, 控制逆变器一个桥臂的上、下两个开关管导通与关
10、断, 从而在负载上产生交变电压。本设计的 SPWM 调制采用三角波作为载波。用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波, 再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断, 从而实现 SPWM 脉冲信号的生成。当三角波只在其顶点 (或底点) 位置对正弦波进行采样时, 由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽在一个载波周期 (即采样周期) 内的位置是对称的, 即规则采样法。脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列, 可根据相关公式算出占空比表, 用于控制程序编译。1.4 输出滤波电路设计本设计输出滤波电路采用的是星形结构的交流三相 LC 滤波器, 每相上连接的等效滤波电感 L、等效滤波电容 C 均相等, 即 L=L1=
11、L2=L3, C=C1=C2=C3, 连接方式如图 3 所示。图 3 星形结构的滤波器 Fig.3 Star-shaped filter 下载原图载波频率为 12 k Hz, 而截止频率为载波频率的 1/101/5, 本设计载波频率选定 2 k Hz。LC 滤波器等效滤波电感 L、等效滤波电容 C 依据公式 (1) 、 (2) 计算:式中:Uo输出相电压;Io输出相电流; 1信号波角频率; LLC 滤波器的截止角频率。经过计算, L=1.112 m H, C=56.93F。1.5 驱动电路驱动电路是将控制电路产生的 PWM 信号加以隔离、放大, 形成驱动各开关器件动作信号的电路。它将逻辑电平的
12、控制电路与驱动 6 个 MOS 管的开关电路连接。本设计采用的是以 IR2130 芯片为主的驱动电路。它可用来驱动工作在母线电压不高于 1 200 V 电路中的功率 MOS 开关管器件。1.6 检测电路检测电路采用双闭环控制。单电压环内增加电流环后变为双环控制, 根据电流内环参与反馈的参数的不同, 可以分为内环电容电流反馈和内环电感电流反馈两种双环控制。电压检测流程如图 4 所示, 输出 AC 电压后, 进行降压, 利用DSP 内部程序检测电压值是否与所规定值相符, 如在误差允许范围内则输出波形;反之, 则反馈至控制电路进行调节。电流检测基本流程同电压检测, 只需把电流数据转换成电压数据即可。
13、2 参数选择与系统测试本文依据上述方案研制 10 k W 建筑消防应急电源, 该应急电源主电路选择 MOS开关管 C2M0025120D, 驱动电路选用 IR2130 芯片及外围电路。测试仪器选用数字示波器、FLUKE435B 电能质量分析仪、FLUKE342 钳形电流表、FLUKE15B+数字万用表等。实验数据如表 1 所示。图 4 电压检测流程图 Fig.4 Flow chart of voltage detection 下载原图通过系统测试, 可以得到如下结论:a.负载线电流有效值 Io 为 1.62.8 A 时, 线电压有效值 Uo 基本维持在 394 V左右, 频率 fo 基本为 5
14、0 Hz。b.在基本要求工作条件下, 交流母线电压总谐波畸变率 (THD) 小于 1.1%, 抑制谐波效果较好。c.在基本要求工作条件下, 应急电源系统效率高于 90%, 变换器工作效率较高。3 结语本文针对建筑消防应急电源采用双闭环 SPWM 控制的三相逆变电路设计进行了研究和实验测试。在控制电路部分, 本方案采用 TMS320F2812 型号的 DSP 控制器, 此芯片的精度高, 成本低, 功耗小, 并且运算速度快, 数据处理能力强, 最后得出的实验数据较为理想。表 1 10 k W 建筑消防应急电源输出线电压及效率 Tab.1 Line voltage and efficiency of
15、 10 k W buildings fire emergency power supply output 下载原表 参考文献1李明媚.微电网中并网逆变器控制研究D.北京:北京交通大学, 2009. 2卢彦杰.三相逆变器并联技术研究D.北京:北京交通大学, 2011. 3蔡启博.基于双闭环控制技术的三相逆变器设计与实现D.杭州:浙江工业大学, 2016. 4马建伟.满意 PID 控制设计理论与方法M.北京:科学出版社, 2007. 5邓清秀.三相逆变器 PWM 实现方法研究D.武汉:武汉工程大学, 2006. 6姚文熙, 吕征宇, 费万民.基于 PWM 分解的三电平逆变器 SVPWM 的 DSP
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