逆变电源工作原理及调试工艺.doc

逆变电源工作原理及调试工艺WYKN-1000/DC220-AC220 VRE1.2 工作原理简介WYKN系列正弦波逆变电源是一种把直流电源变换成正弦波交流电源的DC-AC功率变换装置，该电源利用高速开关功率器件VMOS（低压输入 ）、IGBT（高压输入大功率）的快速特性，主回路采用一级复合DC-AC结构模式，使用按正弦规律的SPWM调制方法，并经变压器进行功率变换及隔离，次级采用C滤波，把经变压器转换过来的矩形波经C滤成正弦波输出。 采用双电压环及双电流环对整机实施采样及控制，使整机的失真度、稳压特性、带负载能力及过载特性均得到提高。 使整机具有输入极性反接禁止开机。输入过压、欠压、输出过流、过压、短路、整机软启动、过热的保护特性， 输入部分采用三节复式滤波及磁屏蔽，减小了对外反灌噪声电压，提高了电磁兼容性的指标。采用智能型自动调速风机的冷却方式，使冷却风机的寿命比原来延长了23倍。 整机原理部份介绍: 整机可分成1.复式输入滤波部份 2.高速开关管部份 3.单片机SPWM调制部份 4.变压器功率变换部份 5.输出滤波部份 6.辅助供电部份 7.输出电压环和电流环检测部份。8.功率驱动部份以下将分别详细介绍 1. 复式输入滤波部份由C1,C2,C3,C4,C5,L1,L2组成了双 复式输入滤波部份,在正常工作时，该滤波器有三大功能，可以有效阻止外部供电部份的杂波及浪涌电压进入电源主机， 可有效地防止电源内部因开关管高速导通与截止时所产生的强烈电磁谐波幅射干扰外部供电电源 ,及减小对外的反灌躁声电压。利用电感能阻止电流瞬间上升的作用，接在输入端能有效地减小启动冲击电流。在滤波器的后级接了一个大容量的电解电容，该电容可以对输入不平滑的直流电源进行平滑滤波，使输入到开关管上的电源纹波5%。2. 高速开关管部份由VT1VT4组成了全桥SPWM高速开关调制部份 ，工作时每个对角线的管子导通，而另个截止，在开关管两端并接了阻容吸收电路，该部份器件一方面可以改变功率管在关断时电流与电压的相移角度，使关断时的电压与电流相交点下移，从而使关断功率可有效的减小，另一方面可以使主变压器在关断时瞬间产生的自感电动势,(该电动势全部落在开关管的两端)经电容吸收，从而使开关管两端的电压维持在一定的电压范围内。不使开关管因过电压而造成击穿损坏。3. 单片机SPWM调制部份由单片机的RC1.(12脚)RC2(13脚) 及内部的CCp功能模块组成了SPWM高速开关调制部份，该部分的程序根据正弦波交流电的规律设计成 以sin 角度的变化来调制脉宽输出，即每一个脉冲的宽度都相应对应了sin角度从sin 1度开始至sin90度脉宽从最窄到最宽, 从sin 91度开始至sin180度脉宽从最宽到最窄, 从sin 181度开始至sin360度则是重复上述从sin 1度开始至sin180度的开始到结束的过程。该电源调制方式为单极性调制,本电源的主工作频率为50HZ，调制工作频率为16KHZ，每个标准脉宽的周期 为T=1/F=62.5uS，在50HZ的标准工频中每个周波为20mS,一个周期内应该为 20mS/62.5uS=320个脉冲，也就是说按标准值应为320个脉冲，每sin 1为0.78 uS实际上是32 0个脉冲，主要是在sin13及sin177sin180时数值下，导通的脉冲太窄脉宽为3 uS，同理，在sin8793 时数值下，截止的脉冲太窄,脉宽为3 uS，目前使用的高速光耦无法全部通过较窄的脉冲，故所以对在此角度下的脉冲在程序上作了一下合并处理, 50HZ的标准工频中每半个周波为10mS，正半周VT1,VT4导通，负半周VT3,VT2 导通。参见下图 P1 4. 变压器功率变换部份由主变压器组成了功率变换部分，根据变压器原理，U1/U2=I2/I1，把较低的电压转换成了交流输出。在正常工作时，正半周走向:电流从供电电源的正极开始,经开关管Vt1主变压器B1的A端主变压器B1的B端开关管Vt4供电电源的负极。负半周走向:电流从供电电源的正极开始,经开关管Vt3主变压器B1的B端主变压器B1的A端开关管Vt2供电电源的负极。这样在主变压器B1的初级回路中就正反向交替流过了一个矩形波电流。参见图2 根据变压器的互感应原理，在次级端感应出了一个变形的矩形波电流，为什么说会是变形的矩形波电流呢？因为变压器初级是一个电感量很大的线圈，矩形波电流通过该电感时产生了对电感的充电现象,由于电感的自感应原理它将阻止电流上升，所以在矩形波前沿得到的是一个电感充电的波型,具体波形见图3(该波形是串在变压器回路中检测出的)。一般情况下该电流的最大幅值为额定输入电流的2.43倍左右变压器自感电动势反向电流峰值电流基波电流 5. 输出滤波部份由和组成了滤波部份，当输入的变形矩型波经过后，因为电感有阻抗，其阻抗近似2兀FL，其中电感分成两部份，一部份为主变压器B1的漏感，另一部份为电感。该部份相当于一个低通滤波器，通过时阻抗很小，而16时阻抗很大，所以工频的电流大部份多通过了电感线圈，而对16的高频则阻抗很大，通过的很少，再经电容滤波后，在输出端上得到了一个近似的正弦波电流。6. 辅助供电部份由一辅助供电电源板组成了整机工作的辅助电源部份，该电源根据需求，输入可以有12V,24V,48V,110V,220V五种，输出则为标准的24V0.1A四路及12V0.7A一路，其中24V供给主开关管的驱动部份，12V经控制板上的7805三端稳压集成电路给单片机供电。7. 输出电压环和电流环检测部份由电压采样变压器B2组成了输出电压采样部份，次级采样电压为17V经D9D12整流滤波波形图见图4及R3.R4.W2分压至1.55V后，送到单片机的AD采样口RA1，经单片机内部的程序决定执行个程序主开关管VT1VT4定时导通分配子程序，稳压部份子程序及而改变输出脉宽的大小,图5.最终通过主开关管、变压器及输出滤波，而完成整个电压采样反馈调整输出图中的URD是电压采样整流二极管的管压降，约为0.30.4V，(采用肖特基二极管时)采样正弦波电压从0V开始达到URD点的时间T0即为整流二极管的开始导通点时间，该时间越大，相应采样的零点误差越大，在整机输出的波形上交越失真也可能越大。单片机的AD口RA1接收到此过零点信号后，执行主开关管VT1VT4定时导通分配子程序。根据判别认为第一个波形为正半周的，它命令主开关管VT1.VT4导通，第二个波形是负半周的，它命令主开关管VT3.VT2导通。同时根据采样电压的高低而执行第二个稳压部份子程序。图5中第二个脉冲波形是在标准状态下的驱动输出，即认为输入是额定电压下，输出是额定电压下的额定负载，当输入电压升高或输出负载减小时，单片机的稳 压子程序将使脉宽减小，可看图5中的第三个波形，当输入电压降低或输出负载加大时，单片机的稳压子程序将使脉宽增宽，可看图5中的第一个波形，由电流采样互感器B3组成了输出电流采样部份，次级采样电压为34V经D13D16整流C10滤波R5.R6.W3及C24滤波消除毛刺分压至1.21V后，(这时相对应的输出电流己达到倍的过载)送到单片机的AD采样口 RA2，经单片机内部的程序决定执行过流保护部份子程序，而改变输出脉宽的大小，最终通过主开关管、变压器及输出滤波，而完成整个电流采样反馈调整 。在电流采样信号经D13D16整流C10滤波后另分支出一路信号到短路保护功能电路部份。该部份由R29.R30.W6组成输入分压至2.53V、(这时相对应的输出电流己达到3倍的过载及短路状态)由R27.R28组成基准设置电压值定在2.5V、由运算放大器IC2(LM358)正反馈电阻R27组成比较器，当采样到的电压大于基准电压，比较器翻转，输出低电平，该信号送至单片机的RB0端口，单片机的RB0端为最优先级中断，只要一收到低电平信号即执行短路保护子程序，马上关断输出。8.功率驱动部份由QD1QD4组成,由单片机脉冲输出端的信号经三极管放大后经R51限流后（接在光耦的2脚上）推动高速光耦6N136,当光耦的发光二极管输入高电平时，光耦的三极管部分集电极(光耦的6脚)输出为低电平，因5Q1.5Q2的基极同时经过电阻5R2接在此端，同时并在此端的5C2作为吸收毛刺作用，故一路5Q2的集电极（点）输出为高电平，该高电平推动5Q4.5Q5极。因为5Q4是N沟道形场效应管,所以5Q4导通,在输出端出现高电平。另一路5Q1的集电极输出高电平，但此高电平信号是有一个充电上升时间的，因为5Q1的集电极输出接有电容5C3，在5Q1的集电极的输出从低到高的变化事实上受到5C3影响，该时间由5R4、5C3的时间常数决定，约为2.4 S，设置这时间的主要作用是因为开关管有一个上升沿T，(该时间视开关管不同均不相等，VMOS开关管一般为0.080.2S 左右,IGBT开关管一般为0.20.5S 左右),当5Q2输出高电平以此推理输出管即导通而实际上却因荐在着上升沿原因，不会马上导通，也就是说该开关管极电压未能马上达到导通饱和电压，此时从前级来讲驱动脉冲信号己输出，而开关管端极电压有可能处于十几伏状态，如没此延时时间，则过流短路检测部份会误判为过载状态导至误动作而关闭输出。（在调试中应根据开关管的不同来选取值，一般可加大倍，但太大后会导此在窄脉冲短路时不起作用）。5Q1的集电极输出充电经过5R5后（点）又分成二路，其中一路经高压二极管5D5到功率输出管，因为主开关管的导通压降VCES较小，视管子不同，压降也不一样，(一般在左右)，这样就使点的电压为5D5的压降取4.48.4V左右，该电压不足以使稳压管5D2击穿，所以5Q3处于截止状态。集电极处于高电平并令5D3反偏截止5Q2的工作状态不受影响。当功率输出管过流或短路时，一般为23倍的额定IC电流,而导止该管的压降急剧增大，其数值可大于912V,从而使（点）的电压，结果导至使稳压管5D2击穿, 5Q3处于导通状态。集电极处于低电平，并令5D3导通,把（点）电平拉下来，使5Q4的工作状态 受到影响变成了截止状态，整个输出呈现低电平，关闭了输出驱动。在5Q3的基极并联了一个电容5C4，该电容的作用为，当功率输出管过流或短路时，根据前面所述结果会导至使稳压管5D2击穿, 5Q3处于导通状态。而根据功率开关管的特牲及线路中的需求，强行硬关断驱动会导止功率开关管 内部产生受应变力损伤，所以采取了一种软关断，即稳压管5D2击穿而令5Q3导通的同时，必须要使5C4充电至0.7V才能使5Q3导通，该时间一般定为10S左右，考虑到管子的过载性能可以把此电容改小 为1/21/3 左右，一般IGBT减小1/3，VMOS减小1/2。在的5D3负极接了一个电容5C5，该电容的第一作用是当每一次过载关断该电路自恢复时，是必须满足5Q3截止，此时而因5C5的荐在，5D3处于反偏的电压是由5R9对5C5充电取得的，该时间即为恢复时间，约为125S，该时间太长了会导至电源在窄脉冲工作时出错，所以可把参数改小一半左右。第二作用是当过流或短路导至5Q3导通时， 集电极处于低电平，5C5通过5R8及5Q3放电，放完后才能使 5D3导通,把（点）电平拉下来，使5Q4的工作状态 受到影响变成了截止状态，整个输出呈现低电平，关闭了输出驱动。当光耦发光二极管输入低电平时，光耦的三极管部份集电极输出为高电平，因5Q1.5Q2的基极同时接在此端，故一路5Q2的集电极输出低电平，该低电平推动5Q4.5Q5极。因为5Q5是P沟道形场效应管,所以5Q5导通,在输出端出现低电平。关闭了输出驱动。因为目前使用的功率开关管除了VMOS就是IGBT，所以当5Q5导通时，功率开关管BE(GE)极通过防振限流电阻5R12构成回路，而导至BE(GE)极快速放电，也就是说加速了功率开关管截止的过程 。在电路中外电源供电电压为24V而驱动所用的电压为正15V负9V，在线路中5R11、5D4起到了此作用，该 线路以5D4的负极作为0V往上为+15V，往下为-9V，作为反偏电压。5C6、5C8 为正15V 电源的傍路滤波电容，5C75C9作为负9V 电源的傍路滤波电容，同时也给功率开关管BE(GE)极放电提供了除5D4外的笫二条通路。因为功率开关管BE(GE)极放电时电流较大，特别是采用多个VMOS并联时稳压管根本无法提供出这么大的电流可以在采用多个VMOS并联时，把5C7加大一倍，但应尽可能采用高频电介。 逆变电源WYKN1000 调试工艺一、调试前的准备1 1工具及仪表：应备好焊铁、镊子、尖嘴钳、剥线钳、细丝刀、剪刀等常用电工工具，万用表，高压直流电源DC0250V5KW15KW一组，辅助直流电源一组（内含24V0.1A电压4组，12V0.7A电压1组），示波器，摇表，模拟指示灯等仪表。2 调试部序3 第一步先调电源部分，第二步调主控板，第三步调主机，第四步带负载检测。1 11静态检查：调试步骤1、对照控板电路图及印板图，仔细检查有无错焊、漏焊、虚焊、焊点短路、元件相碰等情况，将可疑点重焊，特别注意集成块的方向有否接反，电解电容的极性是否接对，并改正。2、在UC3842集成块上加18V电源（管脚7），(由独立的18V0.2A稳压电源)UC3842各点电压值脚号12345678管脚功能电流保护端电压放大器反相A电压放大器正相振荡输入端接地B电压放大器反相B电压放大器输出电源基准电压V4.92.51*2.5*00.20.5VCC5动态V12.5时脉宽变窄1.3*时脉宽变窄2.5*0Vcc-0.6*VCC5-0.05标注*号是用示波器直流档测量 VCC=18V 用示波器检查管脚6驱动是否正常，且功率管G、S端电压Vgs17V-18V，若超过20V范围，功率管易损坏。同时检查UC3842其它管脚，当管脚1电压1V, 管脚3电压50 mm，偏离风扇中心），各部件间，特别是与此两发热器间应留有一定距离。14 按元部件 排列位置，在底板止画出各部件间安装孔的位置 及孔径图，并在底板和散热器上钻好相应的孔。15按部件排列图和输出功率大小，列出接线表。16依接线表，备好相应导线，并备好绝缘垫片、铜条、接头等辅件。17应仔细检查各元器件的好坏，两块印制板除静态检查外，还应加电检查。171控制板： P5173电源输出变压器：为了减少漏感，该变压器通常采用初、次级交叉分层绕制的方法。变压器绕好后，有诸多接头，需用刀子和砂纸把各个线头上的漆仔细干净，并预焊好，再将输入，输出按层顺序连好。每焊一点，务必用手拉一拉，看是否牢固，并用摇表分别检查初、次级对外壳绝缘情况，其绝缘电阻应2M欧姆。174电压反馈变压器：用万用表测量，输入约2。4K欧姆左右，输出约2*220欧（使用中，只用了1组）。175电流反馈互感器：用万用表测量，两接头是否相通（阻值很小）。应避免导线裸露，外面可用塑料套好。176输入电抗器：定性地测量两电抗器的（1）、（3）及（2）、（4）头是否相通，几只小电容是否焊牢。177无极性电容器：用数字表测出5只电容量均在33uf左右，外表无击穿痕迹。178模块：每块上集成了两只IGBT管，用万用表二极管档测量，E B 间正向显示应为0。6V左右，E B反向及其它各极正、反向均为。179电压表：表的两端接入市电，应和用万用表测量的数值差不多（220V左右）。并注意零点是否正确。2整机装配：21按部件排列图及底板，机壳上的孔位，固定好各部件，要求牢固不桧。（输出变压器加要浸漆，可暂时不固定）22按接线表，将各部件用相应导线连好。各焊点要光滑如珠，美观可靠。用接插座的地方，则要绝对接触牢固。23模块的E、C脚及输入输出端子与别的部件连接的电流较大（20A30A），故要用相应接头，接头外面应套上套管，增加美观及绝缘性能。24装配的注意事项：241大功率器件（IGBT）与驱动板的12根连线一定要可靠，各管的E B 线一定要绞结。辅助电源板和驱动板的插头、插座连接也一定要牢固。242电流采样互感器不宜空载，与其并联的电阻器，根据计算，应为10欧姆左右，一开始可接10欧/1W，以后再作调整，切不可一开始就接入太小阻值。243接线表中给出的线长，仅是一个参考，功率器件到驱动电路的12根线应尽量短。3整机调试：31调试框图：本机输出功率较大，若单相自耦变压器及整流器件功率不够，则可用三相代之，如下图所示： P632调试仪表： 如上图。除常用工具外，尚需仪表：双踪示波器( 20MHZ)、直流电流表（050A）、直流电压 表（0250V）、交流电流表（050A）、交流电压表（0250V）、自耦调压器（15KVA，单相或三相）、4只整流二极管（300V，50A）、电解电容器（4700uf ,400V）,假负载用电阻丝（1050欧）。33调试步骤：331对照接线表，仔细检查各接线是否正确和可靠（特别是各插头和插座），有否相碰断开或接地。332先将机器输入端子和电源断开，调自耦变压器刻度约为160V左右，此时测量经整流后并经大电容滤波的直流电压约220V左右333空载试验：机器先不接负载，将其输入端子接入调好的220V直流电压（要注意接入的极性），调控板上的电压反馈电位器W2，使输出为220V，输出波形近似为50HZ正弦波，如下图：改变调压器，使输入电压由198V253V（额定值220V的-10%+15%），输出应能稳定在213。4226。6V（额定输出交流电压220V的3%）范围内。334轻载试验：将机器输入端子与输出直流电源断开，在互感器输出端并联1只10欧/1W电阻（亦可用5。1欧/1W电阻与20欧/1W电位器相串），接入50欧电阻丝作为假负载，将电流反馈电位器W3反时针旋到底（此时阻值最小）。再在输入端子上接入220V直流电压，（因接负载后，直流电压会下跌，需重调自耦变压器），调控板上的电位器W2（靠左边的1只），使输出为220V。若调不到机器有可能处于限流状态 逆变电源调试（1） 在输入电压接上之前,先用示波器观察四路驱动BE波形是否正常.把示波器周期档调到5ms/格,电压档调到5v/格(1:1探头)或者调到0.5v/格(1:10)探头.前者在示波器上读出来的电压值就为实际值,而后来读出的电压值再乘以10才为实际值.探头的鱼钩应钩住B极,而探头的鱼尾夹则夹住E极.输EB间的波形正常时应该是+15V、-9V的 方波. +15V -9V（2）驱动正常后,将输入端接上直流电(注意、+、-).初调时先用独立供电(交流)的辅助电源给控板供电,因此在未接输入电压前,控板一直在工作,开关管上一直有驱动.如果把输入端接反,输入稍加电压时,开关管可能就损坏.而用DC-06辅助电源时,如果输入接反,由于DC-06输入端有一个导向二极管,输入接反DC-06不工作,故逆变器不工作. （3）输入端慢慢加电压,用示波器观察输出电压波形是不是慢慢上升的矩形波,而且要注意正负半周波形是否对称.如果发现有异常情况就不能继续往上加电压,以避免意外情况发生.波形异常通常是由于四组开关管不匹配(参数不一致)造成的.特别是多个开关管并联使用时最容易发现波形异常.所以在多个开关管并联使用时最容易发现波形异常.所以在多个开关管并联使用时最好加均流环,这样使每个开关管的电流基本一致,避免个别开关管电流过大而损坏. （4）当输入电压上升到额定电压的60%75%时,应开始调节电压反馈电位器使输出电压达到额定电压值.用示波器看输出电压应近正弦波.如果调节电位器不起作用,应检查电压采样部分线路.（5）将输入电压以额定电压的90%调至额定电压的115%(-10%+15%),输入电压应稳定在额定输出电压的3%的范围内.如果输出电压为220V,输出电压应稳定在213.4226V(额定输出交流电压220V3%)范围内.（6）断开输入端电源,在串在变压器初级的互感器输出端并联一个电阻,该电阻大小由计算公式R4.5V/(34)Iin *100(互感器次级圈数100时)所得.电阻两端电压作为电流采样的取样电压接入控板的电流采样部分来控制逆变器过流或短路.将电流反馈电位器反时针拧到底(此时电位器电阻最小).输入端接上电源使电压达到额定输入电压,然后带载(电炉丝).由于带载输入电压会降下来,应调节自耦变压器使输入电压达到额定电压.带负载也会引起输出电压下降,其范围应3%的额定输出电压.(7)当输出功率大于额定输出功率的10%时,逆变器要处于限流状态以保护逆变器过功率而损坏.在额定输入电压下,将负载带至额定输出功率1.1倍.然后顺时针拧电流反馈电位器并观察示波器上的输出电压波形,若输出电压波