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逆变电源工作原理及调试工艺
逆变电源工作原理及调试工艺WYKN-1000/DC220-AC220VRE1.2
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LC滤波,把经变压器转换过来的矩形波经LC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2~3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,①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,②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。
③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。
④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VT1~VT4组成了全桥SPWM高速开关调制部份,工作时每2个对角线的管子导通,而另2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sin1度开始至sin90度脉宽从最窄到最宽,从sin91度开始至sin180度脉宽从最宽到最窄,从sin181度开始至sin360度则是重复上述从sin1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sin1℃为0.78uS实际上是320个脉冲,主要是在sin1℃~3℃及sin177℃~sin180℃时数值下,导通的脉冲太窄脉宽为3uS≤,同理,在sin87~93℃时数值下,截止的脉冲太窄,脉宽为3uS≤,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
P`1
4.变压器功率变换部份由主变压器B1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220V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2.4~3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L3和C组成了滤波部份,当输入的变形矩型波经过L3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L3电感。
该部份相当于一个低通滤波器,50HZ通过时阻抗很小,而16KHZ时阻抗很大,所以50HZ工频的电流大部份多通过了电感线圈,而对16K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DC一06B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DC12V,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D9~D12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2个程序①主开关管VT1~VT4定时导通分配子程序,②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4中的URD是电压采样整流二极管的管压降,约为0.3~0.4V,(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VT1~VT4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3~4V经D13~D16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1·2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D13~D16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QD1~QD4组成,由单片机CCP脉冲输出端的信号经三极管VT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(D点)输出为高电平,该高电平推动5Q4.5Q5G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T1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τ决定,约为2.4μS,设置这时间的主要作用是因为开关管有一个上升沿Tr,(该时间视开关管不同均不相等,VMOS开关管一般为0.08~0.2μS左右,IGBT开关管一般为0.2~0.5μS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CE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CE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Tr的不同来选取值,一般可加大2~4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(C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3~7V左右),这样就使C点的电压为3~7V+5D5的压降取1·4V=4.4~8.4V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2~3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9~12V,从而使(C点)的电压>13V,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(D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10μS左右,考虑到管子的过载性能可以把此电容改小为1/2~1/3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125μS,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(D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5Q4.5Q5G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,5C7
5C9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WYKN—1000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DC0~250V5KW~15KW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。
1.1.1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
1
2
3
4
5
6
7
8
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V
4.9
2.5
1*
2.5*
0
0.2~0.5
VCC
5
动态V
1<时开始保护
>2.5时脉宽变窄
>1.3*时脉宽变窄
2.5*
0
Vcc-0.6*
VCC
5-0.05
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Vgs=17V-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<1.2V时,控制电路正常。
管脚2电压=2.5V,管脚8电压=5V
3、加电调试,并用示波器观察功率管D、S之间的波形是否正常,并用数字表测量输出电压是否达到要求,若没有,通过调节电位器W1,调节占空比以使输出达到要求,调节时,使每组7824输出电压为27~35V之间。
4、检查是否达到各项技术指标
五、常见事故及注意事项
1、变压器头尾搞措,导致打管子。
2、有时加上直流输入电压后,机器不工作而检验UC3842驱动正常,这可能是由于启动电路出故障,应检查D2、18V稳压管是否是好的,同时检查VT1、R1、R2。
有时D1坏了,机器也不能工作。
3、对于220VDC-06电源,TP500易损坏,这是由于自馈绕组匝数不够,提供电压小于启动电压。
TP50损坏,功率管VT3和3842均会损坏。
4、Vds波形尖峰太高,缓冲电路电阻R3太热,应注意变压器的绕制同时加大吸收。
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,并用万用表检查板上5只三级管、各二极管的好坏,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,单片机插座及晶振是否焊牢,所加4根裸线是否正确等。
1.1.2加电检查:
先不插单片机,加上4组驱动电路用24V电源和单片机用的1组12V电源(经整流滤波稳压后为5V),
测量板上相应点电压:
4路驱动供电电压为24V左右,单片机(PIC)插座(20)脚为5V),运放LM358的
(1)脚为3.7V、
(2)0V、(3)为2.5V。
这些电压正确无误后,断开电源,将单片机插上(注意到方向),用万用表量PIC16-73各脚和板子上对应的脚,一一导通,说明PIC16-73插得下正确。
再在板上加上电源(5路),用示波器观察4路驱动输出eb间的波形,正常时,应有前后沿、2V左右幅度的方波,如下图:
光耦输入约为2V左右方波,输出则衰减到小于1V,将ec间瞬间短路,eb间幅度则可达19V左右,4路波形应基本相同。
工作、故障模拟指示灯均亮(事先应将两指示灯接至板上相应位置)。
说明驱动电路、单片机工作基本正常。
1.7.2辅助电源板:
DC06A
另见DC06A调试工艺,此板因已中间试验过,可先稍检查一下各焊点情况,再在板子输入端接入220V电压(注意极性)测相应5路直流输出情况,应分别为4路24V+-0.2V、1路12V+-0.1V左右,特别应注意,此系反激式开关电源,故输入电压要一次性加足,以免损坏器件。
WYKN-K4A3(4)控制板调试步骤KN2-2
模拟调试就是模彷在实际工作条件下进行调试,首先需选择合适的直流电压作为模似调试电压源,因为单片机(PIC16-73A)和双运放LM358的工作电源电压均为5V,IC1(7805)输出5V电压正好可作为模拟调试电压源。
当控板上电后,用万用表测量单片机各点的电压值参见表1
表1IC1PIC16-73A(B)管脚电压状态表
管脚
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
功能
MCLR
复位
RA0
AD采样
RA1
电压采样
RA2
电流采样
RA3
RA4
RA5
VSS
接地
OSC1
振荡
OSC2
振荡
RC0
CCP2
脉冲输出A
CCP1
脉冲输出B
RC3
空
静态电压
1.2
0V
动态电压
3.8*
3.8*
管脚
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
功能
RC4
空
RC5空
RC6空
RC7空
VSS接地
VDD正电源
RB0短路输入
RB1
空
RB2
空
RB3
空
RB4
空
RB5
空
RB6
空
RB7
空
静态电压
0V
5V
4.3V
动态电压
0.7
用万用表测量主要晶体管各点的电压值参见表2
表2控板各主要参数电压值表
检测点
A
B
C
D
E
F
G
H
功能
静态电压
波形电压
检测点
I
J
K
L
M
N
O
P
功能
静态电压
波形电压
在调试前把W2、W3、W6阻值均调到零电阻值。
用示波器时基拨到t/div=50μS档,电压拔到V/div=5v档观察每一路驱动输出端B、E是否有驱动信号输出,驱动信号为周期10mS的矩型波电压,(电源输出为50HZ时)
一、四路驱动输出信号幅度及波形应基本相同,允许误差+-0.2V。
若四路均有驱动信号输出,则可分别调试交流稳压,电流保护和短路保护电路。
若四路均无驱动信号输出,应检查单片机PIC16-73A的RC1.RC2端口是否有驱动信号输出,若有信号输出,则应检查四路驱动电路,若某一路无驱动信号输出,则应检查该路的驱动电路各部份工作电压及波型状态是否正确。
二、输出的交流电压调整,把+5V端接到W2电位器上端,调整W2阻值,可增大或减小,当调到中心端即RA1输入口(也叫模似电压A/D采样输入口)电压为1·55V时,这时相对应的输出交流电压约为220V,把电压调高到某一值时会无驱动信号电压输出。
这时代表单片机程序根据采到的电压数值判定为输出过电压状态,故作过压保护处理。
将RA1端电压调到1·55V时固定下来,不再作调整。
三、输出过流保护调整,用一只4·7K电位器一端接十5V电压,另一端滑动触点接W3上端,电阻调到4·7K,调W3使阻值增大,使RA2端口(也叫模似电流A/D采样输入口)的电压增大,当达到某一阻值时红色发光二极管会发光,这时相对应的电流采样RA2端电压为1·2V,(代表单片机程序根据采到的电压数值判定为输出过电流状态,故作过流保护处理),也相当于电流保护电路己工作,把W3调到最大值,再调小4·7K电位器阻值。
当RA2端电压为3·02V时红色发光管闪光,(这时单片机程序根据采到的电压数值进一步判定为输出从过流状态转为短路状态,故作短路保护处理),即执行立即关闭程序,使输出口无驱动电压输出)这时无驱动输出电压,从整机的输出结果上看来己命令交流输出电压为零。
如W3阻值调到以上值不再继续调整,则红色发光管会一直闪光,如把W3阻值稍调小,红色发光管在闪光3分钟后会停止闪光,并处于长亮状态。
如将RA2端电压调低于1·2V,红色发光管会熄灭,此时有驱动信号输出。
也就是说,当实际态在过流或短路后因人工干预减小了电流后,单片机程序会根据采到的电压值自动恢复正常工作状态。
输出短路保护调整,将W6阻值调到零,R29与输入电压端断开后接十5V电压,把W6阻值逐渐调大,把电压表测量表棒接在W6中心抽头端,当调到2·53V时,比较器(由IC2的LM358双运放的1/2担任)的反相输入端⑥高于基准端⑤,故输出端⑦呈现低电平,即近似于0·7V,此信号送至单片机的RB0端口(该端口为中断输入口,当接收到0电平时,单片机程序根据采到的电压数值判定为输出短路状态,故作短路保护处理,即执行立即关闭程序,使输出口无驱动电压输出),同时红色发光管闪光,此状态表示逆变器输出己超
过额定负载的三倍或负载己处于短路状态。
调试结束后应将R29与输入电压端连接上。
实物电源中红色发光管定义为故障指示灯,绿色发光管定义为工作指示灯。
1装配前的准备:
1.2按电路图,先列出元部件清单(应注明名称、型号规格、代号、数量等),备足所有元部件。
1.3画出元部件排列图。
排列时,先按排好变压器、散热器等大件位置(此两发热部件,离风扇距离应>50mm,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。
1.4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。
1.5按部件排列图和输出功率大小,列出接线表。
1.6依接线表,备好相应导线,并备好绝缘垫片、铜条、接头等辅件。
1.7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。
1.7.1控制板:
P5
1.7.3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。
1.7.4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)。
1
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