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互動式逆變器市電切換電路設(shè)計研究

前言:想要寫出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了互動式逆變器市電切換電路設(shè)計研究范文,希望能給你帶來靈感和參考,敬請閱讀。

互動式逆變器市電切換電路設(shè)計研究

摘要:針對中低端互動式逆變器,市場更加注重成本和可靠性。從互動式逆變器的功能需求出發(fā),設(shè)計一種簡單實(shí)用且安全可靠的市電偵測電路,無需占用MCU或單片機(jī)資源,同時利用電容倍壓原理加快繼電器吸合,縮短切換時間。該電路有利于降低產(chǎn)品成本,增加可靠性及穩(wěn)定性,改善產(chǎn)品性能(縮短切換時間)。

關(guān)鍵詞:互動式逆變器;市電;切換;電容倍壓

引言

逆變器(Inverter)是把直流電轉(zhuǎn)變成交流電(一般為市電電壓,波形為正弦或方波)的裝置,所用的直流電源是蓄電池。光伏逆變器則使用太陽能光伏電池板和蓄電池的組合作為輸入。從輸入端看,逆變器或光伏逆變器分為兩類。一類不需要依賴市電,將蓄電池的電能逆變成市電,向用電設(shè)備(負(fù)載)供電。這類逆變器的蓄電池必須通過其他充電設(shè)備或通過光伏電池板進(jìn)行充電。另一類是互動式逆變器,帶有市電輸入。當(dāng)市電電壓正常時,將市電直接旁路或做必要的穩(wěn)壓處理后向負(fù)載供電。當(dāng)市電停電或者電壓超出正常范圍時,切換到逆變回路給負(fù)載供電。這類逆變器通過自帶的充電電路或通過逆變電路反向工作[1],對電池進(jìn)行充電。互動式逆變器進(jìn)行市電與逆變回路切換時,必須解決兩方面問題:一是偵測市電是否存在以及電壓是否正常,對于并網(wǎng)型逆變器還要偵測市電的相位和頻率;二是切換時間不能超過應(yīng)用場合的要求(通常在10ms以內(nèi)),越短越好。

1常用的市電檢測方法

在開關(guān)電源領(lǐng)域,對市電進(jìn)行采樣偵測的技術(shù),通常有以下方式。(1)用電阻、電容器或變壓器對220V交流電壓進(jìn)行降壓,再進(jìn)行整流、濾波變?yōu)橹绷鞯蛪?,然后通過光耦進(jìn)行隔離,將采樣信號送給CPU;(2)通過電阻分壓、運(yùn)放等構(gòu)成精密檢波電路進(jìn)行幅值檢測,構(gòu)成電壓比較器(施密特觸發(fā)器)進(jìn)行頻率、相位檢測,結(jié)果再送到CPU處理;(3)采用運(yùn)放構(gòu)成差分放大電路,將220V交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪簃形(饅頭波)信號,再送到CPUA/D端口進(jìn)行幅值檢測,同時利用三極管對運(yùn)放輸出的信號進(jìn)行整形,檢測相位和頻率。圖1是某型號UPS的市電電壓檢測電路[2]。采用以上方式的市電偵測電路,所需元件多、電路復(fù)雜、成本較高,且要占用CPU或單片機(jī)資源。針對中低端互動式逆變器,市場需求更加注重成本和可靠性。本文設(shè)計了一種簡單實(shí)用且安全可靠的市電電壓偵測電路,同時利用新穎的方法縮短切換,有利于降低產(chǎn)品成本,增加可靠性和穩(wěn)定性,改善性能(縮短切換時間)。

2電路及原理說明

一種互動式逆變器用市電切換電路,如圖2所示。圖2中,IP/L和IP/N分別為輸入市電的火線和零線,OP/L和OP/N分別為逆變輸出的火線和零線,OUT/L和OUT/N分別為逆變器最終輸出到負(fù)載的火線和零線。輸入的市電電壓經(jīng)過電阻R1~R4降壓,再經(jīng)過D1~D4整流以及C1、C2濾波后,在D5負(fù)極得到一定幅值的直流電壓Va。逆變器要實(shí)現(xiàn)的功能,舉例描述如下:當(dāng)市電電壓在210~230V時,逆變器切換到市電給負(fù)載供電;當(dāng)市電跌至200V時,為保證負(fù)載正常工作,逆變器切換到逆變回路對負(fù)載供電;當(dāng)市電升至240V時,為保護(hù)負(fù)載不因高壓損毀,逆變器也切換到逆變回路對負(fù)載供電。實(shí)際應(yīng)用中,這些電壓閾值可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)市電電壓在210~230V時,U1A同相端(腳3)的電壓應(yīng)高于反相端電壓(5V),U1A輸出5V的高電平。同時,U1B反相端(腳6)的電壓應(yīng)低于同相端電壓(5V),因而U1B輸出5V的高電平,即I/P-RLY為高電平,三極管Q2導(dǎo)通,繼電器RY1的線圈通電,將市電IP/L和IP/N直接旁路輸出到OUT/L和OUT/N。當(dāng)輸入的市電低至200V時,此時U1A同相端(腳3)的電壓應(yīng)低于反相端電壓(5V),U1A輸出低電平。因?yàn)閁1A的輸出連接到U1B同相端,直接將U1B同相端電平拉到0V左右。這時U1B反相端(腳6)的電壓必然高于同相端電壓(0V),因而U1B輸出(即I/P-RLY)為低電平,三極管Q2關(guān)斷,繼電器RY1的線圈失電,逆變器的輸出切換到逆變回路,保證輸出電壓為220V,從而確保負(fù)載正常工作。當(dāng)輸入的市電高達(dá)240V時,此時U1A同相端(腳3)的電壓應(yīng)高于反相端電壓(5V),U1A輸出高電平,U1B反相端(腳6)的電壓應(yīng)高于U1B同相端電壓(5V),U1B輸出(即I/P-RLY)為低電平,三極管Q2關(guān)斷,繼電器RY1的線圈失電,逆變器的輸出切換到逆變回路,從而使負(fù)載免于市電過高電壓的影響而損毀,確保其正常工作。圖2中,當(dāng)市電停電或斷電時,U1A輸出低電平,U1B同相端也是低電平(零點(diǎn)幾伏),但反向端為0V,U1B將輸出高電平(5V),從而引起控制功能失效。為此,增加R10和D6,確保U1B輸出低電平,防止繼電器誤動作。為了實(shí)現(xiàn)上述功能,必須仔細(xì)設(shè)計降壓電阻R1~R4以及分壓電阻R6和R8的阻值。兼顧降壓電阻的功耗與系統(tǒng)工作可靠性,取R1~R4均為100kΩ。對應(yīng)各輸入市電電壓,通過仿真可知Va的值如表1所示。設(shè)電阻R8=x,電阻R6=y,電壓低端切換的回差電壓為200~210V,則x需滿足:從而解得43.75<x<45.96,取x=45kΩ。電壓高端切換的回差電壓為230~240V,則y需滿足:從而解得37.92<y<39.91,取y=39kΩ。電容倍壓原理很早就用于倍壓整流[3]。實(shí)際上,利用電容的電荷泵原理,可以實(shí)現(xiàn)很多工程上的應(yīng)用。圖2中,Q1、D7、C3、R15構(gòu)成繼電器切換加速電路,利用電荷泵原理說明如下:當(dāng)Q2關(guān)斷時(逆變器輸出為逆變模式),C3通過D7和R15充電,兩端電壓接近12V;當(dāng)Q2導(dǎo)通的瞬間,Q1也導(dǎo)通,此時12V電源通過Q1接到C3的負(fù)極,電源電壓疊加電容兩端的電壓一并加到繼電器線圈形成倍壓效果,加速繼電器吸合,從而加快從逆變模式向市電的轉(zhuǎn)換。

3結(jié)論

雖說逆變器或光伏逆變器采用MCU或單片機(jī)控制已成常態(tài),但在中低端市場中由于價格制約,低成本成為產(chǎn)品競爭力的重要保證。本文論述的電路不必占用MCU或單片機(jī)資源,用普通元器件巧妙組合,構(gòu)建了一種簡單實(shí)用且安全可靠的市電偵測電路,實(shí)現(xiàn)了市電與逆變的正常切換,同時利用電容倍壓原理加快繼電器工作,縮短切換時間。由于兩路分壓電阻(R7和R8、R5和R6)的阻值都在數(shù)十兆歐姆以上,消耗電流甚小,因此可以利用電阻(R1~R4)對市電進(jìn)行降壓,再整流濾波。這樣比較器輸入端周邊的電壓大幅下降,有利于安規(guī)設(shè)計,避免因電氣間距或爬電距離不足引起的安全問題。

參考文獻(xiàn):

[1]李建文,楊為青.在線互動式UPS充電、逆變原理分析[J].山東電子,1999,(3):21.

[2]張光明.常見小型UPS電源電路分析及維修寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

[3]錢進(jìn),文英.倍壓整流及其應(yīng)用[J].長江職工大學(xué)學(xué)報,2002,(1):63-64.

作者:林為 鄧勝釗 單位:佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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