互動式逆變器市電切換電路設計研究

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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)，設計一種簡單實用且安全可靠的市電偵測電路，無需占用MCU或單片機資源，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品成本，增加可靠性及穩(wěn)定性，改善產品性能（縮短切換時間）。

關鍵詞：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，向用電設備（負載）供電。這類逆變器的蓄電池必須通過其他充電設備或通過光伏電池板進行充電。另一類是互動式逆變器，帶有市電輸入。當市電電壓正常時，將市電直接旁路或做必要的穩(wěn)壓處理后向負載供電。當市電停電或者電壓超出正常范圍時，切換到逆變回路給負載供電。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]，對電池進行充電?；邮侥孀兤鬟M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用場合的要求（通常在10ms以內），越短越好。

1常用的市電檢測方法

在開關電源領域，對市電進行采樣偵測的技術，通常有以下方式。（1）用電阻、電容器或變壓器對220V交流電壓進行降壓，再進行整流、濾波變?yōu)橹绷鞯蛪?，然后通過光耦進行隔離，將采樣信號送給CPU；（2）通過電阻分壓、運放等構成精密檢波電路進行幅值檢測，構成電壓比較器（施密特觸發(fā)器）進行頻率、相位檢測，結果再送到CPU處理；（3）采用運放構成差分放大電路，將220V交流電壓轉變?yōu)榈蛪簃形（饅頭波）信號，再送到CPUA/D端口進行幅值檢測，同時利用三極管對運放輸出的信號進行整形，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、電路復雜、成本較高，且要占用CPU或單片機資源。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。本文設計了一種簡單實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載的火線和零線。輸入的市電電壓經過電阻R1～R4降壓，再經過D1～D4整流以及C1、C2濾波后，在D5負極得到一定幅值的直流電壓Va。逆變器要實現的功能，舉例描述如下：當市電電壓在210～230V時，逆變器切換到市電給負載供電；當市電跌至200V時，為保證負載正常工作，逆變器切換到逆變回路對負載供電；當市電升至240V時，為保護負載不因高壓損毀，逆變器也切換到逆變回路對負載供電。實際應用中，這些電壓閾值可根據實際情況進行調整。當市電電壓在210～230V時，U1A同相端（腳3）的電壓應高于反相端電壓（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。當輸入的市電低至200V時，此時U1A同相端（腳3）的電壓應低于反相端電壓（5V），U1A輸出低電平。因為U1A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，從而確保負載正常工作。當輸入的市電高達240V時，此時U1A同相端（腳3）的電壓應高于反相端電壓（5V），U1A輸出高電平，U1B反相端（腳6）的電壓應高于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。為了實現上述功能，必須仔細設計降壓電阻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工作可靠性，取R1～R4均為100kΩ。對應各輸入市電電壓，通過仿真可知Va的值如表1所示。設電阻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]。實際上，利用電容的電荷泵原理，可以實現很多工程上的應用。圖2中，Q1、D7、C3、R15構成繼電器切換加速電路，利用電荷泵原理說明如下：當Q2關斷時（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Q2導通的瞬間，Q1也導通，此時12V電源通過Q1接到C3的負極，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換。

3結論

雖說逆變器或光伏逆變器采用MCU或單片機控制已成常態(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或單片機資源，用普通元器件巧妙組合，構建了一種簡單實用且安全可靠的市電偵測電路，實現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：

[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，文英.倍壓整流及其應用[J].長江職工大學學報，2002，（1）：63-64.

作者：林為 鄧勝釗 單位：佛山職業(yè)技術學院