“三相正弦波變頻電源”_(G題_吳保芳)

1、“三相正弦波變頻電源三相正弦波變頻電源” ” （G G題）解題）解析析吳吳 保保 芳芳“三相正弦波變頻電源三相正弦波變頻電源” ” （G G題）解析題）解析1 1 命題意圖命題意圖2 2 總體方案設計總體方案設計3 3 控制電路設計控制電路設計4 4 主電路設計主電路設計5 5 題目特點及結論題目特點及結論1 命題意圖命題意圖 電源是一種能源，是對電能進行變換和控制的裝置。有以下四種變換方式： 交流直流變換（ACDC），整流技術 直流交流變換（DCAC），逆變技術 直流直流變換（DCDC） 交流交流變換（ACAC） 該電源涵蓋了前兩種變換技術，其中最為核心的是逆變技術，電能變換技術是電力電子學

2、中最基本的知識點之一。 資料表明，上個世紀后期發(fā)達國家有70以上的電能是經過變換之后提供給負載的，在本世紀這個比例還要提高，公共電網(wǎng)直接為負載供電的比例越來越小。 靜止變流器在電能的變換、電能的處理、電能的控制中起著重要作用。2005年全國大學生電子設計競賽G題 “三相三相正弦波變頻電源正弦波變頻電源” ，較好地體現(xiàn)了電力電子學中一個重要的研發(fā)方向。 參賽學生通過對題意的理解剖析、電路的設計制作、實驗調試、測試比較、資料查閱、論文撰寫等過程，可以提高工程意識、創(chuàng)新意識、前沿意識等。 無論對電能進行何種形式的變換，都必須依據(jù)一定的電路形式來實現(xiàn)。這些電路包括控制電路、驅動電路、 緩沖電路以及承擔

3、大功率的主電路，可以把它們一并稱之為電力電子電路，這表明了電力電子技術與微電子技術之間密不可分的關系（現(xiàn)代電力電子電路前言，湖北科學技術出版社2003年10月第一版）。 因此，G題是對參賽學生的模擬電路、數(shù)字電路、單片機的應用、 D/A 、 A/D 、功率器件的應用、軟件設計、濾波器設計等知識點的綜合考察。2總體方案設計 方案的論證與比較 如采用MA838,SA4828，SA866/868，HFE4752等等專用（ASIC)SPWM芯片，設計將得到簡化。但題目限定不能使用ASIC，因此可能有如下方案方案方案1 1：分別產生載波和調制波進行分別產生載波和調制波進行SPWMSPWM 方案方案2 2

4、：數(shù)字加模擬電路產生：數(shù)字加模擬電路產生SPWMSPWM 方案方案3 3：采用數(shù)字信號處理器（采用數(shù)字信號處理器（DSPDSP）TI公司的TMS320LF2407A有如下特點1.片內有豐富的硬件資源；2.有高速的數(shù)據(jù)處理能力；3.可方便地產生系統(tǒng)所需要的6路SPWM信號；4.外圍接口簡單便于組成最小系統(tǒng)；5.便于實現(xiàn)數(shù)字PID電壓反饋調節(jié)。 更為重要的它是一種通用型單片機，并非題目限制使用的芯片符合題意要求的總體方案3控制電路設計 DSP接口電路接口電路反饋電壓、負載電流的采樣及調理電路電壓和頻率調節(jié)電路 保護電路保護電路短路及過熱保護電路短路及過熱保護電路 SPWMSPWM波形產生原理波形產

5、生原理 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法222)/2sin(1caTNim)/2sin(1 (2NimTac0/ ffNc DSPDSP中有兩個事件管理器模塊中有兩個事件管理器模塊EVAEVA和和EVBEVB，以，以EVBEVB為例，其中三個定時器并有與之對應的三個比為例，其中三個定時器并有與之對應的三個比較器，每個比較器又有與之對應的寄存器。將比較器，每個比較器又有與之對應的寄存器。將比較器設置成較器設置成PWMPWM模式，每路比較器又可輸出極性相模式，每路比較器又可輸出極性相反的兩路反的兩路PWMPWM信號。在周期寄存器信號。在周期寄存器T3PRT3PR一定的情況一定的情況下，通過改變寄存器中的值，可

6、以改變矩形脈沖下，通過改變寄存器中的值，可以改變矩形脈沖的寬度，再利用比較寄存器的的寬度，再利用比較寄存器的PWMPWM特性即可方便地特性即可方便地得到得到PWMPWM信號。信號。 軟件流程框圖軟件流程框圖 設定好載波頻率，便可在每個中斷周期按照公式計算脈寬。 為了節(jié)約機時，可將正弦數(shù)據(jù)離線算好存在RAM中，在中斷服務子程序中查表得到所需數(shù)據(jù)。4主電路設計主電路包括：隔離變壓器整流濾波器逆變器輸出濾波器 隔離降壓變壓器隔離降壓變壓器 根據(jù)題目要求在交流電根據(jù)題目要求在交流電網(wǎng)的輸入端需要一個隔離降網(wǎng)的輸入端需要一個隔離降壓變壓器，對其參數(shù)進行了壓變壓器，對其參數(shù)進行了設計調整：設計調整：鐵心規(guī)

7、格鐵心規(guī)格 CD20CD2040406060在網(wǎng)壓在網(wǎng)壓198V198V時，將變壓器次時，將變壓器次級電壓提高到級電壓提高到80V80V，初次級，初次級匝比匝比W1W1W2W22.5;2.5;初級初級 871871匝匝, =0.64, =0.64次級次級 363363匝匝, =1.04, =1.04 整流濾波電路整流濾波電路 選用橋式整流器選用橋式整流器.選擇二極管整選擇二極管整橋應考慮二極管的額定反向峰值電橋應考慮二極管的額定反向峰值電壓及額定電流壓及額定電流,要高于在電路中承受要高于在電路中承受的反向峰值電壓和整流電流的反向峰值電壓和整流電流,并留有一定的裕量并留有一定的裕量.經計算選擇經

8、計算選擇10A,300V的整流橋的整流橋. 濾波電感和濾波電容的選擇濾波電感和濾波電容的選擇:根據(jù)公式根據(jù)公式sssfsssfUTICITUL12. 0030. 0計算得濾波電感計算得濾波電感、電容分別為電容分別為7.6mH,1890F，實際取，實際取8mH,2200 F、 逆變電路逆變電路功率器件承受的電流功率器件承受的電流A2 . 5333LOADdsII選用選用10A/600V 610A/600V 6單元的單元的IGBTIGBT功功率集成模塊（率集成模塊（PIMPIM）最佳。但由）最佳。但由于市場上一時難以采購到，所于市場上一時難以采購到，所以采用以采用6 6只功率場效應晶體管，只功率場

9、效應晶體管，10N9010N90（10A/900V10A/900V）組合成三）組合成三相橋式電路。調試及負載實驗相橋式電路。調試及負載實驗證明滿足要求。證明滿足要求。 圖6-8ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd- UdOtOOOOOttttt2Ud2Ud2Ud2Ud2Ud3Ud32 Ud SPWM SPWM工作模式是目前正弦波逆變器最為通用的一種方工作模式是目前正弦波逆變器最為通用的一種方式。它的優(yōu)點是響應快，調頻調壓方便。更為突出的優(yōu)式。它的優(yōu)點是響應快，調頻調壓方便。更為突出的優(yōu)點是能夠有效地改善逆變器的輸出頻譜特性。抑制低次點是能夠有效地改善逆變器的輸出頻譜特性。

10、抑制低次諧波，其線電壓的表達式為諧波，其線電壓的表達式為基波諧波式中n n為諧波分組序號，為諧波序號。)(oskn .6 , 4 , 2.5 , 3 , 12.6 , 4 , 2.5 , 3 , 121)3()cos()3()cos(3sin2)2(4) 1(2)3()sin()3()sin(3sin2)2(412nnsosoakndabhnsosoaknndabhktmkktnkknmJnUUktnkktnkknmJnUU)6sin(231tUmUodaab頻譜示意圖如下 因為輸出的頻率范圍較寬因為輸出的頻率范圍較寬, , 重點考慮低頻段的重點考慮低頻段的濾波特性濾波特性. .經計算和調試經

11、計算和調試 濾波電感取值濾波電感取值14mH,14mH,濾波電濾波電容取值容取值2020F F。)(osk第一組諧波為第一組諧波為 驅動電路驅動電路 IR2130IR2130，IR2110IR2110高壓懸高壓懸浮驅動器可以作為浮驅動器可以作為PMPM驅動器驅動器件，但主電路與控制電路不件，但主電路與控制電路不能隔離，可能干擾控制電路能隔離，可能干擾控制電路正常工作，使可靠性下降。正常工作，使可靠性下降。所以仍采用隔離驅動方案。所以仍采用隔離驅動方案。光耦隔離驅動器件光耦隔離驅動器件TLP250TLP250，即可光電隔離，又有即可光電隔離，又有500mA500mA的驅動能力，完全能夠滿足的驅動

12、能力，完全能夠滿足10N9010N90的驅動要求，其缺點的驅動要求，其缺點是需是需6 6組互相隔離的懸浮電組互相隔離的懸浮電源。源。5 題目特點及結論題目特點及結論1. “三相正弦波變頻電源三相正弦波變頻電源（G題題）”設計的知識點多，工作量設計的知識點多，工作量大大 涉及涉及功率電路，信號處理電路，測量顯示電路，模擬電路，功率電路，信號處理電路，測量顯示電路，模擬電路，數(shù)字電路；數(shù)字電路；2. 集成芯片，功率器的使用（驅動，緩沖，保護）集成芯片，功率器的使用（驅動，緩沖，保護） 難度大，如難度大，如SPWMSPWM原理（通步、異步調制），脈寬的計算方法。原理（通步、異步調制），脈寬的計算方法。反饋調節(jié)，穩(wěn)態(tài)精度，數(shù)字反饋調節(jié)，穩(wěn)態(tài)精度，數(shù)字PIDPID算法；算法；3. 3. 題目對電源的要求高：題目對電源的要求高： 基本部分要求整個負載范圍（基本部分要求整個負載范圍（0.30.33A)3A)線電壓絕對誤差線電壓絕對誤差5 發(fā)揮部分要求整個負載范圍（發(fā)揮部分要求整個負載范圍（0.30.33A)3A)線電壓在網(wǎng)壓線電壓在網(wǎng)壓10 時時,絕對誤差絕對誤差5。對輸出波形的質量要求高，對輸出波形的質量要求高，50Hz以上以上THD 5（發(fā)揮部分）；發(fā)揮部分）；題目特點4. 4.可靠性要高，保護靈。負載電流可靠性要高，保護靈。負載電流3.6A3