三相正弦波變頻電源設計

1、精選優(yōu)質文檔傾情為你奉上精選優(yōu)質文檔傾情為你奉上專心專注專業(yè)專心專注專業(yè)精選優(yōu)質文檔傾情為你奉上專心專注專業(yè)摘要隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，將是電源技術更加成熟，經(jīng)濟，實用，實現(xiàn)高效率和高品質用電結合。變頻電源隨即而出現(xiàn)，變頻電源被廣泛應用于各個領域，是變頻調速的核心所在。變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速，其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。該次課設為使用protel設計一個輸出頻率范圍為20100HZ，輸出線電壓有效值為36V，最大負載電流有效值為3A，負載為三相對稱阻性負載（Y型接法）的三相正弦波變頻電源的課程設計。關鍵詞：變頻電源 protel 三相正弦波變頻

2、電源目錄 TOC o 1-3 u 摘要 PAGEREF _Toc h I1三相正弦波變頻電源設計要求 PAGEREF _Toc h 32 三相正弦波變頻電源系統(tǒng)設計方案比較 PAGEREF _Toc h 32.1 整流濾波電路方案 PAGEREF _Toc h 32.2 斬波電路方案 PAGEREF _Toc h 22.3 絕緣柵控雙極型晶體管IGBT驅動電路方案 PAGEREF _Toc h 22.4 逆變電路方案 PAGEREF _Toc h 22.5 MOSFET驅動電路方案 PAGEREF _Toc h 32.6 測量有效值電路方案 PAGEREF _Toc h 32.7 SPWM（正

3、弦脈寬調制）波產(chǎn)生方案 PAGEREF _Toc h 42.8 變頻電源基本結構圖 PAGEREF _Toc h 43三相正弦波變頻電源系統(tǒng)組成 PAGEREF _Toc h 54交流電源整流濾波電路設計 PAGEREF _Toc h 75斬波和驅動電路設計 PAGEREF _Toc h 76逆變和驅動電路設計 PAGEREF _Toc h 97 真有效值轉換電路設計 PAGEREF _Toc h 118過壓保護與過流保護電路設計 PAGEREF _Toc h 119單片機電路設計 PAGEREF _Toc h 1310電源電路 PAGEREF _Toc h 1411三相正弦波變頻電源軟件設計

4、 PAGEREF _Toc h 1411.1SPWM波的實現(xiàn) PAGEREF _Toc h 1411.2 ADC0809的控制程序設計 PAGEREF _Toc h 1611.3系統(tǒng)主程序流程圖 PAGEREF _Toc h 1612 三相正弦波變頻電路全圖 PAGEREF _Toc h 17參考文獻21三相正弦波變頻電源設計1三相正弦波變頻電源設計要求 設計并制作一個三相正弦波變頻電源，輸出頻率范圍為20-100Hz，輸出線電壓有效值為36V，最大負載電流有效值為3A，負載為三相對稱阻性負載（Y型接法）。三相正弦波變頻電源原理方框圖如圖1-1所示。隔離變壓器整流逆變三相負載控制器220V A

5、C圖1-1 三相正弦波變頻電源原理框圖2 三相正弦波變頻電源系統(tǒng)設計方案比較2.1 整流濾波電路方案整流濾波電路可選用兩種方案；1三相半波整流電路。2三相橋式整流電路。比較：1方案整流輸出電壓高，紋波電壓較小且不存在斷續(xù)現(xiàn)象，同時因電源變壓器在正，負半周內部有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率高，因此選用方案2。濾波電路用于濾波整流輸出電壓中的紋波，采用負載電阻兩端并聯(lián)電容器C的方式。2.2 斬波電路方案直流斬波電路可選用兩種方案；1降壓斬波變換電路。2降壓-升壓變換電路。比較：1,2方案均能滿足要求，但方案2的資源利用充分合理，因此選用方案2。2.3 絕緣柵控雙極型晶體管IGBT

6、驅動電路方案絕緣柵控雙極型晶體管IGBT驅動電路：1應用脈沖變壓器直接驅動功率IGBT，來自控制脈沖形成單元的脈沖信號進高頻晶體管進行功率放大后加到脈沖變壓器上，有脈沖變壓器隔離耦合，穩(wěn)壓管D限幅后來驅動IGBT。2有分立元器件構成的具有VGS保護的驅動電路，采用光電耦合電路實現(xiàn)控制電路與被驅動IGBT柵極的電隔離，并且提供合適的柵極驅動脈沖。3采用IGBT柵極驅動控制通用記成電路EXB系列芯片。比較：1中的不足表現(xiàn)在高頻脈沖變壓器因漏感的存在容易產(chǎn)生振蕩。為了限制振蕩，常常需要增加柵極電阻RG,這就影響了柵極驅動脈沖前后沿的陡度，降低了可應用的最高頻率。2的不足之處就是采用分立的原件較多，抗

7、干擾能力較差。與前面兩種方案相比較，3采用集成芯片，使系統(tǒng)的可靠性好，切內部有保護電路，是較適合的一種IGBT的驅動方案。2.4 逆變電路方案根據(jù)題目要求，選用三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路：1采用電流型三相橋式逆變電路。2采用電壓型三相橋式逆變電路。比較：電流型逆變器適合單機傳動，加，減速頻繁運行或需要經(jīng)常反向的場合。電壓型逆變器適合于向多機供電，不可逆?zhèn)鲃踊蚍€(wěn)速系統(tǒng)以及對快速性要求不高的場合。根據(jù)題目要求，選擇2。2.5 MOSFET驅動電路方案MOSFET驅動電路：1利用CMOS器件驅動MOSFET。2利用光耦合器驅動MOSFET。3采用MOSFET柵極驅動控制專用集成電路芯片IR21

8、11。比較：1中由于電路自身的一些缺點，如驅動電路開關速度低等，不滿足題目要求。2中采用光耦合器驅動MOSFET，因其自身的速度不高，限制了使用的頻率，不滿足題目要求。3中采用MOSFET專用的集成電路，芯片性能好，體積小，滿足題目要求，故采用3。2.6 測量有效值電路方案在題目中，基本部分提到：負載有效值為0.5-3A時，輸出線電壓有效值應保持在36V。測量有效值電路：1信號分壓處理后直接連接到A/D器件，F(xiàn)PGA控制A/D器件首先進行等間隔采樣，并將采集到的數(shù)據(jù)存到RAM中，然后處理采集到的數(shù)據(jù)，可在程序中判斷信號的周期，根據(jù)連續(xù)信號的離散化公式，做乘除法運算，得到信號的有效值，然后再計算

9、輸出電壓，電流，頻率，最后把計算結果送給顯示單元顯示。2信號分壓后先經(jīng)過真有效值轉換芯片AD637.AD637輸出信號的有效值模擬電平，然后通過A/D采集送到FPGA，直接計算輸出電壓，電流，頻率，最后把計算結果送顯示單元顯示即可。有效值測量電路框圖如圖2-3所示。待處理的信號AD637ADC0809FPGA顯示圖 有效值測量電路框圖比較：顯然1占用大量FPGA內部資源，造成可用資源減少，不利于設計其他方面的利用，故選擇方案2。2.7 SPWM（正弦脈寬調制）波產(chǎn)生方案在給設計中，變頻的核心技術是SPWM波的生成。SPWM（正弦脈寬調制）波產(chǎn)生：1采用SPWM集成電路。2采用AD9851DDS

10、集成芯片。3利用FPGA通過編程直接生成SPWM波。比較：方案1是較好的一種產(chǎn)生SPWM波的方案，但題目中的說明中明確規(guī)定不能使用產(chǎn)生SPWM波形的專用芯片，所以不能采用此方案，2中由于DDS采用全數(shù)字計數(shù)，因此會存在雜散干擾，直接影響輸出信號的質量，所以此方案也未被采用，故采用方案3。2.8 變頻電源基本結構圖 變頻電源：1交流變頻電源實際上是一個AC-DC-AC裝置。如圖2-4所示，但這種電路在負載改變時不能達到題目穩(wěn)頻，穩(wěn)壓的要求。AC-DCDC-DCDC-AC負載控制電路調壓調頻AC220V/50Hz圖2-4 開環(huán)結構方框圖 2在上面方式的基礎上，從負載端引出一個反饋信號。該反饋信號經(jīng)

11、處理后送FPGA與預置數(shù)相比較，比較結構送輸入端，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可靠性高，誤差小，滿足題目要求。結構方框圖如圖2-5所示。AC-DCDC-DCDC-AC負載控制電路調壓調頻AC220V/50Hz圖2-5 閉環(huán)結構方框圖考慮到本設計方案，選擇方案2。3三相正弦波變頻電源系統(tǒng)組成所設計的三相正弦波變頻電源系統(tǒng)方框圖如圖3-1所示?？刂品绞讲捎脝纹瑱C和FPGA共同控制的方式，由單片機AT89S52,IR12864-M液晶顯示器，44按鍵構成人機界面。單片機控制IR12864-M液晶顯示器44按鍵，并與FPGA的通信。FPGA作為本設計系統(tǒng)的主控器件，采用一塊Spartan 2E系列XC

12、2S100E-6PQ208芯片，利用VHDL（超高速硬件描述語言）編程，產(chǎn)生PWM波河SPWM伯。同時，利用FPGA完成采集控制邏輯，顯示控制邏輯，系統(tǒng)控制及信號分析，處理，變換等功能。 220V/50HZ的市電，經(jīng)過一個220V/60V的隔離變壓器，輸出60V的交流電壓，經(jīng)整流得直流電壓，經(jīng)斬波得到一個幅度可調的穩(wěn)定直流電壓。斬波電路的IGBT開關器件選用BUP304;BUP304的驅動電力由集成化專用IGBT驅動器EXB841構成；EXB841的pwm驅動輸入信號由FPGA提供，并采用觀點隔離。輸出的斬波電壓經(jīng)逆變得到一系列頻率的三相對稱交流電。逆變電路采用全控橋逆變電路，MOSFET橋臂

13、由6個K1358構成。 K1358的驅動電路選用IR2111的控制信號SPWM由FPGA提供。交流輸入斬波變換光電隔離光電隔離橋式逆變?yōu)V波輸出直流輸出濾波橋式整流扼流圈三相交流電輸出過壓保護EXB841驅動IR2111驅動電流檢測電壓檢測占空比可調計數(shù)器可編程分頻器SPWM數(shù)據(jù)表隔離隔離真有效值變換真有效值變換ASC0809A/D轉換波形變換占空比鎖存器分頻系數(shù)鎖存器比較運算器比較運算器設置數(shù)設置數(shù)輸出電流指示通信模塊單片機AT89S52IR12864-M漢字液晶顯示器DS18B20溫度傳感器DBABFPGA圖3-1三相正弦波變頻電源系統(tǒng)框圖逆變輸出電壓經(jīng)過低通濾波，輸出平滑的正選波，輸出信號

14、分別經(jīng)電壓，電流檢測，送AD673真有效值轉換芯片，輸出模擬電平，經(jīng)模、數(shù)轉化器ADC0809，輸出數(shù)據(jù)送FPGA處理。送人FPGA的數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列處理，送顯示電路，顯示輸出電壓，電流，頻率及功率。4交流電源整流濾波電路設計 市電經(jīng)220V/60V隔離變壓器變壓為60V的交流電壓，輸出扼流線圈，消除大部分的電磁干擾，經(jīng)整流輸出，交流電轉變成脈動大的直流電，經(jīng)電容濾波輸出脈動小的直流電。在電路中有兩個保險絲，題目要求輸出電流的有效值達到3.6A時，執(zhí)行過流保護，則采用4A的保險絲。輸出端并聯(lián)的電容為為濾波電容，容值為470。端連接過壓保護電路。5斬波和驅動電路設計設計的斬波和驅動電路如圖5.1所

15、示。該電路中IGBT（隔離柵雙極性晶體管）采用BUF304，起最大電壓為1000V，TO_218AB封裝。選用IGBT專用集成驅動器EXB841進行驅動。圖5.1斬波和驅動電路 圖5.1中，是整流濾波的輸出電壓端；EXB841的引腳端6連接快恢復二極管U8100；引腳端5連接光電耦合器TLP521;根據(jù)資料介紹。與引腳端2相接的電阻為4.7k（1/2W）; 引腳端1和引腳端9，引腳端2和引腳端9之間的電容,為47，該電容并非濾波電容，而是用來吸收輸入電壓波動的電容；在斬波后的電路中接一個續(xù)流二極管（）來消除電感儲能對IGBT造成的不利影響；采用由電感()與電容（）組成的低通濾波器，盡可能降低輸

16、出電壓波紋。當IGBT閉合時，二極管（）為反偏，輸出端向負載及電感（）提供能量；當IGBT斷開時，,構成回路，電感電流經(jīng)二極管（），對IGBT起保護作用。光電耦合器TLP521的引腳圖封裝形式和內部結構如圖5.2所示。 圖5.2TLP521-2引腳端封裝形式和內部結圖 5.3EXB841引腳端封裝形式和內部結構 EXB841驅動器的引腳端封裝形式和內部結構如圖5.3所示。EXB841的引腳功能如下；引腳端1為驅動脈沖輸出參考端；引腳端2為驅動的IGBT脈動功率放大輸出級正電源連接端；引腳端3為驅動脈沖輸出端；引腳端7,8,10,11為空引腳端；引腳端5為過電流保護信號輸出端；引腳端6為過電流保

17、護取樣信號連接端；引腳端9位驅動輸出脈沖負極連接端；引腳端14為驅動信號負輸出端；引腳端15為驅動信號正輸入端。 EXB841驅動器內部功能有；（1）采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號隔離。因此能用于交流480V的洞里設備上。（2）內設有電流快速保護電路，可根據(jù)驅動信號與集電極之間的關系檢測過電流。因此，能滿足IGBT通常只能承受時間為10s的短路電流的使用要求。（3）內有低速過流切斷電路，當即電機電壓高時，加入開信號也認為存在過電流。由于該驅動器的低俗切斷電路可慢速關斷IGBT（10s的過流不響應，從而保證IGBT不被損壞。如果以正常速度氣短過電流，則集電極產(chǎn)生尖脈沖沖足以破壞IGBT。（

18、4）能提供IGBT的柵極關斷電源。由于IGBT需要一個+15V電壓開柵電壓，以獲得低開啟電壓，還需要一個-5V關柵電壓，以防止關斷狀態(tài)的誤動作。這兩種電壓（+15V和-5V）均可由內部電路產(chǎn)生，以實現(xiàn)IGBT柵正確關斷。6逆變和驅動電路設計 在本設計中采用三相電壓橋式逆變電路。6個MOSFET管2SK1358組成該逆變電路的橋臂。橋中各臂在控制信號作用下輪流導通。它的基本工作方式為180導電方式，即每個橋臂的導電角度為180，同一相（即同一半橋）上下兩橋臂交替到導電。各相開始導電的時間相差120，三相電壓橋式逆變電路如圖6.1所示，每個2SK1358并聯(lián)一個續(xù)流二極管和串接一個RC低通濾波器。

19、圖6.1三相電壓橋式逆變電路MOSFET驅動電路的設計對提高MOSFET性能具有重要的作用，并對MOSFET的效率，可靠性，壽命都有重要的影響。MOSFET對驅動它的電路也有要求:能向MOSFET柵極提供需要的柵壓，以保證MOSFET可靠的開通和關斷；為了使MOSFET可靠地觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖電壓應高于管子的開啟電壓，并且驅動電路要滿足MOSFET快速轉換和峰值電流的要求；具備良好的電氣隔離性能；能提供適當?shù)谋Ｗo功能；驅動電路還應該簡單可靠，體積小。在設計中采用3個IR2111作為MOSFET的驅動電路。MOSFET控制及驅動電路如圖6.2所示圖6.2MOSFET控制及驅動電路 IR2111是

20、MOSFET專用驅動集成電路，采用DIP-8封裝。其主要技術特點有：可驅動同橋臂的兩個MOSFET：內部自舉工作：允許在600V電壓下直接工作：柵極驅動電壓范圍寬：單通道施密特邏輯輸入，輸入與TTL及CMOS電平兼容：死區(qū)時間內置：高邊輸出，輸入同相，低邊輸出死區(qū)時間調整后與輸入反相。IR2111的引腳封裝形式和應用電路如圖6.3（a），6.3（b）所示。圖6.3（a）IR2111引腳端封裝形式 圖6.3（b） 應用電路7 真有效值轉換電路設計逆變輸出的信號經(jīng)過低通濾波，三相電流分別由電流檢測器轉換為電壓。單相電壓信號由真有效值測量電路檢測。真有效值電路由4片AD637構成，其基本電路如圖所示

21、。AD637是真有效值轉換芯片，可測量的信號有效值可達7V，精度優(yōu)于0.5%，3dB帶寬為8MHz，可對輸入電平以dB形式指示。8過壓保護與過流保護電路設計在電路中設計了過壓保護電路，其電路圖如圖9.1所示。圖中TL431是一個三端可調分流基準源，它的輸出電壓用兩個電阻就能任意的設置到從（2.5V）36V范圍內的任何值。它相當于一個二極管，但陽極端電壓高于時，陽極與陰極導通。在電路中，當電壓正常時，JDQIN與JDQOUT直線連接，不起任何保護作用。在這種情況下和中電壓為： 此時TH431及的基準電壓為 當發(fā)生過電壓時，兩電阻中點的值將大于TL431的基準電壓，繼電器吸合輸入電壓，接通蜂鳴器電

22、路發(fā)聲，發(fā)光二極管指示過電壓現(xiàn)象。在設計要求中，要求巨涌過電流保護功能，而過電流保護電路也是負載缺相保護電路。由于三相負載對稱時流過任一項的電流值彼此相差不會很大，所以當任一負載開路時，會導致三相負載不對稱，從而使流過各相中的電流值發(fā)生較大的變化。各相中的電流值都在FPAG的監(jiān)測范圍內，所以只要當前電流超出所預定的范圍，則控制保護電路動作，從而切斷輸入電源。過流保護電路圖如圖9.2所示，利用軟件編程來控制該電路繼電器的吸合，關斷。FPGA依據(jù)采樣的電流信號隨時監(jiān)控電路中電流的情況，一旦發(fā)現(xiàn)電路中的電流超過設定的最大電流，F(xiàn)PGA就輸出高電平控制信號使三極管導通，繼電器吸合進入保護狀態(tài)，同時接通

23、過流只是電路，切斷電源的輸入，對電路起保護作用；否則，電路不動作，輸入的交流電直接輸出。圖9.1過壓保護電路圖9.2過流保護電路9單片機電路設計單片機圖及其外圍電路采用AT89S52單片機芯片（9.1所示）。矩陣式鍵盤以I/O口線組成，44的行列結構可構成16個鍵的鍵盤。按鍵設置在行列線交點，行列線分別連接到按鍵開關的兩端。但行線通過上拉電阻接+5V/+3.3V時，被鉗位在高電平狀態(tài)。在本設計中用P1口來控制44的行列線。按鍵輸入采用中斷工作方式。（圖10.1所示）圖9.1單片機及其外圍電路10電源電路由于變頻電源主電路的噪聲干擾大，因此，為了確?？刂撇糠值姆€(wěn)定性和可靠性，采用各控制和A/D轉

24、換電路與主電路分離的電源供電模式。因為這些部分的功耗不大，所以供電電源均采用三端集成穩(wěn)壓器直接得到各部分所需的電壓。11三相正弦波變頻電源軟件設計11.1SPWM波的實現(xiàn) （1）SPWM波的原理 正弦脈沖寬度調制SPWM的基本原理是：根據(jù)采樣控制理論中的沖量等效原理，大小、波形不相同的窄脈沖變量作用于慣性系統(tǒng)時，只要它們的沖量（即變量對時間的積分）相等，其作用效果基本相同，且窄脈沖越窄，輸出的差異越小。這一結論表明，慣性系統(tǒng)的輸出響應主要取決于系統(tǒng)的沖量，即窄脈沖的面積，而與窄脈沖的形狀無關。依據(jù)該原理，可將任意波形用一系列沖量與之相等的窄脈沖進行等效。如圖12.1.1所示，以正弦波為例，將一

25、正弦波的正半波k等分（圖中k=7）。其中每一等分所包含的面積（沖量）均用一個與之面積相等的、等幅而不等寬的矩形脈沖替代，且使每個矩形脈沖的中心線和等分點的中線重合。如此，則各矩形脈沖寬度將按正弦規(guī)律變化。這就是SPWM控制理論依據(jù)，由此得到的矩形脈沖序列稱為SPWM波形。SPWM波形生成程序采用VHDL硬件描述語言編寫。 圖11.1.1與正弦波等效矩形脈沖序列波形SPWM波形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生利用Matlab產(chǎn)生波形。計算原理如下：設三相逆變電路的輸出三相分別為U相、V相、W相。就U相而言，當換流器工作在連續(xù)導電模式下時，有 在具體計算時，取，取，采樣64個點，設脈沖高電平時間為，脈沖低電平時間為，則

26、有 其中T為輸出正弦波的周期。又 有 則 當取T為s時，頻率為0.00001Hz，那么頻率為 ，V相、W相與U相相同。 程序如下： x=0:(2*pi)/63:2*pi; Uu=sin(x)+1; Uv=sin(x+(2*pi)/3)+1; Uw=sin(x-(2*pi)/3)+1; %Uo=D*Uu(取Uu=1） %D=Uo=Uu Du=Uu; Dv=Uv; Dw=Uw; Du=Du/2; Dv=Dv/2; Dw=Dw/2; tu1=(Du*)/64; tu2=/64-tu1; tv1=(Dv*)/64; tv2=/64-tv1; tw1=(Dw*)/64;tw2=/64-tw1;11.2 ADC0809的控制程序設計 程序設計主要是對ADC0809工作時序進行控制。ADC0809是8位MOS型A/D轉器是8位MOS型A/D轉換器，可實現(xiàn)8路模擬信號的分時采集。片內有8路模擬選通開關以及相應的通道地址鎖存用譯碼電路。其轉換時間為100us。START是轉換啟動信號，高電平有效；ALE是3為通道選擇