電力電子裝置及系統(tǒng)課程設計報告三相正弦波變頻電源設計

1、三相正弦波變頻電源設計1設計任務分析 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 ac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)設計方案選擇2.1 整流濾波電路方案選擇 方案一：三相半波整流電路。該整流電路在控制角小于30°時，輸出電壓和輸出電流波形是連續(xù)的，每個晶閘管按相序依次被觸發(fā)導通，同時關斷前面已經導通的晶閘管，每個晶閘管導通120°；當控制角大于30&

2、#176;時，輸出電壓，電流的波形是斷續(xù)的。 方案二：三相橋式整流電路。該整流電路是由一組共陰極電路和一組共陽極電路串聯(lián)組成的。三相橋式的整流電壓為三相半波的兩倍。三相橋式整流電路在任何時候都有兩個晶閘管導通，而且這兩個晶閘管中一個是共陰極組的，一個是共陽極組的。他們同時導通，形成導電回路。比較以上兩種方案，方案二整流輸出電壓高，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，因此選用方案二。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 逆變電路方案選擇 根據題目要求，選用三相橋式逆變電路 方

3、案一：采用電流型三相橋式逆變電路。在電流型逆變電路中，直流輸入是交流整流后，由大電感濾波后形成的電流源。此電流源的交流內阻抗近似于無窮大，他吸收負載端的諧波無功功率。逆變電路工作時，輸出電流是幅值等于輸入電流的方波電流。 方案二：采用電壓型三相橋式逆變電路。在電壓型逆變電路中，直流電源是交流整流后，由大電容濾波后形成的電壓源。此電壓源的交流內阻抗近似于零，他吸收負載端的諧波無功功率。逆變電路工作時，輸出電壓幅值等于輸入電壓的方波電壓。 比較以上兩種方案，電流型逆變器適合單機傳動，加，減速頻繁運行或需要經常反向的場合。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。

4、根據題目要求，選擇方案二。2.3 spwm（正弦脈寬調制）波產生方案選擇 在給設計中，變頻的核心技術是spwm波的生成。 方案一：采用spwm集成電路。因spwm集成電路可輸出三相彼此相位嚴格互差120°的調制脈沖，隨意可作為三相變頻電源的控制電路。這樣的設計避免了應用分立元件構成spwm波形發(fā)生器離散性，調試困難，穩(wěn)定性較差。 方案二：采用ad9851dds集成芯片。ad9851芯片由告訴dds電路，數據輸入寄存器，頻率相位數據寄存器，告訴d/a轉換器和比較器組成。由該芯片生成正弦波和鋸齒波，利用比較器進行比較，可生成spwm波。方案三：利用fpga通過編程直接生成spwm波。利用

5、其中分頻器來改變脈沖信號的占空比和頻率，主要是可通過外部按鈕發(fā)出計數脈沖來改變分頻預置數，實現(xiàn)外部動作來控制fpga的輸出信號。 比較上述3種方案，方案一是較好的一種產生spwm波的方案，但題目中的說明中明確規(guī)定不能使用產生spwm波形的專用芯片，所以不能采用此方案，方案二由于dds采用全數字計數，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，故采用方案三。2.4 變頻電源基本結構圖 方案一：交流變頻電源實際上是一個ac-dc-ac裝置。它先將來自公共電網的交流電經過整流器變成直流電，再通過逆變器將之轉變成滿足負載需要的交流電，所以基本結構由整流電路，逆變電路，控制電路，負

6、載匹配電路等幾部分組成。如圖2-1的開環(huán)控制方式，但這種電路在負載改變時不能達到題目發(fā)揮部分穩(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2-1 開環(huán)結構方框圖 方案二：在上面方式的基礎上，從負載端引出一個反饋信號。該反饋信號經處理后送fpga與預置數相比較，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2-2所示。ac-dcdc-dcdc-ac負載控制電路調壓調頻ac220v/50hz圖2-2 閉環(huán)結構方框圖考慮到本設計方案，選擇方案二。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

7、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，4×4按鍵構成人機界面。單片機控制ir12864-m液晶顯示器4×4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xinlinx公司生產的spartan 2e系列xc2s100e-6pq208芯片，利用vhdl（超高速硬件描述語言）編程，產生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，經過一個220v/60v的隔離變壓器，輸出60v的交流電壓，經

8、整流得直流電壓，經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器可編程分頻器spwm數

9、據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鎖存器比較運算器比較運算器設置數設置數輸出電流指示通信模塊單片機at89s524×4按鍵ds18b20溫度傳感器dbabfpga圖3-1 三相正弦波變頻電源系統(tǒng)設計方框圖逆變輸出電壓經過低通濾波，輸出平滑的正選波，輸出信號分別經電壓，電流檢測，送ad673真有效值轉換芯片，輸出模擬電平，經模、數轉化器adc0809，輸出數據送fpga處理。4總電路設計圖圖4-1 總電路圖5各部分電路設計5.1交流電源整流濾波電路設計市電經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

10、電磁干擾，經整流輸出，交流電轉變成脈動大的直流電，經電容濾波輸出脈動小的直流電，其電路如圖5-1所示。在電路中f1,f2為保險絲，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c11為濾波電容，容值為470f。jdqin端連接過壓保護電路。圖5-1交流電源整流濾波電路5.2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

11、導電的時間相差120°，三相電壓橋式逆變電路如圖4-3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。mosfet驅動電路的設計對提高mosfet性能具有舉足輕重的作用，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；能提供適當的保護功能；驅動電路還應該簡單可靠，體積小。 ir2111是美國國際整流公司(ir

12、）公司研制的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。圖5-2 逆變電路圖5-3 mofet控制電路5.3 spwm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。

13、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。將一正弦波的正半波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，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。（2） spwm波形數據的產生利用matlab產生波形。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

14、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，則有 其中t為輸出正弦波的周期。又 有 則 當取t為100000s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*100000)

15、/64; tu2=100000/64-tu1; tv1=(dv*100000)/64; tv2=100000/64-tv1; tw1=(dw*100000)/64;5.4 斬波和驅動電路設計設計的斬波和驅動電路如圖4-2所示。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5-4中，jdqout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

16、和引腳端9之間的電容c13,c12為47f，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（d12）來消除電感儲能對igbt造成的不利影響；采用由電感（l3)與電容（c16）組成的低通濾波器，盡可能降低輸出電壓波紋。當igbt閉合時，二極管（d12）為反偏，輸出端向負載及電感（l3）提供能量；當igbt斷開時，d12,l3,c16構成回路，電感電流經二極管（d12），對igbt起保護作用。待添加的隱藏文字內容1 圖5-4 斬波和驅動電路5.5單片機電路設計單片機及其外圍電路如圖所示，采用at89s52單片機芯片。矩陣式鍵盤以i/o口線組成，4×4

17、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4×4的行列線。按鍵輸入采用中斷工作方式。圖5-5 單片機電路5.6 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

18、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，fpga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5-6 過流保護圖5-7 過壓保護6 小結與體會通過本次課程設計，首先對變頻電源有了更深的認識，加深了理解，是對課堂所學知識的一次很好的應用。學會了整流電路，逆變電路的設計，對三相正弦波變頻電源的結構有了更深的了解。在設計過程中，我們還進一步加深了在pro