三相正弦波變頻電源設(shè)計

1、三相正弦波變頻電源設(shè)計    摘要：本設(shè)計了一個交流直流交流變頻電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用集成逆變器件IM14400,并以FPGA為控制核心,采用SPWM變頻控制技術(shù),實現(xiàn)了三相正弦波變頻輸出。其輸出線電壓有效值為36V,最大輸出電流有效值達(dá)3A。此外，系統(tǒng)還具有頻率測量、電流和電壓有效值測量及平均功率測量等功能。變頻技術(shù)在電源中的應(yīng)用，極大地減小了電源裝置的體積，提高了效率，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT)將5OHz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻(又稱交交變頻)，即

2、把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的交流調(diào)速中;間接變頻(又稱交直交變頻)，即先將市電整流成直流，再變換為要求頻率的交流。它又分為諧振變頻和方波變頻。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅、等寬和SPWM變頻。常用的方法有正弦波(調(diào)制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。逆變技術(shù)，是指整流技術(shù)的逆向變換方式。關(guān)鍵詞：逆變器;變頻電源;脈寬調(diào)制;IM14400;FPGA1引言1.1選題的提出由于我國市電頻率固定為50Hz,因而對于一些要求頻率大于或小于50Hz的應(yīng)用場合,則必須設(shè)計一個能改變頻率的變頻電源系統(tǒng)。目前最常用的是三相正弦波變頻

3、電源。該電源系統(tǒng)主要由整流、逆變、控制回路3部分組成。其中,整流部分用以實現(xiàn)AC/DC的轉(zhuǎn)換;逆變部分用以實現(xiàn)DC/AC的轉(zhuǎn)換;而控制回路用以調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)輸出信號的頻率和幅值。1.2變頻技術(shù)的介紹變頻技術(shù)是電力電子技術(shù)的主要組成部分，它主要用于需要交流電源的電壓、頻率可調(diào)(或恒壓、恒頻)的用電設(shè)備，如交流電機(jī)、中頻電源及各種專用電源的中間環(huán)節(jié)等。這一技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展為交流調(diào)速開拓了廣闊的天地。國外交流調(diào)速在電氣傳動行業(yè)已占絕對優(yōu)勢，雖然國內(nèi)直流調(diào)速還在大量使用，但近年來凡新建的電氣傳動系統(tǒng)均采用交流調(diào)速，其發(fā)展勢頭是迅速的。變頻技術(shù)在供電電源方面的應(yīng)用主要是:（1)將過去用發(fā)電機(jī)、變壓器產(chǎn)生交

4、流電的地方用變頻電源取代;（2）將計算機(jī)、電焊機(jī)、電子裝置等用直流電源的地方改為以變頻技術(shù)為核心的開關(guān)電源。在現(xiàn)有的正弦波輸出變壓變頻電源產(chǎn)品中，為了得到SPWM波，一般都采用雙極性調(diào)制技術(shù)。該調(diào)制方法的最大缺點是它的4個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，從而產(chǎn)生了較大的開關(guān)損耗，開關(guān)頻率越高，損耗越大。本文針對正弦波輸出變壓變頻電源SPWM調(diào)制方式及數(shù)字化控制策略進(jìn)行了研究，以TMS320F240數(shù)字信號處理器為主控芯片，以期得到一種較理想的調(diào)制方法，實現(xiàn)逆變電源變壓、變頻輸出。變頻技術(shù)在電源中的應(yīng)用，極大地減小了電源裝置的體積，提高了效率，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，所謂變頻就是利用電力電子器

5、件(如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT)將5OHz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻(又稱交交變頻)，即把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的交流調(diào)速中;間接變頻(又稱交直交變頻)，即先將市電整流成直流，再變換為要求頻率的交流。它又分為諧振變頻和方波變頻。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅、等寬和SPWM變頻。常用的方法有正弦波(調(diào)制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。逆變技術(shù)，是指整流技術(shù)的逆向變換方式。其作用是通過電力電子器件(例如SCR,GTR,IGBT和功率MOSFET模塊等)的開通和關(guān)斷作

6、用，把直流電能變換成交流電能，因此是一種電能變換技術(shù)。它的主要用途是用于交流傳動，靜止變頻和UPS電源等設(shè)備的研制與應(yīng)用。逆變器的負(fù)載多半是感性負(fù)載。為了提高逆變效率，存儲在負(fù)載電感中的無功能量應(yīng)當(dāng)能反饋回電源。逆變器的原理早在1931年就在文獻(xiàn)中提到過。1948年，美國西屋(Westinghouse)電氣公司采用汞弧整流器制成了3000Hz的感應(yīng)加熱用逆變器。近年來，隨著新型的電力電子元件的不斷產(chǎn)生與發(fā)展，新的控制技術(shù)的出現(xiàn)，逆變技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。1964年，由A.Schonung和H.Stemmler提出的把通信系統(tǒng)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到逆變技術(shù)中的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)(Sinusoida-PW

7、M，簡稱SPWM)，由于當(dāng)時開關(guān)器件的速度慢而未得到推廣)。直到1975年才由Bristol大學(xué)的S.R.Bowes等把SPWM技術(shù)正式應(yīng)用到逆變技術(shù)中，使得逆變器的性能大大提高，并得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，也使正弦波逆變技術(shù)達(dá)到了一個新高度。此后，各種不同的PWM技木相繼出現(xiàn)，在實際應(yīng)用中，很多部件內(nèi)部都有自己的積分器，比如電機(jī)本身就是非常理想的低通濾波器，PWM信號的一個很重要的用途就是數(shù)字電機(jī)控制。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，PWM信號控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)閉，功率器件為電機(jī)的繞組提供期望的電流和能量。相電流的頻率和能量可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，這樣提供給電機(jī)的控制電流和電壓都是調(diào)制信號，而且這個

8、調(diào)制信號的頻率比PWM載波頻率要低。采用PWM控制方式可以為電機(jī)繞組提供良好的諧波電壓和電流，避免因為環(huán)境變化產(chǎn)生的電磁擾動，并且能夠顯著提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。未能夠給電機(jī)提供具有足夠驅(qū)動能力的正弦波控制信號，可以采用PWM輸出信號經(jīng)過NPN或PNP功率開關(guān)管實現(xiàn)。例如注入三次諧波的PWM,空間向量調(diào)制(SVW)、隨機(jī)PWM、電流滯環(huán)PWM等，成為高速器件逆變器的主導(dǎo)控制方式。至此，正弦波逆變技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)基本完善。常用逆變主電路的基本形式有兩種分類方法:按照相數(shù)分類，可以分為單相和三相;按照直流側(cè)波形和交流側(cè)波形分類，可以分為電壓型逆變器和電流型逆變器，逆變電路的應(yīng)用非常廣泛，其中用途最廣的為

9、恒壓恒頻電源和變壓變頻電源。（1）恒壓恒頻電源這是一種在負(fù)載或交直流電源在一定范圍內(nèi)波動時，能保持輸出為恒定電壓和恒定頻率的交流正弦波的穩(wěn)壓和穩(wěn)頻電源裝置，簡稱CVCF電源。這類電源的典型代表是不間斷電源（UPS)。在計算機(jī)系統(tǒng)中使用UPS可以避免由于電源電壓波動、頻率漂移、瞬時干擾和電壓突然中斷等現(xiàn)象造成的損失。UPS的電壓穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性、波形失真度和不間斷性等都優(yōu)于公共電網(wǎng)，所以它的應(yīng)用十分廣泛。（CVCF電源還包括航空機(jī)載電源和機(jī)車輔助電源等）（2）調(diào)壓調(diào)頻電源這是一種可獲得所需要的電壓、電流和頻率的交流變壓變頻裝置，簡稱VVVF變頻電源。變頻電源廣泛用于交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中。交流電

10、機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在許多領(lǐng)域內(nèi)代替了傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，這是電力電子技術(shù)領(lǐng)域的一個重大突破。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和新型電力半導(dǎo)體器件的產(chǎn)生，逆變電路的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。在電力拖動系統(tǒng)、電氣傳動、各種功率的焊機(jī)電源以及有源電力濾波器等方面廣泛應(yīng)用。1.3研究意義隨著工業(yè)自動化和電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的體積大、笨重、效率低的變頻電源已不能滿足需求，現(xiàn)代變頻電源以其低損耗、高效率、電路簡潔和最佳的性能指標(biāo)等顯著受到青睞，并廣泛應(yīng)用與電氣傳動、計算機(jī)、電子設(shè)備、儀器儀表、通信設(shè)備和家用電器中。采用三相正弦波變頻電源技術(shù)將使其損耗低，效率高，電路簡潔。1.4設(shè)計的對象本設(shè)計了一個交流直流交流變頻

11、電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用集成逆變器件IM14400,并以FPGA為控制核心,采用SPWM變頻控制技術(shù),實現(xiàn)了三相正弦波變頻輸出。其輸出線電壓有效值為36V,最大輸出電流有效值達(dá)3A。此外，系統(tǒng)還具有頻率測量、電流和電壓有效值測量及平均功率測量等功能。2系統(tǒng)總體設(shè)計方案將市電通過隔離變壓器輸入到交流變頻電源系統(tǒng),隔離變壓器的輸出經(jīng)過整流橋后,產(chǎn)生全波整流信號。全波整流信號濾波生成與輸入交流電對應(yīng)的直流電,從而實現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)全波整流橋采用集成整流橋KBL406,三相逆變器模塊IM14400在FPGA產(chǎn)生的三相SPWM脈沖控制下產(chǎn)生三相交流電。逆變器輸出的交流電頻率等于SPWM脈沖基波頻率,

12、通過控制FPGA的DDS模塊的正弦波頻率來調(diào)制正弦波頻率。SPWM脈沖基波頻率等于調(diào)制波頻率,系統(tǒng)采用這種方法實現(xiàn)變頻。圖1-1給出了系統(tǒng)總體框圖。SPWM的概念在進(jìn)行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當(dāng)正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。SPWM脈沖系列中，各脈沖的寬度以及相互間的間隔寬度是由正弦波(基準(zhǔn)波或調(diào)制波)和等腰三角波(載波)的交點來決的。圖2.1系統(tǒng)總體框圖3系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)3.1系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)為減小系

13、統(tǒng)的體積，提高性能。此模塊的電路設(shè)計采用芯片IPMIM14400，在相應(yīng)三相SPWM控制下，輸出三相交流信號。Cyntec公司IPM系列芯片為三相電機(jī)驅(qū)動芯片，芯片內(nèi)包含三相橋式IGBT功率管及相關(guān)控制、驅(qū)動電路，控制比較簡單，適合用于本系統(tǒng)。電路如圖4-3所示。在芯片的P、N端施加整流輸出的支流電壓，SPWM控制信號經(jīng)過光耦隔離、三極管驅(qū)動后施加在圖4-3的SPWM端，則在UVW端得到滿足要求幅度的SPWM信號，該信號經(jīng)過濾波濾除高頻分量，即可得到所要求的正弦波信號。芯片的+15V工作電源獨(dú)立供給。獨(dú)立電源采用DC-DC轉(zhuǎn)換器SR5D15/50實現(xiàn)。轉(zhuǎn)換器的+5V供電從FPGA引腳引出。該轉(zhuǎn)

14、換器的輸出是隔離。圖3.1三相橋式逆變電路3.2PWM信號的產(chǎn)生方式按照SPWM控制基本原理,在三角波和正弦波的自然交點時刻控制功率開關(guān)器件的通斷。如果采用自然采樣法,會增加硬件的復(fù)雜度,但因該系統(tǒng)是以FPGA為控制核心,可方便地實現(xiàn)。把正弦波波形表存入存儲器中,同時利用加法器和減法器生成三角形載波,再通過數(shù)字比較器產(chǎn)生所需要的波形。該方案具有可靠性高,可重復(fù)編程,響應(yīng)快,精度高等特點,其原理如圖3.2所示。圖3.2PWM信號的產(chǎn)生原理圖三角波產(chǎn)生電路,如圖3.3所示為通用三角波產(chǎn)生電路，該電路中，運(yùn)算放大器A1，A2是正負(fù)峰值檢波積分器，C1為保持電容。該電路能適應(yīng)很寬的測試范圍，具有很好的

15、線性和振幅穩(wěn)定性。振蕩頻率取決于積分時間常數(shù)R3，C2，若VA=8V，這時的振蕩頻率為1KHZ。電容C1與C2的比值取20：1。運(yùn)算放大采用741。圖3.3三角波產(chǎn)生電路3.3SPWM調(diào)制方式的選擇載波比恒定的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。同步調(diào)制時PWM脈沖在一個周期內(nèi)的個數(shù)是恒定的,脈沖的相位也是固定的,將調(diào)制比設(shè)定為3的整數(shù)倍時,可以使輸出波形嚴(yán)格對稱,從而有效降低信號的諧波分量。但是,當(dāng)逆變電路的輸出頻率比較低時,同步調(diào)制載波的頻率也很低,過低時不易濾除調(diào)制帶來的諧波,當(dāng)逆變電路的輸出頻率很高時,同步調(diào)制載波頻率也過高,這將使開關(guān)器件的開關(guān)損耗增大。載波信號和調(diào)制信號頻率不保持同步的調(diào)制方式稱

16、為異步調(diào)制。異步調(diào)制時保持載波時鐘頻率不變,當(dāng)調(diào)制正弦波的頻率發(fā)生變化時,載波比跟隨變化,在調(diào)制波的一個周期內(nèi)PWM脈沖的個數(shù)不固定,相位也不固定。正負(fù)半周期脈沖不對稱,半周期內(nèi)前后周期的脈沖不對稱,造成信號的諧波分量較豐富,給后級濾波電路造成困難。該系統(tǒng)的逆變器輸出頻率在20100Hz,輸出信號的頻率較低。設(shè)計采用IM14400作為逆變電路,IM14400的PWM輸入頻率范圍為5kHz0.3MHz,可以選擇很高的載波比。在異步調(diào)制方式下,當(dāng)載波比很大時,正負(fù)半周期脈沖不對稱和半周期內(nèi)前后周期的脈沖不對稱造成的諧波分量都很小,PWM脈沖接近正弦波。此設(shè)計的調(diào)制方式選擇異步調(diào)制方式,載波頻率固定

17、為29.2kHz。3.4FPGA控制模塊采用FPGA作為系統(tǒng)的總控制模塊,其中的波形發(fā)生器控制電路通過外來控制信號和高速時鐘信號，向波形數(shù)據(jù)ROM發(fā)出地址信號，輸出波形的頻率由發(fā)出的地址信號的速度決定；當(dāng)以固定頻率掃描輸出地址時，模擬輸出波形是固定頻率。同時，還控制數(shù)碼管動態(tài)顯示頻率和幅度預(yù)置值。4理論分析與參數(shù)計算4.1SPWM逆變電源的諧波分析在調(diào)制度一定,在三相共用一個載波信號的情況下,對輸出線電壓進(jìn)行頻譜分析,由此可發(fā)現(xiàn),輸出線電壓的諧波角頻率為:=nc±kr(1)式中:當(dāng)n為奇數(shù)時,k=3(2m-1)±1,m=1,2;當(dāng)n為偶數(shù)時,k=6m+16m-1,k=6m+

18、1,m=0,1,2;k=6m-1,m=1,2。由式(1)可知,輸出線電壓頻譜中沒有載波頻率c的整數(shù)倍次諧波分量,諧波中幅值較高的諧波分量是c±r和2c±r。從上述分析可知,SPWM波形中所含的諧波主要是角頻率為c、2c及其附近的諧波。由于采用了異步調(diào)制方式,故最小載波比k=c/r=168,所以PWM波形中所含主要諧波分量的頻率比基波分量的頻率高很多,諧波分量易被濾出。4.2載波頻率的選擇由SPWM逆變電源的諧波分量分析可知,SPWM電壓源逆變器輸出線電壓諧波分量分布在c周圍,提高SPWM的載波頻率fc將使逆變器輸出線電壓的主要諧波分量分布在較高的頻段,從而使逆變器的輸出電壓

19、失真度很低。但是提高fc,會使逆變器中功率開關(guān)管的開關(guān)頻率提高,這將大大增加逆變器的開關(guān)損耗。此外,fc提高還受到硬件的限制。通常情況下IM14400的關(guān)斷延遲Toff=0.9s,開啟延遲時間Ton=0.73s,由于其關(guān)斷延遲大于開啟延遲,易造成同一相上下兩個橋臂同時導(dǎo)通。實際電路中由于硬件的時延,SPWM采樣時刻的誤差,以及為了防止同一相上下兩個橋臂同時導(dǎo)通而設(shè)置了死區(qū)。IM14400的最小死區(qū)時間tdead設(shè)為3s。SPWM脈沖的每一個開關(guān)脈沖之前都要加一個至少3s的死區(qū)時間tdead,當(dāng)IM14400的開關(guān)周期Tg3s,Tg和載波周期Tc相等,所以fc0.33MHz。IM14400要求輸

20、入的最低PWM脈沖頻率5kHz,所以5kHzfc0.33MHz。死區(qū)和開關(guān)時延是限制fc提高的最主要因素。fc越大,Tg越短,tdead/Tg就越大,逆變器的輸出電壓諧波分布也越復(fù)雜。綜上因素考慮,系統(tǒng)設(shè)計中選定fc=29.2kHz,它在20100Hz的頻率范圍內(nèi),其載波比292<k<1460。4.3FPGA內(nèi)單相平均功率計算算法平均功率公式5為:將其離散化處理后得:設(shè)計中,一個周期內(nèi)電壓和電流都采樣256個點,則5.應(yīng)用程序設(shè)計部分5.1VHDL硬件描述語言簡介采用VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptiponLan

21、guage）超高速集成電路硬件描述語言設(shè)計復(fù)雜數(shù)字電路的方法具有很多優(yōu)點，VHDL語言的設(shè)計技術(shù)齊全、方法靈活、支持廣泛。VHDL語言的系統(tǒng)硬件描述能力很強(qiáng)，具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，可以從系統(tǒng)級到門級電路，而且高層次的行為描述可以與低層次的RTL描述混合使用。VHDL在描述數(shù)字系統(tǒng)時，可以使用前后一致的語義和語法跨越多層次，并且使用跨越多個級別的混合描述模擬該系統(tǒng)。因此，可以對高層次行為描述的子系統(tǒng)及低層次詳細(xì)實現(xiàn)子系統(tǒng)所組成的系統(tǒng)進(jìn)行模擬。5.2正弦波頂層設(shè)計程序LIBRARYIEEE;-正弦信號發(fā)生器源文件USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.ST

22、D_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYSINGTISPORT(CLK:INSTD_LOGIC;-信號源時鐘DOUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);-8位波形數(shù)據(jù)輸出END;ARCHITECTUREDACCOFSINGTISCOMPONENTdata_rom-調(diào)用波形數(shù)據(jù)存儲器LPM_ROM文件:data_rom.vhd聲明PORT(address:INSTD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0);-6位地址信號inclock:INSTD_LOGIC;-地址鎖存時鐘q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);ENDCOMP

23、ONENT;SIGNALQ1:STD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0);-設(shè)定內(nèi)部節(jié)點作為地址計數(shù)器BEGINPROCESS(CLK)-LPM_ROM地址發(fā)生器進(jìn)程BEGINIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENQ1<=Q1+1;-Q1作為地址發(fā)生器計數(shù)器ENDIF;ENDPROCESS;u1:data_romPORTMAP(address=>Q1,q=>DOUT,inclock=>CLK);-例化END;6結(jié)論6.1取得的成績本系統(tǒng)初步達(dá)到了基本要求，整個系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，甚至能在三相電流都達(dá)到3安得情況下長時間工作。各項保護(hù)均能夠精確動作，測試效果比較理想。系統(tǒng)還擴(kuò)展了頻率步進(jìn)、手動緊急斷電等功能，并將頻率分辨度做到了0.01Hz但是測試失真度為4.85。6.2存在的不足和今后的努力方向輸入電壓為198242伏，負(fù)載的電流有效值應(yīng)為0.53安，輸出電壓有效值應(yīng)保持在36伏，誤差絕對值應(yīng)小于1.然而受隔離變壓