電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告三相正弦波變頻電源設(shè)計(jì)

1、三相正弦波變頻電源設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)任務(wù)分析 設(shè)計(jì)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(fù)載電流有效值為3a，負(fù)載為三相對稱阻性負(fù)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?nèi)嘭?fù)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(shè)計(jì)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(dǎo)通，同時關(guān)斷前面已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管，每個晶閘管導(dǎo)通120°；當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)通，形成導(dǎo)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(fù)半周內(nèi)部有電流供給負(fù)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(fù)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(jù)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(nèi)阻抗近似于無窮大，他吸收負(fù)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(nèi)阻抗近似于零，他吸收負(fù)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(jī)傳動，加，減速頻繁運(yùn)行或需要經(jīng)常反向的場合。電壓型逆變器適合于向多機(jī)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(jù)題目要求，選擇方案二。2.3 spwm（正弦脈寬調(diào)制）波產(chǎn)生方案選擇 在給設(shè)計(jì)中，變頻的核心技術(shù)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(yán)格互差120°的調(diào)制脈沖，隨意可作為三相變頻電源的控制電路。這樣的設(shè)計(jì)避免了應(yīng)用分立元件構(gòu)成spwm波形發(fā)生器離散性，調(diào)試?yán)щy，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(shù)據(jù)輸入寄存器，頻率相位數(shù)據(jù)寄存器，告訴d/a轉(zhuǎn)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(jìn)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(jì)數(shù)脈沖來改變分頻預(yù)置數(shù)，實(shí)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(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，方案二由于dds采用全數(shù)字計(jì)數(shù)，因此會存在雜散干擾，直接影響輸出信號的質(zhì)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(jié)構(gòu)圖 方案一：交流變頻電源實(shí)際上是一個ac-dc-ac裝置。它先將來自公共電網(wǎng)的交流電經(jīng)過整流器變成直流電，再通過逆變器將之轉(zhuǎn)變成滿足負(fù)載需要的交流電，所以基本結(jié)構(gòu)由整流電路，逆變電路，控制電路，負(fù)

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(fù)載改變時不能達(dá)到題目發(fā)揮部分穩(wěn)頻，穩(wěn)壓的要求。ac-dcdc-dcdc-ac負(fù)載控制電路調(diào)壓調(diào)頻ac220v/50hz圖2-1 開環(huán)結(jié)構(gòu)方框圖 方案二：在上面方式的基礎(chǔ)上，從負(fù)載端引出一個反饋信號。該反饋信號經(jīng)處理后送fpga與預(yù)置數(shù)相比較，比較結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)方框圖如圖2-2所示。ac-dcdc-dcdc-ac負(fù)載控制電路調(diào)壓調(diào)頻ac220v/50hz圖2-2 閉環(huán)結(jié)構(gòu)方框圖考慮到本設(shè)計(jì)方案，選擇方案二。3三相正弦波變頻電源系統(tǒng)組成 所設(shè)計(jì)的三相正弦波變頻電源系統(tǒng)方框

7、圖如圖3-1所示。控制方式采用單片機(jī)和fpga共同控制的方式，由單片機(jī)at89s52,ir12864-m液晶顯示器，4×4按鍵構(gòu)成人機(jī)界面。單片機(jī)控制ir12864-m液晶顯示器4×4按鍵，并與fpga的通信。fpga作為本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主控器件，采用一塊xinlinx公司生產(chǎn)的spartan 2e系列xc2s100e-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)

8、整流得直流電壓，經(jīng)斬波得到一個幅度可調(diào)的穩(wěn)定直流電壓。斬波電路的igbt開關(guān)器件選用bup304;bup304的驅(qū)動電力由集成化專用igbt驅(qū)動器exb841構(gòu)成；exb841的pwm驅(qū)動輸入信號由fpga提供，并采用觀點(diǎn)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橋臂由6個k1358構(gòu)成。 k1358的驅(qū)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(hù)exb841驅(qū)動ir2111驅(qū)動電流檢測電壓檢測占空比可調(diào)計(jì)數(shù)器可編程分頻器spwm數(shù)

9、據(jù)表隔離隔離真有效值變換真有效值變換asc0809a/d轉(zhuǎn)換波形變換占空比鎖存器分頻系數(shù)鎖存器比較運(yùn)算器比較運(yùn)算器設(shè)置數(shù)設(shè)置數(shù)輸出電流指示通信模塊單片機(jī)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(shè)計(jì)方框圖逆變輸出電壓經(jīng)過低通濾波，輸出平滑的正選波，輸出信號分別經(jīng)電壓，電流檢測，送ad673真有效值轉(zhuǎn)換芯片，輸出模擬電平，經(jīng)模、數(shù)轉(zhuǎn)化器adc0809，輸出數(shù)據(jù)送fpga處理。4總電路設(shè)計(jì)圖圖4-1 總電路圖5各部分電路設(shè)計(jì)5.1交流電源整流濾波電路設(shè)計(jì)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

10、電磁干擾，經(jīng)整流輸出，交流電轉(zhuǎn)變成脈動大的直流電，經(jīng)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(xiǎn)絲，題目要求輸出電流的有效值達(dá)到3.6a時，執(zhí)行過流保護(hù)，則采用4a的保險(xiǎn)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(hù)電路。圖5-1交流電源整流濾波電路5.2逆變和驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)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(dǎo)通。它的基本工作方式為180°導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電角度為180°，同一相（即同一半橋）上下兩橋臂交替到導(dǎo)電。各相開始

11、導(dǎo)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(qū)動電路的設(shè)計(jì)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(qū)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(guān)斷；為了使mosfet可靠地觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓，并且驅(qū)動電路要滿足mosfet快速轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)功能；驅(qū)動電路還應(yīng)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(qū)動集成電路，采用dip-8封裝。其主要技術(shù)特點(diǎn)有：可驅(qū)動同橋臂的兩個mosfet：內(nèi)部自舉工作：允許在600v電壓下直接工作：柵極驅(qū)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(nèi)置：高邊輸出，輸入同相，低邊輸出死區(qū)時間調(diào)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(shí)現(xiàn)（1）spwm波的原理正弦脈沖寬度調(diào)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。

13、這一結(jié)論表明，慣性系統(tǒng)的輸出響應(yīng)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(guān)。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(jìn)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(diǎn)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。（2） spwm波形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生利用matlab產(chǎn)生波形。計(jì)算原理如下：設(shè)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(dāng)換流器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下時，有 在具體計(jì)算時，取，取，采樣64個點(diǎn)，設(shè)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(dāng)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(qū)動電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的斬波和驅(qū)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(qū)動器exb841進(jìn)行驅(qū)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(fù)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

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(dāng)igbt閉合時，二極管（d12）為反偏，輸出端向負(fù)載及電感（l3）提供能量；當(dāng)igbt斷開時，d12,l3,c16構(gòu)成回路，電感電流經(jīng)二極管（d12），對igbt起保護(hù)作用。待添加的隱藏文字內(nèi)容1 圖5-4 斬波和驅(qū)動電路5.5單片機(jī)電路設(shè)計(jì)單片機(jī)及其外圍電路如圖所示，采用at89s52單片機(jī)芯片。矩陣式鍵盤以i/o口線組成，4×4

17、的行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成16個鍵的鍵盤。按鍵設(shè)置在行列線交點(diǎn)，行列線分別連接到按鍵開關(guān)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(shè)計(jì)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(jī)電路5.6 過壓保護(hù)與過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)在電路中設(shè)計(jì)了過壓保護(hù)電路，其電路圖如圖所示。圖中tl431是一個三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源，它的輸出電壓用兩個電阻就能任意的設(shè)置到從（2.5v）36v范圍內(nèi)的任何值。它相當(dāng)于一個二極管，但陽極端電壓高于時，陽極與陰極導(dǎo)通。在電路中，當(dāng)電壓正常時，jdqin與jdqout直線連接，不起任何保護(hù)作用。在這種情況下和中電壓為： 此時

18、th431及的基準(zhǔn)電壓為 當(dāng)發(fā)生過電壓時，兩電阻中點(diǎn)的值將大于tl431的基準(zhǔn)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(shè)計(jì)要求中，要求巨涌過電流保護(hù)功能，而過電流保護(hù)電路也是負(fù)載缺相保護(hù)電路。由于三相負(fù)載對稱時流過任一項(xiàng)的電流值彼此相差不會很大，所以當(dāng)任一負(fù)載開路時，會導(dǎo)致三相負(fù)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(nèi)，所以只要當(dāng)前電流超出所預(yù)定的范圍，則控制保護(hù)電路動作，從而切斷輸入電源。過流保護(hù)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(guān)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(shè)定的最大電流，fpga就輸出高電平控制信號使三極管導(dǎo)通，繼電器吸合進(jìn)入保護(hù)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(hù)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(hù)圖5-7 過壓保護(hù)6 小結(jié)與體會通過本次課程設(shè)計(jì)，首先對變頻電源有了更深的認(rèn)識，加深了理解，是對課堂所學(xué)知識的一次很好的應(yīng)用。學(xué)會了整流電路，逆變電路的設(shè)計(jì)，對三相正弦波變頻電源的結(jié)構(gòu)有了更深的了解。在設(shè)計(jì)過程中，我們還進(jìn)一步加深了在pro