三相500w逆變電源

1、電力電子應(yīng)用課程設(shè)計課題：三相500W逆變器的設(shè)計班級 學號 姓名 專業(yè) 系別 指導教師 淮陰工學院電氣工程系2016年3月一基本背景1. 三相逆變器的應(yīng)用背景國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及生產(chǎn)需求狀況：隨著各行各業(yè)自動化水平及控制技術(shù)的發(fā)展和其對操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備（如通信電源、電弧焊電源、電動機變頻調(diào)速器等）都不是直接使用交流電網(wǎng)作為電源，而是通過形式對其進行變換而得到各自所需的電能形式，它們所使用的電能大都是通過整流和逆變組合電路對原始電能進行變換后得到的。逆變電源輸出波形質(zhì)量包括穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好以及負載適應(yīng)性強。這種結(jié)構(gòu)簡單動靜態(tài)性能優(yōu)良和負載適應(yīng)性強的逆變電源，一直是研究者

2、在逆變電源方面追求的目標。 當今世界逆變電源應(yīng)用非常廣泛，需求量逐年遞增。逆變電源技術(shù)的核心部分是逆變器和其控制部分。逆變器是將直流變?yōu)槎l定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電的變換器，傳統(tǒng)方法是利用晶閘管組成的方波逆變電路實現(xiàn)，但由于其含有較大成分低次諧波等缺點，近十余年來，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，全控型快速半導體器件BJT，IGBT，GTO 等的發(fā)展和PWM 的控制技術(shù)的日趨完善，使SPWM 逆變器得以迅速發(fā)展并廣泛使用。PWM 控制技術(shù)是利用半導體開關(guān)器件的導通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和周期以達到變壓目的或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)

3、，SPWM控制技術(shù)又有許多種，并且還在不斷發(fā)展中。 2. 三相逆變器研究設(shè)計的意義正因為逆變電源技術(shù)的核心部分是逆變器和其控制部分，所以選擇逆變器的設(shè)計作為研究課題可以慢慢跨入逆變電源的行業(yè)中去深入發(fā)展。眾所周知，雖然自關(guān)斷器件的產(chǎn)生簡化了逆變主電路，但它的開關(guān)頻率和功率仍受一定的限制，于是逆變電源輸出波形正弦度仍不是很理想。雖然在控制方法上已經(jīng)趨于成熟，但有些控制方法實現(xiàn)起來仍很困難。隨著開關(guān)頻率的提高，會引起開關(guān)損耗的增加，逆變效率和直流利用率的降低，因此，對逆變電源技術(shù)進行深入地研究有很大的現(xiàn)實意義。二任務(wù)書要求2.1、設(shè)計目的：圖1出了三相逆變器主電路，通過本課題的分析設(shè)計，可以加深學

4、生對三相逆變電路的認識和理解。要求學生掌握三相逆變電路基本工作原理，功率器件、LC濾波器的參數(shù)設(shè)計并學會分析該電路的各種工作模態(tài)，要求學生熟悉三相逆變器的SPWM調(diào)制方案，并且學會用模擬電路或單片機實現(xiàn)三相逆變器的驅(qū)動信號的輸出，熟悉橋式逆變器的驅(qū)動電路，建立硬件電路并進行開關(guān)調(diào)試。輸入：800V DC，輸出：220V 50HZ2.2、設(shè)計任務(wù)：1、給出符合輸入輸出要求的電路方案，給出各個模塊的基本框圖，并能設(shè)計其主要參數(shù)；2、根據(jù)輸入輸出的參數(shù)指標，計算功率電路中半導體器件電壓電流等級，并給出所選器件的型號，設(shè)計變換器的脈沖變壓器及濾波電容。3、給出控制電路的設(shè)計方案，能夠輸出頻率和占空比可

5、調(diào)的脈沖源。4、應(yīng)用protel軟件作出線路圖，建立硬件電路并調(diào)試。圖1三相逆變器主電路三基本原理3.1.三相電壓型逆變電路工作原理逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源的性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。在本文中，我們主要討論三相電壓型逆變電路的基本構(gòu)成、工作原理和特性，圖3.1為其電路。 3.1三相電壓型逆變電路下面，我們討論一下三相全橋電壓型逆變電路。在圖3.2 所示電路中，電路的直流側(cè)通常只有一個電容器就可以了，但為了方便分析，畫作串聯(lián)的兩個電容器并標出假想中點。和單相半橋、全橋逆變電路相同，三相電壓型橋式逆變電路的基本工作方式也是180&#

6、176;導電方式，即每個橋臂的導電角度為180°，同一相（即同一半橋）上下兩個臂交替導電，各相開始導電的角度以此相差120°。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導通?？赡苁巧厦嬉粋€臂下面兩個臂，也可能是上面兩個臂下面一個臂同時導通。因為每次換流都是在同一相上下兩個橋臂之間進行，因此也被稱為縱向換流。3.2.控制電路的設(shè)計3.2.1 SPWM控制的基本原理如圖3.3（a）所示，我們將一個正弦波半波電壓分成N等分，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點與相應(yīng)正弦等份的中點重合，得到如圖3.3(b)所示得脈沖列，這就SPWM波形

7、。正弦波得另外半波可以用相同得辦法來等效。可以看出，該PWM波形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化，稱為SPWM波形。圖3.3 SPWM波形根據(jù)采樣控制理論，脈沖頻率越高，SPWM波形便越接近正弦波。逆變器的輸出電壓為SPWM波形時，其低次諧波得到很好地抑制和消除，高次諧波又能很容易濾去，從而可得到崎變率極低的正弦波輸出電壓。SPWM控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或者其他所需要的波形。從理論上講，在給出了正弦半波頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，脈沖波形的寬度和間隔便可以準確計算出來。然后按照計算的結(jié)果控制電路中各開關(guān)

8、器件的通斷，就可以得到所需要的波形。但在實際應(yīng)用中，人們常采用正弦波與等腰三角波相交的辦法來確定各矩形脈沖的寬度。等腰三角波上下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對稱，當它與任何一個光滑曲線相交時，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這種方法稱為調(diào)制方法。希望輸出的信號為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的三角波稱為載波。當調(diào)制信號是正弦波時，所得到的便是SPWM波形。當調(diào)制信號不是正弦波時，也能得到與調(diào)制信號等效的PWM波形。3.3.2單極性和雙極性SPWM控制方式單極性是指載波和調(diào)制波始終保持同極性的關(guān)系，在調(diào)制波信號的一個周期里，同一橋臂的上下兩個功率管工作狀態(tài)相互切換，分別工作在正弦調(diào)制波的

9、半個周期。單極性SPWM調(diào)制原理圖如圖3.4所示:圖3.4單極性調(diào)制原理圖雙極性SPWM的載波極性隨時間而正負變化，和調(diào)制波的極性變化沒有關(guān)系，載波信號的一個周期里，同一橋臂的上下兩個功率管互相切換，在調(diào)制波的半個周期里始終處于按正弦脈寬調(diào)制規(guī)律互補開關(guān)的工作狀態(tài)。雙極性SPWM調(diào)制原理圖如圖3.5所示: 圖3.5雙極性調(diào)至原理圖四系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1系統(tǒng)總體介紹本次設(shè)計的目的是研制一種輸入為800V的直流穩(wěn)定電壓，輸出為220V，50Hz的交流穩(wěn)定電壓，輸出功率較大的三相穩(wěn)壓電源。考慮到所設(shè)計的系統(tǒng)為大功率電源，所以我們在這考慮使用SPWM逆變技術(shù)，下圖為所設(shè)計的系統(tǒng)框圖。 直流輸入 全橋逆變

10、 輸出濾波 交流輸出 控制電路 驅(qū)動電路該系統(tǒng)的工作原理是輸入800V的直流電壓，然后經(jīng)SPWM全橋逆變，變成220V的SPWM電壓，再經(jīng)輸出濾波電路濾波為220V、50Hz正弦波交流電壓輸出，另外，系統(tǒng)中CPU根據(jù)輸出采樣電壓值來控制SPWM波發(fā)生器輸出的SPWM波形參數(shù)，SPWM發(fā)生器產(chǎn)生的SPWM波經(jīng)四個驅(qū)動隔離電路去驅(qū)動逆變電路，從而把整流濾波后得到的直流電逆變成穩(wěn)定交流電。 4控制電路原理圖SA4828與單片機接口的原理圖如圖3.11所示，采用ARM單片機編程具體程序如下：#include "stm32f10x.h"#include "pwm.h&quo

11、t;#include "adc.h"#include "dma.h"#include "delay.h" u32 pin=1800; float zhan; float adcy; float adcx; float temp0; float temp1;/* Private typedef -*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

12、TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;/* Private define -*/* Private macro -*/* Private variables -*/u16 TimerPeriod = 3600;u16 DutyFactor = 50;/* Private function prototypes -*/* Private functions -*/void RCC_Configure(void);void GPIO_Configure(void);void PWM

13、_Configure(void);/* * brief Main program. * param None * retval None */void RCC_Configure() RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4 | RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE); void GPIO_Configure() /* GPIOA配置：通道

14、PA.6和PA.7為 輸出引腳*/ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode =

15、GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);void PWM_Configure() /* 通道1，2和3配置在PWM模式 */ TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; /TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNStat

16、e = TIM_OutputNState_Enable; 互補輸出使能，主要用于高級定時器 TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = DutyFactor * 7200 / 100; /設(shè)置占空比 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;/這里的4行代碼就是設(shè)置PWM的空閑電平、波形方式的！一開始自己一不小心搞成了都高的死區(qū)，這里是都低電平的死區(qū) / TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High; 互補輸出端 /TIM_OCIn

17、itStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set; /TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCIdleState_Reset; TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); /初始化通道1 TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); /初始化通道2 TIM_OC3Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); /初始化通道3 /* 自動輸出使能，中斷，死區(qū)相關(guān)的設(shè)置*/ TIM_

18、BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable; TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable; TIM_BDTRInitStructure.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_1; TIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = 12; /死區(qū)時間為 12/SYSTEMCLK (ns) TIM_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Disable; /關(guān)閉外部break

19、功能，當然在產(chǎn)品中最好加入這個保護，蠻好用的。 TIM_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High; /中斷時配置端口輸出高電平 TIM_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Enable; /自動輸出使能 TIM_BDTRConfig(TIM3, &TIM_BDTRInitStructure); TIM_CtrlPWMOutputs(TIM3, ENABLE); /* 主輸出啟用 */ /PWM輸出使能int main(voi

20、d) u32 ad_zhigh=500; u32 ad_phigh=7200; u32 p_high=3600; RCC_Configure(); delay_init(72); GPIO_Configure(); TIM_Configure(3600); PWM_Configure(); NVIC_Configure(); TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); /* TIM3的計數(shù)器使能 */ TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); /* TIM4的計數(shù)器使能 */ DMA_INIT(); ADC_INIT(); while (1) u32 n; u32 Get_Adcx_Av

21、erage, Get_Adcy_Average; u32 temp_val=0; u32 temp_val0=0; u8 t,i; for(t=0;t<20;t+) /占空比取平均值 temp_val+=ADC_ConvertedValue0; /delay_us(1); Get_Adcx_Average= temp_val/20; temp_val=0; for(i=0;i<20;i+) /采樣頻率取平均值 temp_val0+=ADC_ConvertedValue1; / delay_us(10); Get_Adcy_Average= temp_val0/20; temp_va

22、l0=0;adcx=Get_Adcx_Average;adcy=Get_Adcy_Average;temp0=(adcx/4096.0);temp1=(adcy/4096.0)*7200;/ if(ad_zhigh-10)<temp0&&temp0<(ad_zhigh+10)/限制頻率波動范圍/ temp0=ad_zhigh;/ / ad_zhigh=temp0;/ zhan=temp0/1000;if(temp1>7200) /限制頻率范圍temp1=7200;n=temp1;if(n<900)/限制頻率范圍temp1=900; if(ad_phigh

23、-150)<temp1&&temp1<(ad_phigh-150)/限制頻率波動范圍 temp1=ad_phigh; ad_phigh=temp1; pin=temp1;if(pin<(p_high-150)|(p_high+150)<pin) /限制刷新動態(tài)范圍 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=1; /自動重裝載寄存器的值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=pin-1; /時鐘預(yù)分頻數(shù) TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure); p_high=pin; delay_ms(100); 五.仿真波形分析MATLAB軟件語言系統(tǒng)是當今流行的第四代計算機語言，由于它在科學計算、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)建模與仿真、圖形圖像處理等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及自身的獨特優(yōu)勢，目前MATLAB受到個研究領(lǐng)域的推崇和關(guān)注。本文也采用MATLAB軟件對研究結(jié)果進行仿真，以驗證結(jié)果是否正確。5.1 建立仿真模型建立仿真模型的步驟：1） 建立主電路的仿真模型2） 構(gòu)造控制部分3） 完成波形觀測及分析部分最終完成仿真模型如下圖所