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1、 三相正弦波变频电源 毕 业 设 计（论文）设计（论文）题目 三相正弦波变频技术 子课题题目 姓 名 学 号 系 别 电子信息与机械工程系 专业年级 五年一贯制2003级电技术指导教师 二八年 六月摘 要由于中国是能源消耗大国，能源利用效率相对很低，而中国的能源储备相对贫乏，因此国家大力提倡各种节能措施，并由国家经贸委和国家计划委员会在2001年制订了（节约用电管理办法），着重推荐了变频器调速技术。在水汞；中央空调等领域，变频器可以取代传统的通过限流阀和回流旁路技术，充分发挥节能效果；在火电；冶金；矿山；建材行业，高压变频调速的交流电机系统的经济价值正在得以体现。有市场研究显示，目前国内带变动
2、负载，具有节能潜力的电极在中国至少有1.8亿千瓦。由此可见，能源紧张所提出的节能；降耗需求，为变频器的应用提供了更广阔的空间，也给变频器企业带来更多发展契机，变频技术实现变频方法主要有两种，一、交-交，变频；二、交-直-交，变频。根据题目的任务和要求，我们选择了交-直-交 ，变频技术。交-直-交 ，变频技术。主要采用了一下几个步骤实现：1.整流滤波 2.斩波 3.逆变出于安全考虑，电路中还采用了过流保护，过压保护等保护措施。变频技术作为现代电力电子的核心技术,集现代电子、信息和智能技术于一体。针对工频(我国为50 Hz)并非是所有用电设备的最佳工作频率，因而导致许多设备长期处于低效率、低功率因
3、数运行的现状,变频控制提供了一种成熟、应用面广的高效节能新技术。关键词：变频、整流滤波、斩波、逆变。AbstractAs China is a large consumption of energy, energy efficiency relatively low, and Chinas relative lack of energy reserves, a strong proponent of the various national energy-saving measures and the State Economic and Trade Commission and the Na
4、tional Planning Commission in 2001 developed (to conserve electricity management Approach), recommended a focus on speed converter technology. Mercury in water, central air conditioning, and other fields, Drives can replace the traditional flow through the valve and the limited return bypass technol
5、ogy, give full play to energy-saving effect in thermal power generation, metallurgy, mining, building materials industries, high-pressure Frequency Control of the electrical system of economic exchange Value is to be reflected. There is a market research shows that with the current changes in the do
6、mestic load, with energy-saving potential of the motor in China at least 180 million kilowatts. This shows that the energy crisis by energy conservation; consumption demand, the frequency converter to provide a broader application of space, but also to the frequency converter business opportunity to
7、 bring more development。 Frequency Inverter technology There are two main methods, a reference to - pay, frequency; Second, the TAC - straight - TAC, the frequency. According to the topic of tasks and requirements, we chose to pay - straight - TAC, frequency technology. TAC - straight - TAC, frequen
8、cy technology. Mainly used to achieve several steps:1. Rectifier filter 2. Chopper 3. InverterFor security reasons, the circuit also used over-current protection, over-voltage protection, and other protective measures.Frequency of modern power electronics technology as the core technology, collectio
9、n of modern electronics, information and intelligence technology in one. For the frequency (in China for 50 Hz) is not the best of all electrical equipment operating frequency, thus leading to many long-term low-efficiency equipment, low operating power factor of the status quo, frequency control pr
10、ovides a mature, a wide range of applications Efficient energy-saving new technology.Keywords：Frequency、Rectifier filter、Chopper、Inverter目录摘 要1关键词：1目录3前 言4第一章 设计任务及技术指标51.1设计任务51.2技术指标5第二章 课题分析62.1 系统分析62.2AC-DC模块分析62.3 DC-AC模块分析7第三章 硬件部分设计93.1整流滤波电路设计93.2斩波及驱动电路设计93.3 PWM波产生电路设计113.4 逆变及驱动电路设计133.5
11、 控制器的设计143.5.1 DSP主程序流程153.5.2 SPWM波实际产生算法15第四章 结束语164.1技术结论164.2 技术展望16参考文献17谢辞18前 言20世纪70年代，家用电器开始逐步变频化，出现了电磁烹任器、变频照明器具、变频空调器、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭堡、变频洗衣机等。20世纪90年代后半期，家用电器则依托变频技术，主要瞄准高功能和省电。比如，要求具有高速高出力、控制性能好、小型轻量、大容量、高舒适感、长寿命、安全可靠、静音、省电等优点。近年来，新式的空调器已采用无刷直流电动机实现变频调速，其节能效果较交流异步电动机变频又提高约1015。为了进一步
12、提高装置的效能，近年来，日本的空调器又逐步从单纯的PWM控制改为PWM十PAM混合控制方式。即较低速时采用PWM控制，保持Uf为一定；当转速大于一定值时，将调制度固定在最大值附近，通过改变直流斩波器的导通占空LL，提高逆变器输入直流电压值，从而保持变频器输出电压和转速成比例，这一区域称为PAM区。采用混合控制方式后，变频器的输入功率因数、电机效率、装置综合效率都比单独PWA4控制时有较大幅度的提高。近年来，新式的变频冷藏库不但耗电量减少、实现静音化，而且利用高速运行能实现大幅度时快速冷冻；在洗衣机方面，过去使用变频实现可变速控制，提高洗净性能，新流行的洗衣机除了节能和静音化外，还在确保衣物柔和
13、洗涤等方面推出新的控制内容；电磁烹任器利用高频感应加热使锅子直接发热，没有燃气和电加热的炽热部分，因此不但安全，还大幅度提高加热效率，其工作频率高于听觉之上，从而消除了饭锅振动引起的噪声；IH电饭堡得到的火力比电加热器更强，而且利用变频可以进行火力微调，只要合理设计加热感应线圈，可得到任意的加热布局，炊饭性能上了一个档次；变频微波炉利用能给高频电磁控管必要的升压驱动，电源结构小，炉内空间更宽敞，新式微波炉能任意调节电力，并根据不同食品选择最佳加热方式，缩短时间，降低电耗；照明方面，荧光灯使用高频照明，可提高发光效率，实现节能，无闪烁，易调光，频率任意可调，镇流器小型轻便。变频技术正在给形形色色
14、的家电带来新的革命，并将给用户带来更大的福音。今后变频技术还将随着电力电子器件、新型电力变换拓扑电路、滤波及屏蔽技术的进步而发展。家用太阳能发电系统还将给家电增添新的能源。 2.1 系统分析从结构上讲，变频器可分为直接变频和间接变频两类。直接变频又称为交-交变频，是一种将工频交流点直接变换为频率可控制的交流电，中间没有直流环节的变频形式；间接变频又称为交-直-交变频，是将工频交流电先经过整流器整流成直流，在经过逆变器将直流变换成频率可变的交流的变频形式，因此，这种变频方式又被称为有直流环节的变频。根据题目图形要求，我用到的是后者。其变频电源系统方框图如图2.1所示。 图2.1在图2.1中。AC
15、-DC的作用是将220V的市电压经过隔离变压器降低至60V，然后经过整流滤波输出一个不太稳定的直流电压。DC-DC是将不稳定的直流电压装换成稳定的直流电压。DC-AC是三相逆变器，它的作用是将稳定的直流电压变换成三相对称的稳幅、稳频的交流电压。负载是接成Y型三相对称负载。控制器是系统的控制指挥中心，起着指挥控制的作用。使整个系统正常运行。2.2AC-DC模块分析AC-DC模块的原理如下图所示。 图2.2 图2.2中Tr 为电源变压器，将220V的电压降低至60V。VD1VD4为整流二极管，一般采用整流桥堆，起整流作用。C1、C2为滤波电容。2.3 DC-AC模块分析根据题目要求，选用电压型三相
16、逆变器。电压型三相逆变电路图如图2.3所示。（a） 电压型三相逆变电路(b)180导电波形（c）星型负载图2.3当VT1导通时，节点a接于直流电源正端，ao=VD/2。同理，b和c点也是根据上下管导通情况决定其点位的。如图2.3（A）中依序标号的开光器件其驱动信号彼此间相差60。若每个开关管的驱动信号持续180，如图2.9（B）所示。则在任何时刻都有三个开关管导通，并按1、2、3，2、3、4，3、4、5，4、5、6，5、6、1，6、1、2顺序导通，从而能获得图2.3（B）所示的输出电压波形：ab=ao-bo,bc=bo-co,ca=co-ao,其基波分量彼此之间相差120。逆变器的负载按图2.
17、3（C）所示星型连接。第三章 硬件部分设计3.1整流滤波电路设计图3.1中Tr 为电源变压器，将220V的电压降低至60V。VD1VD4为整流二极管，一般采用整流桥堆，起整流作用。C1、C2为滤波电容。有一个5A的熔断器作为电路的主体保护。 图3.1 交流电源整流滤波电路3.2斩波及驱动电路设计BUP304是整个应用电路中的主导器件，采用集成化的IGBT专用驱动器EXB841进行驱动，其性能更好，整机的可靠性更高及体积更小。由于EXB系列驱动器采用具有高隔电压的光耦合器作为信号隔离，因此能用于交流380V的动力设备上。EXB841驱动器的引脚图如图3.2所示。 图3.2 EXB841的引脚图
18、IGBT的专用驱动器EXB841的引脚说明： 1 驱动脉冲输出相对端； 2 电源连接端； 3 驱动脉冲端； 4 、7、8、10、11空端； 5 过电流保护动作信号输出端； 6 过电流保护取样信号连接端； 9 驱动输出级电源地端； 14 驱动信号输入连接负端； 15 驱动信号输入连接正端。EXB841是混合IC能驱动高达400A/600V的IGBT和高达300A/1200V的IGBT。因为驱动电路延迟大于等于1s,所以次混合IC适用于高约40 KHZ的开关操作。在该电路中采用最大电压为100V，T0-218AB封装,BUP304的IGBT（隔离栅双极性晶体管）。IGBT通常只能承受10s的短路电
19、流，所以必须有快速保护电路。EXB系列驱动器内设有过电流保护电路，根据驱动信号于集电极之间的关系检测过电流，其检测电路如图3.3(a)所示。当集电极电压过高时，虽然输入信号也认为存在过电流，但是如果发生过发生过电流，驱动器的低速切断电路就慢速关断IGBT（10s的过流不响应），从而保证IGBT不被损坏。如果以正常速度切断过电流，集电极产生的尖脉冲足以破坏IGBT，关断时的集电极波形如图3.3(b)所示。IGBT在开关过程中需要一个+15V电压以获得高压开启电压，还需要一个-5V关栅极电压以防止关断时的误动作。者两种电压（+15V和-5V）均可由20V供电的驱动器内部产生，如图3.3（C）所示
20、（a）过流检测器 （b）关断时的集成电极波形图（c）低开启电压和关栅电压的产生图3.3快速保护电路具体应用电路如图3.4所示。图中JDQOUT是整流滤波的输出量，EXB841的第6脚所接的快恢复二级管选择U8100，第5脚接一个光电耦合器TLP521，根据资料，与2脚相接的电阻为4.7K（1/2W），1脚和9脚、2脚和9脚之间的电容C1.3、C1.2为47F，该电容并非滤波电容，而是用来吸收输入电压波动的电容。在斩波后的电路中接一个需流二级管(VD1.2)来消除电感储能对IGBT造成的不利影响，并采用由电感（L3）与电容（C1.6）组成的低通滤波器以尽肯能降低输出电压的纹波。当IGBT闭合时，
21、二级管受反偏，输入端向负载及电感（L3）提供能量，当IGBT断开时，VD1.2、L3、C1.6构成回路，电感电流流经二极管，对IGBT其保护作用，因为IGBT通常只能了承受10s的短路电流。 图3.4斩波应用电路3.3 PWM波产生电路设计采用PWM集成芯片TL494。集成芯片TL494介绍TL494是一种固定频率、脉宽调制电路，主要为SWITCHMODE（开关模式）电源控制而设计，其引出端排列如图3.5所示，功能图如图3.6所示。图3.5 TL494 引出端排列图3.6 TL494 特点：完整的脉宽调制控制电路具有主控或被控片内振荡器(fosc=40kHz)片内误差放大器可调的空载时间控制额
22、定值为500mA源或吸入电流的独立输出晶体管推挽或单端工作输出控制欠压锁定极限参数或推荐工作条件电源电压Vcc：42V；(推荐：740V)集电极输出电压Uc1,Uc2：42V：（推荐：200mA）集电极输入电流Ic1,Ic2:500mA(推荐：200mA)放大器输入电压UIR:-0.3+42V输入反馈端电流Ifb:0.3mA（最大值）参考输出电流Iref：10mA(推荐)最大功耗PD:当TA45时，1000mW工作结温TJ：125（塑料TL494C/494I）;150(陶封)震荡器频率fosc:1.0200kHZ(推荐)储存温度Tstg-55+125(塑封TL474、494I)；-65+150
23、（陶封）工作温度TA：070（TL494I）；-2585（TL494I）;-55+125(TL494M)定时电阻RT:1.8500k（推荐）定时电容CT：0.004710F（推荐）封装表2-1参数条件符号最小值典型值最大值单位基准电压I0=1.0mAVRET4.755.05.25V短路电流UREF=0VISC3575mA误差放大器输入失调电压UO(Pin3)=2.5VUio2.010mV输入失调电压UO(Pin3)Iio5.0250nA输入偏置电流UO(Pin3)IIB-0.1-1.0A输入共模电压范围UCC=40VUICR-0.3VCC-2.0V输出陷电流UO(Pin3)IO-0.30.7m
24、A输出源电流UO(Pin3)IO+2.0-0.4mA整个器件备用电源电流UCC=15VUCC=40VISC5.57.01015mA平均电源电流CT=0.01F,rt=12kUO(Pin4)=2.0V7.0mA注：参数测量条件为：（VCC=15V，CT=0.01F，RT=12k；对于典型值，TA为25；对于最小值/最大值，TA为环境工作温度范围，另有说明）参数计算由R10=39K，C5=0.001F,得到震荡频率fosc=28.2kHZ。为了保证电流连续，电感取值不能太小，但也不能太大。计算如下：Lmin=(Ui-Uo)/(2Io)TON=(35-10)/(21.5)0.00002=0.0001
25、67H=167HC/(8LfUO) =15100.000001/(80.0013010000.1)=0.000006F=6.25F IOP=ILP=(Ui-Uo)/(2L)TON+IO=(35-10)/(20.001)0.00002+1.5 =0.25+1.5=1.75A3.4 逆变及驱动电路设计在本设计中采用三相电压桥式逆变电路，6个型号为K1358的MOSFET组成该逆变电路的桥臂，桥中个桥臂在控制信号作用下轮流导通。他的基本工作方式是180导电方式，即每个桥臂的导电角度为180，相同（即通一半桥）上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的时间相差120。三相电压桥式逆变电路如图3.7所示，每一
26、个K1358并联一个续流二级管和串联一个RC低通滤波器。MOSFET驱动电路的设计对提高MOSFET性能具有举足轻重的作用，并对MOSFET的效率、可靠性、寿命都有重要的影响。MOSFET对驱动它的电路也有要求；能向MOSFET栅极提供需要的的栅压，以保证MOSFET可靠的开通和关断，为了使MOSFET可靠的触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压，并且驱动电路要满足MOSFET快速转换的高峰值电流的要求，具备良好的电气隔离性能，能提供适当的保护功能，驱动电路还应简单可靠、体积小。在设计中采用IR2111作为MOSFET的群东电路，IR2111是美国国际整流器（IR）公司研制的MOSFET专
27、用驱动集成电路，DPI-8封装，可驱动同桥臂的两个MOSFET，内部自举工作，允许在600V母线电压下直接工作，栅极驱动电压范围宽，单通道施密特逻辑输入，输入与TTL及CMOS电平兼容，死区时间内置，高边输出输入相同，低边输出死区时间调整后与输入相反。 图3.7 三相电压桥式逆变电路3.5 控制器的设计由于变频电源需由控制器完成SPWM控制，需要大量的计算，所以在设计中选择DSP也就是数字信号处理器（DSPDigital Signal Processor）为控制器，其优点就是数字化更容易实现数字芯片的处理和控制，避免模拟信号传递的畸变、失真，减少杂散信号的干扰；便于系统调试；我这次选择TI公司
28、专门为电机及电力电子领域设计的TMS320LF2407型DSP作为控制器，介绍数字化周期波逆变器的硬件设计和软件设计。TMS320LF2407具有高速信号处理和数字化控制功能所必需的结构特点。将其优化的外设单元和高性能的DSP内核相结合，可以为各种类型电机提供高速和全变速的先进控制技术。其特点是其系统运行主频达30MHz，使得指令周期缩短到33ns，绝大部份指令均可在单周期内完成，提高了控制器的实时能力。2个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括2个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制（PWM）通道。它们能够实现三相反相器控制；PWM的对称和非对称波形；当外部引脚PDPINTx出现低电平时快
29、速关闭PWM通道；可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输入触发脉冲；16通道A/D转换器等功能。事件管理模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。10位A/D转换器最小转换时间为500ns，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)。3.5.1 DSP主程序流程DSP生产SPWM波形主程序流程图3.8所示图3.83.5.2 SPWM波实际产生算法SPWM波的产生，首先存入DPS的FLASH中512点正弦表，读取，读取正弦表每两点之间的时间间隔既可决定输出正弦波的频率，而正弦表两个点之间的时间间隔由定时器2决定。所以输出交流电源与定时器2的记数值N有如下关系：对于不同频率，根据上式计算出正弦表中每两个对应点的记数值N作为定时器2的周期值，同时将周期数进行累加，在定时器周期中断时，将累加取值作为递增角度偏移，并将查表所得正弦正弦值作为比较值赋给比较寄存器。通过外部按键可改变N，即可改变输出正弦波频率，进而实现变频的功能。16