三相变频电源设计 电气工程及其自动化论文

河南科技学院新科学院2012届本科毕业设计(设 计)三相变频电源设计学生姓名： 王 斌 所在系别： 机 电 系 所学专业： 电气工程及其自动化 导师姓名： 田 泽 正 完成时间： 2012年5月15日 摘 要本设计了一个交流直流交流变频电源系统。该系统利用三相电压桥式逆变,并以 FPGA 为控制核心, 采用 SPWM变频控制技术, 实现了三相正弦波变频输出。其输出线电压有效值为 36 V, 最大输出电流有效值达 3 A。此外，系统还具有频率测量、电流和电压有效值测量及平均功率测量等功能。变频技术在电源中的应用，极大地减小了电源装置的体积，提高了效率，产生了巨大的经济效益，所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)将5OHz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交交变频)，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中;间接变频(又称交直交变频)，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅、等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。逆变技术，是指整流技术的逆向变换方式。关键词：逆变器， 变频电源， 脉宽调制 ，FPGAAbstractAn AC- DC- AC variable- frequency power supply system based on IM14400 is designed in this paper, which uses FPGA as control core. The frequency converting controlling technology of sinusoidal pulse width modulation (SPWM) is applied to get the output of three- phase variable- frequency sine wave. The RMS voltage is 36V and the maximum RMS current is up to 3A. The system also includes the following functions, Such as frequency meaurement RMS voltage and current measurement, and mean power measurement. Frequency of application of technology in the power supply, greatly reducing the power supply unit volume, improve efficiency, resulting in huge economic benefits, the so-called conversion is the use of power electronic devices (such as power transistors GTR, insulated gate bipolar transistor IGBT) 5OHz the city will be transformed into electricity requested by users or other AC power supply. It is divided into direct-conversion (also known as AC - AC converter), that is converted directly into electricity than its low frequency of the alternating current, a large number used in the high-power AC Drive Central; indirect conversion (also known as AC - Direct - AC Inverter ), which is first rectified into DC electricity, and then transformed into the frequency of communication required. It consists of resonant frequency and the square-wave inverter. The former is mainly used for medium frequency heating, square-wave frequency is divided into equal amplitude, width and the SPWM inverter. Commonly used methods are sine wave (modulated wave) and the triangular wave (carrier) to compare the SPWM method, the magnetic field Tracking SPWM law and the equal-area SPWM method. Inverter technology is the rectification of the reverse transformation method.Keywords： Inverter，Variable frequency power supply，PWM，IM14400，FPGA目 录1 绪论11.1 课题的提出11.2 课题研究背景11.3 国内外相关研究情况41.4设计的对象42 系统总体设计方案42.1 三相正弦波变频电源设计要求42.2 三相正弦波变频电源系统设计方案比较52.3，系统总体设计方案73 系统主要功能的实现93.1 整流滤波电路的设计93.2 斩波和驱动电路93.3 逆变及驱动电路113.4 PWM 信号的产生方式133.5 SPWM 调制方式的选择143.6 测频电路153.7 AD637简介及应用电路153.8 过压保护与过流保护电路设计163.9 单片机电路设计184 理论分析与参数计算194.1 SPWM 逆变电源的谐波分析194.2 载波频率的选择195 系统软件设计215.1 程序开发语言215.2 VHDL硬件描述语言简介215.3 正弦波顶层设计程序226 结论23致谢语24参考文献25附录:电路总图261 绪论1.1 课题的提出由于我国市电频率固定为 50 Hz, 因而对于一些要求频率大于或小于 50 Hz 的应用场合, 则必须设计一个能改变频率的变频电源系统。目前最常用的是三相正弦波变频电源。该电源系统主要由整流、逆变、控制回路 3 部分组成。其中,整流部分用以实现 AC/DC 的转换; 逆变部分用以实现 DC/AC的转换; 而控制回路用以调节电源系统输出信号的频率和幅值。1.2 课题研究背景变频技术的介绍现代电源技术是应用电力电子半导体器件,综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用,是现代电力电子技术的具体应用。当前,电力电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。变频技术的发展现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。（1）整流器时代大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解、牵引和直流传动三大领域。因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮。（2）逆变器时代七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。（3）变频器时代八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。变频电源的原理经过ACDCAC变换的逆变电源称为变频电源，它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换成所需频率的稳定的纯净的正弦波电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。 变频电源主要有二大种类：线性放大型和PWM开关型 HY系列程控变频电源，以微处理器为核心，以多脉宽调制(MPWM)方式制作,用主动元件IGBT模块设计，采用数字分频、D/A转换、瞬时值反馈、正弦脉宽调制等技术, 使单机容量可达100kVA, 以隔离变压器输出来增加整机稳定性, 具有负载适应性强、输出波形品质好、操作简便、体积小、重量轻等特点，具有短路、过流、过载、过热等保护功能，以保证电源可靠运行。现在使用的变频电源主要采用交一直一交方式,先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源.变频电源的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成.整流部分为单相或三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率.变频电源的主电路大体上可分为两类，分别为电压型和电流型。电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波器件是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波器件是电感。变频电源的特点及应用20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。交流变频电源调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60% - 65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15% - 20%的电量。采用变频电源调速，一是根据要求调速用，二是节能。其得到广泛应用主要基于交流变频调速的优异特性。(1) 变频调速系统自身损耗小，工作效率高。(2) 电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。(3) 可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击，节电效果明显。(4) 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。(5) 调速范围较大，精度高。(6) 变频电源体积小，便于安装、调试、维修简便。(7) 易于实现过程自动化。(8) 在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中，变频调速最具优势。 交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频电源调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频电源调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。另外变频电源也用作制造或出口贸易商对出口电器产品的用电检测、调试及用于精密仪器的供电电源。广泛应用于家电制造业、电机、电子制造业、IT产业、电脑设备、实验室等。1.3 国内外相关研究情况20世纪70年代后,大规模集成电路和计算机控制技术的发展,以及现代控制理论的应用,推动了变频电源技术的发展,使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能,在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。 在交流调速技术中,变频调速具有绝对优势,并且它的调速性能与可靠性不断完善,价格不断降低,特别是变频调速节电效果明显,而且易于实现过程自动化,深受工业行业的青睐。变频电源是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频电源作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。经历大约30年的研发与应用实践，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频电源的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频电源的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。1.4设计的对象本课题设计了一个交流直流交流 变频电源系统。该系统利用集成逆变器件 IM14400,并以 FPGA 为控制核心, 采用 SPWM变频控制技术, 实现了三相正弦波变频输出。其输出线电压有效值为 36 V, 最大输出电流有效值达 3 A。此外，系统还具有频率测量、电流和电压有效值测量及平均功率测量等功能。2 系统总体设计方案2.1 三相正弦波变频电源设计要求设计并制作一个三相正弦波变频电源，输出频率范围为20-100Hz，输出线电压有效值为36V，最大负载电流有效值为3A，负载为三相对称阻性负载（Y型接法）。三相正弦波变频电源原理方框图如图2-1所示。2.2 三相正弦波变频电源系统设计方案比较整流滤波电路方案整流滤波电路可选用两种方案； 1三相半波整流电路。2三相桥式整流电路。比较：2方案整流输出电压高，纹波电压较小且不存在断续现象，同时因电源变隔离变压器整流逆变三相负载控制器220V AC图2-1 三相正弦波变频电源原理框图压器在正，负半周内部有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率高，因此选用方案2。滤波电路用于滤波整流输出电压中的纹波，采用负载电阻两端并联电容器C的方式。斩波电路方案直流斩波电路可选用两种方案；1降压斩波变换电路。2降压-升压变换电路。比较：1,2方案均能满足要求，但方案2的资源利用充分合理，因此选用方案2。逆变电路方案根据题目要求，选用三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路：1采用电流型三相桥式逆变电路。2采用电压型三相桥式逆变电路。比较：电流型逆变器适合单机传动，加，减速频繁运行或需要经常反向的场合。电压型逆变器适合于向多机供电，不可逆传动或稳速系统以及对快速性要求不高的场合。根据题目要求，选择2。MOSFET驱动电路方案MOSFET驱动电路：1、利用CMOS器件驱动MOSFET；2、利用光耦合器驱动MOSFET；3、MOSFET栅极驱动控制专用集成电路芯片IR2111。比较：1中由于电路自身的一些缺点，如驱动电路开关速度低等，不满足题目要求。2中采用光耦合器驱动MOSFET，因其自身的速度不高，限制了使用的频率，不满足题目要求。3中采用MOSFET专用的集成电路，芯片性能好，体积小，满足题目要求，故采用3。测量有效值电路方案在题目中，基本部分提到：负载有效值为0.5-3A时，输出线电压有效值应保持在36V。测量有效值电路：1信号分压处理后直接连接到A/D器件，FPGA控制A/D器件首先进行等间隔采样，并将采集到的数据存到RAM中，然后处理采集到的数据，可在程序中判断信号的周期，根据连续信号的离散化公式，做乘除法运算，得到信号的有效值，然后再计算输出电压，电流，频率，最后把计算结果送给显示单元显示。2信号分压后先经过真有效值转换芯片AD637.AD637输出信号的有效值模拟电平，然后通过A/D采集送到FPGA，直接计算输出电压，电流，频率，最后把计算结果送显示单元显示即可。有效值测量电路框图如图2-2所示。待处理的信号AD637ADC0809FPGA显示图2-2 有效值测量电路框图变频电源基本结构图 变频电源：1交流变频电源实际上是一个AC-DC-AC装置。如图2-3所示，但这种电路在负载改变时不能达到题目稳频，稳压的要求。AC-DCDC-DCDC-AC负载控制电路调压调频AC220V/50Hz图2-3 开环结构方框图在上面方式的基础上，从负载端引出一个反馈信号。该反馈信号经处理后送FPGA与预置数相比较，比较结构送输入端，形成一个闭环控制系统。该系统可靠性高，误差小，满足题目要求。结构方框图如图2-4所示。AC-DCDC-DCDC-AC负载控制电路调压调频AC220V/50Hz图2-4 闭环结构方框图2.3，系统总体设计方案将市电通过隔离变压器输入到交流变频电源系统, 隔离变压器的输出经过整流桥后, 产生全波整流信号。全波整流信号滤波生成与输入交流电对应的直流电, 从而实现 AC/DC转换。该系统全波整流桥采用集成整流桥 KBL406, 三相逆变器模块 IM14400 在89S52和 FPGA 产生的三相 SPWM 脉冲控制下产生三相交流电。逆变器输出的交流电频率等于SPWM脉冲基波频率, 通过控制 FPGA 的 DDS 模块的正弦波频率来调制正弦波频率。SPWM脉冲基波频率等于调制波频率, 系统采用这种方法实现变频。将锰铜电阻分别串联到三相交流电的相线，采集锰铜电阻上的电压来测量该相交流电的电流。测量相电压采用电压互感器降压，再通过AD637测量有效值。系统根据得到的各种交流电的有效值，控制SPWM脉冲的占空比，实现线电压的稳定输出。相电压的取样信号经放大限幅、过零检测生成脉冲。系统采用等精度法实现变频电源系统频率的测量，根据测量的频率值和用户设定频率的差值，控制DDS生成正弦波频率，从而稳定变频电源的频率。控制方式采用单片机和FPGA共同控制的方式，由单片机AT89S52,IR12864-M液晶显示器，44按键构成人机界面。单片机控制IR12864-M液晶显示器44按键，并与FPGA的通信。FPGA作为本设计系统的主控器件，采用一块Spartan 2E系列XC2S100E-6PQ208芯片，利用VHDL（超高速硬件描述语言）编程，产生PWM波河SPWM伯。同时，利用FPGA完成采集控制逻辑，显示控制逻辑，系统控制及信号分析，处理，变换等功能。 220V/50HZ的市电，经过一个220V/60V的隔离变压器，输出60V的交流电压，经整流得直流电压，经斩波得到一个幅度可调的稳定直流电压。斩波电路的IGBT开关器件选用BUP304;BUP304的驱动电力由集成化专用IGBT驱动器EXB841构成；EXB841的pwm驱动输入信号由FPGA提供，并采用观点隔离。输出的斩波电压经逆变得到一系列频率的三相对称交流电。逆变电路采用全控桥逆变电路，MOSFET桥臂由6个K1358构成。 K1358的驱动电路选用IR2111的控制信号SPWM由FPGA提供。在题目中，基本部分提到：负载有效值为0.5-3A时，输出线电压有效值应保持在36V。测量有效值电路：1信号分压处理后直接连接到A/D器件，FPGA控制A/D器件首先进行等间隔采样，并将采集到的数据存到RAM中，然后处理采集到的数据，可在程序中判断信号的周期，根据连续信号的离散化公式，做乘除法运算，得到信号的有效值，然后再计算输出电压，电流，频率，最后把计算结果送给显示单元显示。2信号分压后先经过真有效值转换芯片AD637.AD637输出信号的有效值模拟电平，然后通过A/D采集送到FPGA，直接计算输出电压，电流，频率，最后把计算结果送显示单元显示即可。图 2-5 给出了系统总体框图。交流输入斩波变换光电隔离光电隔离桥式逆变滤波输出直流输出滤波桥式整流扼流圈三相交流电输出过压保护EXB841驱动IR2111驱动电流检测电压检测占空比可调计数器可编程分频器SPWM数据表隔离隔离真有效值变换真有效值变换ADC0809A/D转换波形变换占空比锁存器分频系数锁存器比较运算器比较运算器设置数设置数输出电流指示通信模块单片机AT89S52IR12864-M汉字液晶显示器DS18B20温度传感器DBABFPGA 图2-5 系统总体框图3 系统主要功能的实现3.1 整流滤波电路的设计图3-1 整流电路如图3-1所示，隔离变压器将系统地和市电电网隔离开，抑制电网噪声干扰，全波整流桥实现对交流信号的全波整流，全波整流的结果是将对地对称交流信号的负电压部分对称地翻折到地电平以上，滤波电容C0求出该信号中的直流电压，实现AC-DC的转换。分压电容C1，C2的参数一致，保证输出系统地的电势介于DC Out的电势和N端电势的中点，这种地线引出方式是为了保证逆变电路输出的交变信号是双极性的，并且对系统地直流偏置电压为0。实际电路中由于分压电容C1，C2的参数的不一致，导致逆变电路输出的交变信号有直流偏置，因此在分压电容C1，C2的后级并入对称的分压电阻R1、R0 ，以抑制分压电容 C1，C2的参数不一致造成的影响。为了保证整流电路有较好的负载特性，应该选择阻值很小的电阻，但是阻值过小将导致电路的功耗过高，本设计选择的电阻值为1k的大功率电阻。3.2 斩波和驱动电路设计的斩波和驱动电路如图3-2所示。该电路中IGBT（隔离栅双极性晶体管）采用BUF304，起最大电压为1000V，TO_218AB封装。选用IGBT专用集成驱动器EXB841进行驱动。图3-2中，是整流滤波的输出电压端；EXB841的引脚端6连接快恢复二极管U8100；引脚端5连接光电耦合器TLP521;根据资料介绍。与引脚端2相接的电阻为4.7k（1/2W）;引脚端1和引脚端9，引脚端2和引脚端9之间的电容 , 为47 ，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续流二极管（D12 ）来消除电感储能对IGBT造成的不利影响；采用由电感( L3)与电容（C16）组成的低通滤波器，尽可能降低输出电压波纹。当IGBT闭合时，二极管（D12 ）为反偏，输出端向负载及电感（L3 ）提供能量；当IGBT断开时，D12 , L3 , C16 构成回路，电感电流经二极管（D12 ），对IGBT起保护作用。图3-2 斩波和驱动电路光电耦合器TLP521的引脚图封装形式和内部结构如图3-3所示图3-3 TLP521-2引脚端封装形式和内部结图EXB841驱动器的引脚端封装形式和内部结构如图3-4所示。EXB841的引脚功能如下；引脚端1为驱动脉冲输出参考端；引脚端2为驱动的IGBT脉动功率放大输出级正电源连接端；引脚端3为驱动脉冲输出端；引脚端7,8,10,11为空引脚端；引脚端5为过电流保护信号输出端；引脚端6为过电流保护取样信号连接端；引脚端9位驱动输出脉冲负极连接端；引脚端14为驱动信号负输出端；引脚端15为驱动信号正输入端。图3-4 EXB841引脚端封装形式和内部结构EXB841驱动器内部功能有；（1）采用具有高隔离电压的光耦合器作为信号隔离。因此能用于交流480V的洞里设备上。（2）内设有电流快速保护电路，可根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电流。因此，能满足IGBT通常只能承受时间为10s的短路电流的使用要求。（3）内有低速过流切断电路，当即电机电压高时，加入开信号也认为存在过电流。由于该驱动器的低俗切断电路可慢速关断IGBT（10s的过流不响应，从而保证IGBT不被损坏。如果以正常速度气短过电流，则集电极产生尖脉冲冲足以破坏IGBT。（4）能提供IGBT的栅极关断电源。由于IGBT需要一个+15V电压开栅电压，以获得低开启电压，还需要一个-5V关栅电压，以防止关断状态的误动作。这两种电压（+15V和-5V）均可由内部电路产生，以实现IGBT栅正确关断。3.3 逆变及驱动电路设计中采用三相电压桥式逆变电路。6个MOSFET管2SK1358组成该逆变电路的桥臂。桥中各臂在控制信号作用下轮流导通。它的基本工作方式为180导电方式，即每个桥臂的导电角度为180，同一相（即同一半桥）上下两桥臂交替到导电。各相开始导电的时间相差120，三相电压桥式逆变电路如图3-5所示，每个2SK1358并联一个续流二极管和串接一个RC低通滤波器。MOSFET驱动电路的设计对提高MOSFET性能具有重要的作用，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栅极提供需要的栅压，以保证MOSFET可靠的开通和关断；为了使MOSFET可靠地触发导通，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快速转换和峰值电流的要求；具备良好的电气隔离性能；能提供适当的保护功能；驱动电路还应该简单可靠，体积小。图3-5 三相电压桥式逆变电路在设计中采用3个IR2111作为MOSFET的驱动电路。MOSFET控制及驱动电路如图3-6所示图3-6 MOSFET控制及驱动电路IR2111是MOSFET专用驱动集成电路，采用DIP-8封装。其主要技术特点有：可驱动同桥臂的两个MOSFET：内部自举工作：允许在600V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，输入同相，低边输出死区时间调整后与输入反相。IR2111的引脚封装形式如图3-7所示。图3-7 IR2111引脚端封装形式3.4 PWM 信号的产生方式SPWM的概念 在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使 负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。SPWM脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔宽度是由正弦波(基准波或调制波)和等腰三角波(载波)的交点来决的。按照 SPWM 控制基本原理, 在三角波和正弦波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断。如果采用自然采样法,会增加硬件的复杂度, 但因该系统是以 FPGA 为控制核心,可方便地实现。 把正弦波波形表存入存储器中, 同时利用加法器和减法器生成三角形载波, 再通过数字比较器产生所需要的波形。该方案具有可靠性高,可重复编程, 响应快, 精度高等特点, 其原理如图 3-8所示。图3-8 PWM信号的产生原理图三角波产生电路,如图3-9所示为通用三角波产生电路，该电路中，运算放大器A1，A2是正负峰值检波积分器，C1为保持电容。该电路能适应很宽的测试范围，具有很好的线性和振幅稳定性。振荡频率取决于积分时间常数R3，C2，若VA=8V，这时的振荡频率为1KHZ。电容C1与C2的比值取2：1。运算放大采用741。3.5 SPWM 调制方式的选择载波比恒定的调制方式称为同步调制。同步调制时PWM脉冲在一个周期内的个数是恒定的, 脉冲的相位也是固定的, 将调制比设定为 3 的整数倍时, 可以使输出波图3-9 三角波产生电路形严格对称, 从而有效降低信号的谐波分量。但是,当逆变电路的输出频率比较低时,同步调制载波的频率也很低, 过低时不易滤除调制带来的谐波, 当逆变电路的输出频率很高时, 同步调制载波频率也过高, 这将使开关器件的开关损耗增大。载波信号和调制信号频率不保持同步的调制方式称为异步调制。异步调制时保持载波时钟频率不变, 当调制正弦波的频率发生变化时, 载波比跟随变化, 在调制波的一个周期内 PWM 脉冲的个数不固定, 相位也不固定。正负半周期脉冲不对称, 半周期内前后周期的脉冲不对称, 造成信号的谐波分量较丰富, 给后级滤波电路造成困难。该系统的逆变器输出频率在 20100 Hz, 输出信号的频率较低。设计采用 IM14400 作为逆变电路, IM14400 的 PWM输入频率范围为 5 kHz0.3 MHz, 可以选择很高的载波比。在异步调制方式下, 当载波比很大时, 正负半周期脉冲不对称和半周期内前后周期的脉冲不对称造成的谐波分量都很小, PWM 脉冲接近正弦波。此设计的调制方式选择异步调制方式, 载波频率固定为 29.2 kHz。3.6 测频电路如图3-10 所示前级放大器LM741的输入来自于相电压的电压衰减网络，该衰减图3-10 测频电路网络的输出电阻很大，为了实现衰减网络和测频电路的阻抗匹配，测频电路的输入端加上一级射随。电压衰减网络将峰值为30V的相电压衰减为峰值为4V的电压信号，为了抑制由于衰减网络参数不稳定引入的寄生调幅，在测频电路中加入一级放大限幅电路，后级的LM311和两个电阻构成迟滞比较器，能够很好的抑制地比较器输出脉冲沿上的抖动，使输出的脉冲具有干净的沿，便于后级FPGA测频。3.7 AD637简介及应用电路AD637是一款完整的高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值。它提供集成电路均方根直流转换器前所未有的性能，精度、带宽和动态范围与分立和模块式设计相当。AD637提供波峰因数补偿方案，允许以最高为10的波峰因数测量信号，额外误差小于1%。宽带宽允许测量200 mV均方根、频率最高达600 kHz的输入信号以及1 V均方根以上、频率最高达8 MHz的输入信号。 与ADI公司以前的单芯片均方根转换器一样，AD637也为用户提供辅助dB输出。均方根输出信号的对数通过一个单独引脚输出，支持直接dB测量，可用范围为60 dB。用户利用外部编程的基准电流，可以选择0 dB基准电压与0.1 V至2.0 V均方根范围内的任何电平相对应。 不使用均方根功能时，用户借助AD637的片选连接可以将电源电流从2.2 mA降至350 A。对于低功耗至关重要的远程或手持式应用，利用此特性可以方便地实现精密均方根测量。此外，当AD637关断时，输出进入高阻态。这一特性还允许将多个AD637连在一起，构成一个宽带真均方根多路复用器。 AD637的输入电路受到保护，可以承受高于电源电平的过载电压。如果电源电压丧失，输入信号不会损坏输入端。 AD637工作电流如3-11，图3-11 AD637工作电路3.8 过压保护与过流保护电路设计在电路中设计了过压保护电路，其电路图如图3-12所示。图中TL431是一个三端可调分流基准源，它的输出电压用两个电阻就能任意的设置到从（2.5V）36V范围内的任何值。它相当于一个二极管，但阳极端电压高于时，阳极与阴极导通。在电路中，当电压正常时，JDQIN与JDQOUT直线连接，不起任何保护作用。在这种情况下和中电压为： 此时TH431及的基准电压为 当发生过电压时，两电阻中点的值将大于TL431的基准电压，继电器吸合输入电压，接通蜂鸣器电路发声，发光二极管指示过电压现象。要求巨涌过电流保护功能，而过电流保护电路也是负载缺相保护电路。由于三相负载对称时流过任一项的电流值彼此相差不会很大，所以当任一负载开路时，会导致三相负载不对称，从而使流过各相中的电流值发生较大的变化。各相中的电流值都在FPAG的监测范围内，所以只要当前电流超出所预定的范围，则控制保护电路动作，从而切断输入电源。图3-12 过压保护电路在设计要求中，要求巨涌过电流保护功能，而过电流保护电路也是负载缺相保护电路。由于三相负载对称时流过任一项的电流值彼此相差不会很大，所以当任一负载开路时，会导致三相负载不对称，从而使流过各相中的电流值发生较大的变化。各相中的电流值都在FPAG的监测范围内，所以只要当前电流超出所预定的范围，则控制保护电路动作，从而切断输入电源。过流保护电路图如图3-13所示，利用软件编程来控制该电路继电器的吸合，关断。FPGA依据采样的电流信号随时监控电路中电流的情况，一旦发现电路中的电流超过设定的最大电流，FPGA就输出高电平控制信号使三极管导通，继电器吸合进入保护状态，同时接通过流只是电路，切断电源的输入，对电路起保护作用；否则，电路不动作，输入的交流电直接输出。图3-13 过流保护电路3.9 单片机电路设计单片机图及其外围电路采用AT89S52单片机芯片。矩阵式键盘以I/O口线组成，44的行列结构可构成16个键的键盘。按键设置在行列线交点，行列线分别连接到按键开关的两端。但行线通过上拉电阻接+5V/+3.3V时，被钳位在高电平状态。在本设计中用P1口来控制44的行列线。按键输入采用中断工作方式。如图3-14所示。图3-14单片机及其外围电路AT89S52单片机芯片引脚分布图，如下图：图3-15 AT89S52引脚图4 理论分析与参数计算4.1 SPWM 逆变电源的谐波分析在调制度 一定, 在三相共用一个载波信号的情况下, 对输出线电压进行频谱分析, 由此可发现, 输出线电压的谐波角频率为:=nckr (1) 式中: 当 n 为奇数时, k=3(2m- 1)1, m=1,2;当 n 为偶数时, k= 6m+1 6m-1, k=6m+1,m=0,1,2 ;k=6m- 1,m=1,2式(1)可知, 输出线电压频谱中没有载波频率 c 的整数倍次谐波分量, 谐波中幅值较高的谐波分量是 cr 和2cr。从上述分析可知,SPWM 波形中所含的谐波主要是角频率为 c、2c 及其附近的谐波。由于采用了异步调制方式, 故最小载波比 k=c/r=168, 所以 PWM波形中所含主要谐波分量的频率比基波分量的频率高很多, 谐波分量易被滤出。4.2 载波频率的选择由 SPWM逆变电源的谐波分量分析可知,SPWM 电压源逆变器输出线电压谐波分量分布在 c 周围, 提高 SPWM的载波频率 fc 将使逆变器输出线电压的主要谐波分量分布在较高的频段, 从而使逆变器的输出电压失真度很低。但是提高 fc, 会使逆变器中功率开关管的开关频率提高, 这将大大增加逆变器的开关损耗。此外, fc 提高还受到硬件的限制。通常情况下 IM14400 的关断延迟 Toff=0.9 s, 开启延迟时间Ton=0.73 s, 由于其关断延迟大于开启延迟, 易造成同一相上下两个桥臂同时导通。实际电路中由于硬件的时延, SPWM采样时刻的误差, 以及为了防止同一相上下两个桥臂同时导通而设置了死区。IM14400 的最小死区时间 tdead 设为 3 s。SPWM脉冲的每一个开关脉冲之前都要加一个至少 3 s 的死区时间 tdead, 当 IM14400 的开关周期 Tg 3 s, Tg 和载波周期 Tc 相等, 所以 fc0.33 MHz。IM14400 要求输入的最低PWM脉冲频率 5 kHz, 所以 5 kHzfc0.33 MHz 。死区和开关时延是限制 fc 提高的最主要因素。fc 越大, Tg 越短, tdead/Tg就越大, 逆变器的输出电压谐波分布也越复杂。综上因素考虑, 系统设计中选定 fc=29.2 kHz, 它在 20100 Hz 的频率范围内, 其载波比 292k1460。FPGA 内单相平均功率计算算法平均功率公式为: （2） 将其离散化处理后得:设计中, 一个周期内电压和电流都采样 256 个点, 则5 系统软件设计5.1 程序开发语言汇编语言作为一个符号化的机器语言，其代码执行效率高，运行速度快，非常适合于编写实时性要求较高的控制程序。但其开发的工作量大，程序的可读性差。汇编语言比机器语言易于读写、易于调试和修改，同时也具有机器语言执行速度快，占内存空间少等优点，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，汇编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植。对于不同型号的计算机，有着不同的结构的汇编语言。相比之下，作为高级语言的c具有可读性强、编程简单和调试方便的特点。C语言是目前非常流行的一种编程语言，除具有高级语言使用方便灵活、数据处理能力强、 编程简单等优点外，还可实现汇编语言的大部分功能，如可直接对硬件进行操作、生成的 目标代码质量较高且执行的速度较快等。所以在工程上对硬件处理速度要求不很高的情况下， 基本可以用C代替汇编语言，编写接口电路的控制软件。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，易学易用，所以本设计选用C语言作为单片机的开发语言。系统软件主要分为人机交互和反馈控制两部分。前者主要包括键盘和电压、电流、频率的测量值显示；后者主要确保系统的准确性和稳定性，分为频率反馈控制、电压反馈控制及缺相保护、过流保护。输出电压的稳定性相当的重要。由于输入电压的波动范围在额定值90110之间，因此要求输出电压稳定在36V，误差绝对值小于1。程序采用定时检测线电压的大小与预置电压作比较，当测得的线电压比给定电压小时，则调节SPWM的调制比N，提高输出电压。反之亦然。如图5-1 初始化用户设定频率等待按键恢复启动保护I，V, f 采样I异常？U不稳定？反馈调节PWM系数F不等？调节DDS的频率控制字显示正常值 I，V，f，P值图5-1 程序流程图5.2 VHDL硬件描述语言简介采用VHDL （Very High Speed Integrated Circuit Hardware Descriptipon Language）超高速集成电路硬件描述语言设计复杂数字电路的方法具有很多优点，VHDL语言的设计技术齐全、方法灵活、支持广泛。VHDL语言的系统硬件描述能力很强，具有多层次描述系统硬件功能的能力，可以从系统级到门级电路，而且高层次的行为描述可以与低层次的RTL描述混合使用。VHDL在描述数字系统时，可以使用前后一致的语义和语法跨越多层次，并且使用跨越多个级别的混合描述模拟该系统。因此，可以对高层次行为描述的子系统及低层次详细实现子系统所组成的系统进行模拟。5.3 正弦波顶层设计程序LIBRARY IEEE; -正弦信号发生器源文件USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY SINGT ISPORT(CLK:IN STD_LOGIC; -信号源时钟 DOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -8位波形数据输出END;ARCHITECTURE DACC OF SINGT ISCOMPONENT data_rom -调用波形数据存储器LPM_ROM文件:data_rom.vhd声明PORT(address:IN STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); -6位地址信号 inclock:IN STD_LOGIC; -地址锁存时钟 q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END COMPONENT;SIGNAL Q1: STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0);-设定内部节点作为地址计数器BEGINPROCESS(CLK)-LPM_ROM地址发生器进程BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THENQ1Q1,q=DOUT,inclock=CLK);-例化USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY SINGT ISPORT(CLK:IN STD_LOGIC; -信号源时钟 DOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -8位波形数据输出END;ARCHITECTURE DACC OF SINGT ISCOMPONENT data_rom -调用波形数据存储器LPM_ROM文件:data_rom.vhd声明PORT(address:IN STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); -6位地址信号 inclock:IN STD_LOGIC; -地址锁存时钟 q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END COMPONENT;SIGNAL Q1: STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0);-设定内部节点作为地址计数器BEGINPROCESS(CLK)-LPM_ROM地址发生器进程BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THENQ1Q1,q=DOUT,inclock=CLK);END ;6 结论6.1 取得的成绩本系统初步达到了基本要求，整个系统运行稳定，甚至能在三相电流都达到3安得情况下长时间工作。各项保护均能够精确动作，测试效果比较理想。系统还扩展了频率步进、手动紧急断电等功能，并将频率分辨度做到了0.01Hz但是测试失真度为4.85。6.2 存在的不足和今后的努力方向输入电压为198242伏，负载的电流有效值应为0.53安，输出电压有效值应保持在36伏，误差绝对值应小于1.然而受隔离变压器提供的最大电压限制，大负载情况下超出了反馈所能调节的最大范围，输出电压出现了跌落，如果时间允许，可以通过采用更适合的滤波电感、电容，并且使用更精细的逐点控制算法，相信能使系统的带负载能力和波形都得到一定程度的改善。致谢语 本文的研究工作是在我的导师田教授的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受的启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在此，向所有关心和帮助过我的导师、老师、同学和朋友表示由衷的感谢！参考文献1杨素行.模拟电子技术基础简明教程M.高等教育出版社，20052曾祥富，兰永安.电工基础M.重庆大学出版社，20013丁斗章.变频调速技术与系统应用M.机械工业出版社，20054薛永毅，王淑英.新型电源电路应用实例M.电子工业出版社，20035徐莆荣.高压变频调速技术应用实践M.中国电力出版社，20076王伟.电源技术教程M.电子工业出版社，20047陈元虎,徐祖建,梅建伟,陈新举. 基于凌阳SPMC75F的三相变频电源设计J. 湖北汽车工业学院学报，2008(02)8李明星,韦益春. 基于VACON变频器的变频电源在RTG油改电中的应用J. 变频器世界 ，20089陆冬良，张代润，李勇，范小波.独立调压调频的数字化单相变频电源的研究J.电器应用，2006，25卷第五期10孙静.基于AVR单片机的三相正弦波变频电源的设计J.黎明职业大学学报，2007(1) 11周严，邱晓筱，周颖.基于IM14400的三相正选波变频电源设计J.国外电子元器件，2008（7）12张华林.基于PIC单片机的三相正弦波变频电源的设计J.电子技术应用，2007（07）13朱朝霞，杨其华，徐德鸿.正弦波输出变压变频电源调制方式的研究J.电源技术应用，2006(05)14李娜，王京保.基于SPWM控制的三相变频变压电源的研究J.机床电器，2006(05)15陈晓明，羊彦，景占荣，张秀华.基于XC164单片机的智能化三相正弦波变频电源J.电源技术应用，2007(09)