低压三相异步电机的逆变电源毕业论文

1、1 摘 要 本文设计了一套用于驱动低压三相异步电机的逆变电源。由于日常 生活中许多场合用电设备都不方便直接使用交流电网提供的电源工作， 从而将已有的直流电进行逆变得到需要的交流电的逆变技术具有很大的 应用空间。本文设计的逆变电源由 48v 直流电压源供电，是电压型逆变 电源。电源主体电路为三相全桥逆变电路，开关器件采用 mosfet irf640, irf640 的栅极控制信号为 pwm 波。电源系统利用 pic18f2431 用软件方法生成最初的六路 pwm 波形，经半桥驱动 ir2103s 后输出作为 三相逆变全桥电路的六个桥臂的控制信号。 本文还设计了过电流保护电路。通过运放 lm358

2、 两个管脚电平的比 较，当主电路电流过大时，lm358 送给单片机一个控制信号，单片机关 闭输出信号避免电路损坏。 通过与上位机联机调试，测取了单片机输出的 pwm 波，ir2103s 输 出的栅极控制信号以及驱动三相异步电机时电机的电压电流波形，并进 行了分析。 关键词：逆变电源，三相异步电机，脉宽调制 2 abstract in this paper, a kind of inverter is designed to drive asynchronous motors. because the ac supply is not always available to all of the

3、 electrical equipments ,the technology of inversion has an vast application. the inverter designed in this paper is supplied by an 48- volt dc voltage source. the triphase full-bridge circuit is used as the main circuit of the inverter. six mosfets irf640n are took as switching devices, and their gr

4、ids are controlled by pwm signals. the system uses pic18f2431 to create pwm waves by software. this thesis also designed a protecting circuit for excess current. by comparing two voltages on its pins, lm358 sends a signal to pic18f2431 when the excess current appears. pic18f2431 shut the outputs to

5、protect the whole circuit. the waveforms, including the pwm output, the signals from ir2103s as well as the voltage waveform and current waveform, are measured by connecting the system with computer and then are analysed. key words: inverter, three-phase asynchronous motors, pwm 3 目 录 摘 要.1 abstract

6、.2 目 录.3 前 言.5 第 1 章 逆变电源的基本理论.8 1.1 逆变电源的发展及现状.8 1.2 逆变电路分类.9 1.3 三相 pwm 逆变器的电路拓扑.10 1.4 电压型三相全桥逆变电路.11 第 2 章 逆变电路的控制技术.15 2.1 逆变电源控制技术的发展.15 2.2 pwm 概述 .16 2.3 pwm 基本原理 .19 2.3.1 面积等效原理 .19 2.3.2 同步调制与异步调制 .19 2.3.3 自然采样法与规则采样法 .21 2.4 三相 spwm .22 第 3 章 逆变电源硬件电路设计.25 3.1 电路原理图.25 3.2 pic18f2431 简介

7、 .26 3.3 驱动电路.29 4 3.3.1 ir2103s 简介 .29 3.3.2 驱动电路分析 .32 3.3.3 死区时间分析 .33 3.4 逆变电路.35 3.4.1 irf640n 简介 .35 3.4.2 irf640n 工作特性 .37 3.5 保护电路.38 3.6 电源电路.40 3.7 逆变电源工作过程.42 第 4 章 实验结果与分析.43 4.1 单片机输出的 pwm 波形及分析.43 4.2 逆变电路开关器件栅极控制信号及分析.44 4.3 带电动机负载后电压、电流波形.46 第 5 章 谐波分析.48 5.1 谐波产生原因.48 5.2 谐波补偿技术.48

8、5.2.1 一种特定谐波消去法（selected harmonic elimination pwm shepwm） .48 5.2.2 谐波补偿技术 .51 第 6 章 全文小结.53 致 谢.54 参考文献.55 5 前 言 随着控制技术的发展，许多场合的用电设备都不是直接使用公用交 流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从 而得到各自所需的电能形式。它们的幅值、频率、稳定度及其变化方式 因用电设备的不同而不尽相同，如通信电源、不间断电源、医用电源、 充电器等，它们所使用的电能都是通过整流和逆变组合电路对原始电能 进行变换后得到的。小型化、数字化、高性能的逆变电源具有广

9、泛的应 用前景。 电源技术主要研究如何利用电力电子技术对功率进行变化和控制， 它广泛运用现代逆变技术、电磁技术、电子技术和计算机技术等学科的 理论，具有较强的综合性。本课题主要设计了一种逆变电源，该电源用 于给低压三相异步电动机供电。 现代逆变技术是电源技术的基础，它是研究现代逆变电路的理论和 应用设计方法的一门科学，是建立在现代控制技术、电力电子技术、半 导体变流技术、脉宽调制（pwm）技术、磁性材料等学科基础之上的一门 实用技术。采用逆变技术有很多优越性，通过控制驱动信号，可以控制 逆变电路的工作频率和输出时间比例，从而使输出电压或者电流的频率 和幅值按照设备工作的要求来灵活的变化。 本文

10、设计的逆变电源是将稳定的 48v 直流电变换成符合特殊要求的 6 交流电。由于逆变电路的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动 态特性很好。具体表现为：负载效应好，启动冲击电流小，超调量小， 恢复时间快，输出稳定，纹波小等。 pwm 控制就是对开关器件的通断进行控制，使得输出端得到一系列 幅值相等而宽度不相等的脉冲。各脉冲的宽度按照一定的规律变化。在 电压逆变控制的过程中，各脉冲的宽度是按照正弦变化的，根据冲量等 效的原理，pwm 波形和正弦波是等效的，再将 pwm 波形经过电感和电容 组成的滤波电路，滤除高次谐波，得到标准的正弦波。 pwm 控制分为单极性 pwm 控制和双极性 pwm 控

11、制两大类：单极性 pwm 波形是在单方向变化的，双极性 pwm 波形在正负两个方向变化。但是两 者的控制原理都是冲量等效原理。pwm 波形的频率越高，输出波形的谐 波含量越少，而且需很小的电感值和的电容值就可以达到滤波的要求， 可以明显减小电感和电容的体积，进而减小电源的体积。这就是采用高 频 pwm 控制的主要原因。 pwm 逆变器有电压型和电流型两种，目前以电压型为主。可以通过调 节逆变器输出电压脉冲的宽度来改变输出电压的大小；调节逆变器控制 电压的频率以实现输出电压频率的改变，这就使输出电压波形畸变减小 而接近正弦波形。 pwm 逆变器具有以下主要优点： （1）简化了主电路和控制电路结构

12、，体积小，重量轻，控制简单， 7 造价低，可靠性高。 （2）pwm 型输出电压和频率的调节，直接由 pwm 型逆变器控制，使 系统动态性能良好。 （3）输出电压和输出电流波形接近正弦，具有最好的谐波特性。 本文结构如下： 第 1 章：介绍逆变电路的基本工作原理。 第 2 章：介绍逆变电源控制技术，重点介绍了 pwm 控制。 第 3 章：介绍主电路的设计，包括各器件介绍，各功能模块介绍及 过电流保护计算等。 第 4 章：与上位机联机调试，测取了控制信号，输出电压，电机电 流波形，并进行了分析。 第 5 章：对谐波进行了简单的讨论。 第 6 章：对全文进行总结。 8 第 1 章 逆变电源的基本理论

13、 1.1 逆变电源的发展及现状 逆变器的原理早在 1931 年就在文献中提到过。1948 年，美国西屋 电气公司用汞弧整流器制成了 3000hz 的感应加热用逆变器。从 1947 年 第一只晶体管诞生，到晶闸管 scr、可关断晶闸管 gto、电力晶体管 gtr 的出现到实用化，电力电子技术进入传统发展时代，正弦波逆变器也随 之诞生。20 世纪 80 年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产 生了各种高频化的全控器件，并得到了迅速的发展，如功率场效应管 power mosfet、绝缘栅极晶体管 igt 或 igbt 等，使得电力电子技术由传 统发展时代进入高频化时代。在这个时代，具有小型化和

14、高性能特点的 新逆变技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。 从 1980 年到现在逆变技术处在高频化新技术阶段。这个阶段的特点 是开器件以高速器件为主，逆变器开关频率较高，波形改善以 pwm 法为 主，体积重量小，逆变效率高。正弦波逆变器技术的发展日趋完善。 9 1.2 逆变电路分类 逆变电路的应用十分广泛。在已有的各种电源中，蓄电池，太阳能 电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变 电路。另外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电 力电子装置使用十分广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。 逆变技术的种类很多，可按照很多种不同形式进行分类。

15、其主要分 类方式如下: 1.按逆变器输出交流的频率，可分为工频逆变、中频逆变、高频逆 变。 2.按逆变器输出相数，可分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。 3.按逆变器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆变。 4.按逆变主电路的形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式 逆变。 5.按逆变主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变、晶体管逆变、场 效应管逆变、igbt 逆变，等等。 6.按输出稳定的参量，可分为电压型逆变和电流型逆变。 7.按输出波形可分为正弦波输出逆变和非正弦波输出逆变。 8.按控制方式，可分为调频式(pfm)逆变和调脉宽式(cpwm)逆变。 10 1.3 三相 pwm 逆变器的电路拓

16、扑 目前三相逆变器的主电路拓扑主要有三相桥式逆变器，三相半桥逆 变器和三相四桥臂逆变器等。 1.三相半桥逆变器 三相半桥逆变器也有结构简单，功率器件较少等特点。利用电源输 入端的两个串联电容的中点，作为输出的中点，可构成三相四线制的输 出。为了防止中点电位的偏移，串联电容的容值必须很大，使逆变器的 体积和重量增加。而且半桥电路只是利用直流母线电压的一半，因此， 三相半桥逆变器仅适合于低压小功率的场合。 2.组合式三相逆变器 组合式三相逆变器由三个单相逆变器组合而成，每相逆变器相互独 立。只要控制三相基准正弦波互差 120 度，将三台输出的地连在一起作 为中线就可以实现三相四线制的输出。 3.三

17、相四桥臂逆变器 三相四桥臂逆变器是在三相桥式逆变器的基础上增加一个桥臂。该 桥臂的作用是形成输出中点，减小不平衡负载时三相输出的不对称度。 逆变器的输入端采用谐振直流环节时，四个桥臂的功率管均可实现零电 压开关。虽然该逆变器的控制比较复杂，但仍是目前研究的一个热点。 4.三相桥式逆变器 11 三相桥式逆变器的电路结构简单，采用的器件少，功率管承受母线 电压。但是为了得到三相四线制的输出电压，提高逆变器带不平衡负载 的能力，必须在输出端增加中点形成变压器，使逆变器的体积和重量显 著增加。 1.4 电压型三相全桥逆变电路 本文设计的是一种三相电压型逆变电路。它有以下优点： (1)直流侧为电压源，或

18、者并联有大电容，相当于电压源。直流侧电 压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。 (2)由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并 且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的 不同而不同。 (3)当交流测为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无 功功率的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变 桥各臂都并联了反馈二极管。 表 1.1 为电压源型逆变器与电流源型逆变器性能比较： 电压源型电流源型 直流滤波环节电容器电抗器 输出电压波形矩形波近似正弦波 输出电流波形近似正弦波矩形波 12 动态输出阻抗小大 过流及短路保护较难容易 线路结构较复杂较简

19、单 表 1.1 电压源型逆变器与电流源型逆变器性能比较 下面以采用 igbt 作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路为例， 说明三相逆变全桥的工作原理： 图 1.1 三相电压型桥式逆变电路 工作方式： *每桥臂导电 180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差 120； *任一瞬间有三个桥臂同时导通； *每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。 波形特点： 对于 u 相输出来说，当桥臂 1 导通时， /2und uu ；当桥臂 4 导 13 通时， /2und uu 。因此， un u 的波形是幅值为 /2d u的矩形 波。v、w 两相的情况和 u 相类似， vn u、 w

20、n u的波形形状和 un u相同，只是相位依次相差 o 120 。 unvnwn uuu、 的波形如 图 1.2 中 a、b、c 所示。 图 1.2 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 负载线电压可由下式求出： 14 uv unvn vw vnwn wu wnun uuu uuu uuu 负载相电压 un unnn vn vnnn wn wnnn uuu uuu uuu 负载中点和电源假想中点间电压 11 ()() 33 unvnwn nnunvnwn uuuuuuu 负载三相对称时有0 unvnwn uuu，于是 1 () 3 nnunvnwn uuuu 负载参数已知时，可由 un u波形求出

21、 u i波形。一相上下两桥臂间的 换流过程和半桥电路相似。桥臂 1、3、5 的电流相加可得直流侧电流id 的波形，id每 60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流 侧向直流侧传送的功率是脉动的电压型逆变电路的一个特点。防止同一 相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先 断后通” 。即先关断上（下）桥臂之后再开通同一相的下（上）桥臂。这 15 就要求给同一相上下桥臂信号间设置一个死区时间以达到该目的。 第 2 章 逆变电路的控制技术 2.1 逆变电源控制技术的发展 用于电力电子逆变控制的 pwm 调制技术到目前为止己有 20 多年的发 展历史了，使用 pwm 调制

22、技术不仅要求能够产生变频变压的交流电，同 时还要求产生的交流电具有最小的谐波含量和最大的电压利用率。其中 有代表性的调制方法有:次谐波 spwm、特定次谐波消除 pwm、阶梯波调制 pwm,滞环跟踪 pwm、空间矢量 pwm,随机 pwm 等。其中，以三角波和参考 正弦波相比较产生的次谐波 spwm 方案应用最为普遍。 到了 80 年代初，为了解决 pwm 技术提高开关频率和降低开关器件功 耗二者之间的矛盾，提出了谐振型开关电路。通过谐振、准谐振和多谐 振技术，大大降低了开关损耗和噪声。但谐振型开关电路开关器件所承 受的电压和电流为相应的 pwm 电路的 2-3 倍，而且主电路电压和电流均 为

23、正弦，使环路损耗大幅度提高。近些年提出的软开关 pwm 型电路则结 合了传统的 pwm 型和谐振型二者的优点，它通过某种谐振技术来软化 16 开关的动作过程，当开关动作完成以后又回到 pwm 工作方式。所以它能 够在不提高开关耐压量的基础上大大降低开关损耗。 2.22.2 pwm 概述 随着电压型逆变器在高性能电力电子装置，如交流传动、不间断电 源和有源滤波器中的应用越来越广泛，pwmpulse width modulation)控 制技术引起了人们的广泛关注。所谓 pwm 技术就是用功率器件的开通和 关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲系列，以实现变压变频及控制 和消除谐波为目标的一门技术，

24、也就是利用信号波对三角载波进行调制， 达到调节输出脉冲宽度的一种方法，当然不同信号调制后生成的 pwm 脉 宽对变频效果，比如输出基波电压幅值、基波转矩、脉动转矩、谐波电 流损耗、功率半导体开关器件的开关损耗等的影响差异很大。 pwm 技术最初应用于直流变换电路，后来将这种方式与频率控制相 结合，产生了应用于逆变电路的 pwm 控制技术:用改变调制信号频率实现 输出电压基波频率的调节；用改变调制信号幅值实现输出电压基波幅值 的调节。具体来说，就是用一种参考波为“调制波”，而以 n 倍于调制 波频率的正三角波为“载波”。由于正三角波或锯齿波的上下宽度是线 性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可

25、以得到一组幅值相等，而 宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取 17 代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交流电。 随着逆变器在交流传动、ups 电源和有源滤波器中的广泛应用，以 及高速全控开关器件的大量出现，pwm 技术己成为逆变技术的核心，因 而受到了人们的高度重视。尤其是最近几年，微处理器应用于 pwm 技术 和实现数字化控制以后，更是花样翻新，到目前为止仍有新的 pwm 控制 方式在不断出现。 与方波逆变电路相比较，pwm 逆变电路具有以下优点: （1）兼具压控和频控功能:方波逆变电路的输出电压幅值调节必须 借助于直流电压或桥间相控方式，逆变电

26、路自身无调压功能。由于 pwm 逆变电路可通过改变调制信号幅值实现输出电压调节，这样既可简化直 流环节，又可提高控制反应速度。 （2）减低输出电压的谐波含量:减低输出电压的谐波含量以简化输 出滤波环节，提高电路的功率密度和反应速度，一直为各种变换电路所 祈望。与方波逆变电路相比，pwm 逆变电路输出电压谐波含量降低，而 且载波频率越高，谐波含量便越低。在 scr 电路时期，pwm 技术的上述 优点并没有得到充分发挥，这是由于提高载波频率就意味着提高 scr 的 开关频率，但是由于关断时间的限制，在硬件开关环境中，scr 的频率 仅为 1khz 左右;而与此相反，igbt 在相同开关环境下，其开

27、关频率可达 20khz，这就为发挥 pwm 优点创造了远优于 scr 和 gtr 的客观条件。事实 18 证明，igbtpwm 逆变电路输出电压的谐波含量远低于 scr 和 gtrpwm 逆变 电路，这就使得 pwm 控制方式成为当今逆变电路的主要控制方式。 目前已经提出并得到应用的 pwm 控制技术就不下十种。关于 pwm 控 制技术的文章在很多电力电子国际会议上，如 pesc、工 econ, epe 年会 上己经形成专题。尤其是微处理器应用于 pwm 技术之后，pwm 技术得到 了进一步的发展，从追求电压的正弦波到电流的正弦波，再到磁通的正 弦波;从效率最优到转矩脉动最小，再到噪音最小等，

28、pwm 控制技术经历 了一个不断创新和不断完善的过程。pwm 控制技术可分为三大类，即正 弦 pwm(包括以电压，电流和磁通的正弦为目标的各种 pwm 控制技术)， 最优 pwm 及随机 pwm。从实现方法上大致有模拟式和数字式两种，而数 字式中又包括硬件、软件和查表等几种实现方法。从控制特性来看主要 可以分为两种:开环式(电压或磁通控制型)和闭环式(电流或磁通控制型)。 当然还有其他分类方法，这里就不再逐一叙述。 pwm(pulse width modulation)脉宽调制是利用相当于基波分量的信 号波对三角载波进行调制。 这里相当于基波分量的信号波并不一定是指正弦波，在 pwm 调制中

29、也可以是其他类型的信号波，三角载波也只是为了形象说明调制原理而 借用或用模拟电路产生 pwm 脉冲时必须采用的波形，在用数字化技术产 生 pwm 脉冲时，三角载波实际上是不存在的，完全由软件的定时器代替 了，这样既可减少硬件投资又能提高系统可靠性。目前的 pwm 的实现方 19 式主要有正弦 pwm (spwm)、准最优 pwm、开关损耗最小 pwm、电压空间 矢量 svpwm ( space vector pwm)、选择谐波消去法 she 的 spwm 等。 2.3 pwm 基本原理 2.3.1 面积等效原理 pwm 控制技术在逆变电路中应用最为广泛，对逆变电路的影响最为 深刻。 采样控制理

30、论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加 在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。pwm 控制技术就是以该结论 为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到 一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他 所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变 电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 2.3.2 同步调制与异步调制 pwm 控制技术在逆变电路中应用十分广泛，目前小功率的逆变 电路几乎都采用了 pwm 技术。目前实际应用的 pwm 逆变电路几乎都是电 压型电路。 20 计算法：根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算 pwm 波

31、 各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需 pwm 波形。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结 果都要变化； 调制法：把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为 载波，通过信号波的调制得到所期望的 pwm 波形。异步调制和同步调制 两种基本方式。 首先说明载波比的概念。 载波比：载波频率f fc c与调制信号频率fr之比。 异步调制：载波信号和调制信号不同步的调制方式 1 通常保持f fc c固定不变，当fr变化时，载波比n是变化的；2 在信 号波的半周期内，pwm 波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周 期的脉冲不对称，半周期内前后 1/4

32、周期的脉冲也不对称； 3 当fr较低时，n较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的 不利影响都较小； 4 当fr增高时，n减小，一周期内的脉冲数减少，pwm 脉冲不对称 的影响就变大 同步调制：载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使 载波与信号波保持同步，即 n 等于常数。 基本同步调制方式，f fr r变化时n不变，信号波一周期内输出脉冲数 21 固定。2 三相电路中公用一个三角波载波，且取n为 3 的整数倍，使三 相输出对称。 为使一相的 pwm 波正负半周镜对称，n应取奇数。 3 f fr r很低时，f fc c也很低，由调制带来的谐波不易滤除。 4 f fr r很高时，f

33、fc c会过高，使开关器件难以承受。 2.3.3 自然采样法与规则采样法 按照 spwm 控制的基本原理，在正弦波与三角波的自然交点时刻控制 功率开关器件的通断，这种生成 pwm 波形的方法称为自然采样法.自然采 样法是最基本的方法，所得到的 spwm 波形很接近正弦波。但是这种方法 要求解复杂的超越方程，在采用微机控制技术时需花费大量的计算时间， 难以在实时控制中在线计算，因而在工程上实际应用不多。 规则采样法是一种应用较广的工程使用方法，其效果接近自然采样 法，但计算量去比自然采样法小得多。2.1 图为规则采样法。 22 图 2.1 规则采样法 2.4 三相 spwm 正弦 pwm (sp

34、wm)是逆变器基本的 pwm 调制方式，它的缺点是，即输 出电压不够高，最大线性输出电压幅值仅为输入电压的3/2 倍，在同等 的开关频率下，它的开关损耗较大。 spwm 就是在 pwm 的基础上，使得输出电压脉冲在一个特定的时间间 隔内的能量等效于正弦波所包含的能量。spwm 逆变器的实际应用有两种， 一种是载波为全波三角形的二阶 spwm 逆变器，另一种是载波为半波三角 形的三阶 spwm 逆变器。前者往往作为三相逆变器的一相使用，而后者则 往往为单相使用。 23 对于三相 spwm 而言，为了保证三相输出电压的对称性，载波比 n 应 取 3 的奇整数倍数。这样不仅可以保证三相 spwm 波

35、形相同，同时载波及 载波上下边频中的零序谐波也容易消掉。当载波为共用的三角波，调制 波为三相正弦波时，三相逆变器各相输出电压的二阶 spwm 波形及线电压 的三阶 spwm 波形如图 2.3 所示。由于三相逆变器三个桥臂用的是共同的 直流电源 e，每一个单相半桥逆变器的直流电源就是 e/2. 对于载波比 n 应取 3 的奇数倍中为什么要取奇数倍，可以先看一看 三相中的一相调制波与载波的交截情况。如图 2.2 所示，在调制波大于 三角波的部分输出正脉冲，在调制波小于三角波的部分输出负脉冲，完 整的 spwm 波形就是负载上的波形如图 2.3 示，它有+e/2 和一e/2两个电 平，故称为二阶。其

36、开关频率与载波频率相同。 本文 pwm 波生成的方法是软件生成法，利用集成芯片 pic18f2431 产 生，产生原理见硬件设计部分论证。下图为带电机负载的三相桥式 pwm 型逆变电路 图 2.2 带电机负载的三相桥式 pwm 型逆变电路 24 图 2.3 三相 spwm 波形 25 第 3 章 逆变电源硬件电路设计 3.1 电路原理图 下图为整个逆变电源系统原理框图： 图 3.1 逆变电路原理框图 各部分功能说明： a)芯片 pic18f2431 用于产生最初的 pwm 波，其输出的波形经驱动电 路后分别作为逆变电路开关器件的控制信号。 b)驱动电路对芯片生成的三路 pwm 波进行放大并且使

37、之符合逆变电 路所需要的控制信号的形式。 26 c)mosfet irf640 作为逆变电路开关器件，其通断由栅极驱动信号 控制，将 48v 的直流电源逆变为驱动感应电机的三相交流电。调节控制 信号可以控制逆变器输出电压的幅值和频率。 d)lm7815 和 lm7805 用于提供稳定的直流电压。lm358 及相关电路用 于过电流保护。过电流计算见后文。 3.2 pic18f2431 简介 pic18f2431 是由美国 microchip 公司推出的 pic18f2x31 单片机系 列产品之一.该系列产品的特点是：首先采用了 risc 结构的嵌入式微控 制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流

38、lcd 驱动能力和低价位 otp 技术等都体现出单片机产业的新趋势。现在 pic 系列单片机在世界单片 机市场的份额排名中已逐年升位，尤其在 8 位单片机市场，据称已从 1990 年的第 20 位上升到目前的第二位。pic 单片机从覆盖市场出发，已 有三种(又称三层次)系列多种型号的产品问世，所以在全球都可以看到 pic 单片机从电脑的外设、家电控制、电讯通信、智能仪器、汽车电子 到金融电子各个领域的广泛应用。现今的 pic 单片机已经是世界上最有 影响力的嵌入式微控制器之一。 图 3.2 是 pic18f2431 的管脚图： 27 图 3.2 pic18f2431 管脚图 该系列单片机的主要

39、特点： 14 位电力控制 pwm 模块 a高达 3 通道的互补输出 b边沿或中心安装的控制操作 c复杂的死区发生器 d硬件故障检测输入 e占空比和周期同时更新 动态反馈模块 a三路独立捕捉通道 1.周期和脉宽测量的复杂的操作模式 2 特殊的探测器接口模块 3.特殊事件触发器输出到其他模块 28 b函数编码接口 1. 2 相输入和接自编码器的一相检索输入 2. 带有方向状态和方向中断改变的高低位置追踪 3. 速度测量 高速，200ksps 的 10 位 a/d 转换器 a达 9 通道 b可以同时两通道采样 c顺序采样 d自动转换 e可选择外部转换触发器 f可编程获得时间 g带有可选择中断频率的

40、4 字的 fifo 复杂的振荡器结构 a4 个晶体模式可达 40mhz b两个外部时钟模式可达 40mhz c内部振荡器 电力控制模式 a运行 cpu 工作，外部电路工作 b空闲 cpu 关断，外部电路工作 c休眠 cpu 关断，外部电路关断 外围功能模块特性 a3 个外部中断 b2 路捕捉/比较/脉宽调制(pwm)(ccp)模块 1. 捕捉输入：16 位，最大分辨率 6.25ns 2. 比较单元：16 位，最大分辨率为 100ns 3. 脉宽调制（pwm）输出：分辨率为 110 位 29 3.3 驱动电路 3.3.1 ir2103s 简介 ir2103s 是国际整流器公司开发的半桥型驱动器件

41、，其外观如图 3.3： 图 3.3 ir2103s 封装样式 主要参数如下： 最大偏移电压：600v 输出电压：10-20v 典型开通/关断时间：680ns/150ns 典型死区时间：520ns 图 3.4 为 ir2103s 的引脚图： 30 图 3.4 ir2103s 管脚图 各引脚功能如表 3.1 所示： 管脚功能描述 hin 输出上桥臂驱动信号的逻辑输入，同相输入 lin 输出下桥臂驱动信号的逻辑输入，反相输入 vb 上桥臂浮动供给 ho 上桥臂栅极驱动信号输出 vs 上桥臂浮动供给返回 vcc 固定电压供给 lo 下桥臂驱动信号输出 com 低电平返回 表 3.1 ir2103s 管

42、脚功能说明 内部电路结构如图 3.5： 31 图 3.5 ir2103s 的内部结构 从输出端可以看到，当 ho 与 vb 之间导通时，ho 输出高电平，而与 vs 之间导通时，ho 输出低电平；同样，lo 与 vcc 之间导通时，lo 输出 高电平，lo 与 com 之间导通时，输出低电平。 下图为 ir2103s 的典型连接： 图 3.6 ir2103s 的典型连接 可以看到，由于 vb 与 vs 之间电容的作用，使得 vb 比 vs 始终要高 出 vcc，而 vb 为 vcc，故 vs 相当于地。这就是上面为什么说 ho 与 vs 之 32 间导通时 ho 输出低电平的原因。 3.3.2

43、 驱动电路分析 由上面介绍可知：hin 和lin为 pwm 波形的输入端口，而 ho 和 lo 为输出端其输入输出波形对照如图 3.7： 图 3.7 ir2103s 输入输出时序图 我们看一下输入输出的真值对照情况： hin lin holo 1110 0001 1000 0100 表 3.2 ir2103s 输入输出真值对照表 可以看出：lin 为反相输入。 二输入同为高电平时，输出端 ho 输出波形，lo 无输出；当二者同 33 为低电平时，lo 输出，ho 无输出； 若二者不同，则 ho,lo 均不输出。这样有效的保证了同一桥臂上下 两个开关器件交替导通，实现纵向换流。三相以120。轮流

44、导通。图 3.8 为某一相的驱动电路图： 图 3.8 驱动电路 可以看到：由于采用了 vdd=15v 给半桥驱动 ir2103s 独立供电，所 以输出的驱动信号幅值比单片机输出的 pwm 波形要大得多，这也正好符 合 irf640n 的驱动需要。 3.3.3 死区时间分析 逆变器的上下桥臂直通，直流电压源短路，这是 pwm 逆变器最可怕 的故障，一般来说都会对元器件产生永久性破坏。因此，必须采取一切 措施绝避免这种直通故障的出现。防止上下桥臂直通措施的原理是: 34 1)电源的瞬变过程中，控制部分不能输出导致上下桥臂直通的附加 脉冲。 2)不管是什么原因，任何条件下都不应该出现上下桥臂开关都同

45、时 有开通信号。 3)开关元件状态转换的过程中，避免因开关时间而导致上、下桥臂 出现暂态的直通现象。 在前文讨论 pwm 逆变器原理时，我们一直认为逆变器中的功率开关 器件都处于理想开关的工作状态，也就是说，它们的导通和关断都随其 驱动信号同步地、无时滞的完成。但实际上功率开关器件都不是理想的 开关，它们都存在导通时延和关断时延。因此，为了保证逆变电路的安 全工作，必须在同一桥臂上下两个开关器件的通断信号间设置一段死区 时间 toff(或称时滞)。即在上(下)边器件得到关断信号后，要过 td 时 间才允许给下(上)边器件送入导通信号;以防止其中一个器件尚未完全关 断，另一器件己被导通，而导致上

46、、下两器件同时导通、逆变器直流侧 被短路的事故。 死区时间的存在使得 spwm 变压变频器不能完全精确地复现 spwm 控 制信号的理想波形，必然产生更多的谐波，并影响电气传动系统的运行 性能。 本电源系统中，驱动电路输出的上下桥臂栅极控制信号存在死区时 间，如图 3.9 所示： 35 图 3.9 上下桥臂开关死区 可以计算出死区时间： 6 1 2.5 10500 5 d tsns 3.4 逆变电路 3.4.1 irf640n 简介 图 3.10 为 irf640 系列器件的外观： 36 图 3.10 irf640 系列封装图 irf640n 是国际整流器公司开发的电力场效应晶体管。具有以下特

47、 点： （1）采用了先进的处理技术； （2）动态的 dv/dt; （3）工作温度可达 175 摄氏度； （4）开关迅速； （5）驱动要求简单 图 3.11 为 irf640 的电气图形符号： 图 3.11 irf640n 的电气符号图形 主要参数：d，s 间电压可达到 200v，漏极电流可达 18a，开通时 d,s 间电阻很小，仅 0.15 欧。 37 3.4.2 irf640n 工作特性 irf640n 是一种 n 沟道绝缘栅型电力场效应晶体管。它是用栅极电 压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要 的驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高。另外， 电力

48、mosfet 热稳定性优于 gtr，但是其电流容量小，耐压低，一般只适 用于功率不超过 10kw 的电力电子装置。本电路系统功率较低，完全可以 采用 mosfet irf640n 作为开关器件。 图 3.12 为 n 沟道 mosfet 内部结构： 图 3.12 n 沟道 mosfet 内部结构图 这种类型 mosfet 工作原理如下： 当漏极接电源正端，源极接电源负端，栅极和源极间电压为零时， p 基区与 n 漂移区之间形成的 pn 结 j1 反偏，漏源极之间无电流通过。 如果在栅极和源极之间加一正电压 gs u,由于栅极是绝缘的，所以并不会 38 有栅极电流流过。但栅极的正电压却会将其下面

49、 p 区中的空穴推开，而 将 p 区中的少子电子吸引到栅极下面的 p 区表面。当 gs u大于某一 电压值 t u 时，栅极下 p 区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使 p 型 半导体反型而成 n 型半导体，形成反型层，该反型层形成 n 沟道而使 pn 结 j1 消失，漏极和源极导电。电压 t u 称为开启电压或阈值电压， gs u超过 ut 越多，导电能力越强，漏极电流 d i越大。 3.5 保护电路 电流保护部分电路如图 3.13： 图 3.13 过流保护电路 lm358 是保护电路用到的重要元件。图 3.14 是 lm358 内部简图： 39 图 3.14 lm358 内部框图 可以看

50、到，其内部相当于有两个比较器，本电路实际主要用到比较 器 b，即 5，6，7 三个引脚。5，6 两引脚各接上外部电路某处的电平， 比较后结果由管脚 7 输出。 过电流保护的计算如下： a,e 两点等电势，均接地。 5 cc vv，则容易求出 d v: d v由 18 r， 4 r分压得到： 820 50.584( ) 6200820 d vv 管脚 5 的电压也就是 d 点的电压。 5 0.584 d vvv 管脚 5 与管脚 6 的电压大小关系决定了 7 端的输出， 56 vv为临界条 件。故不妨设： 40 56 0.584vvv 则流过 17 r两端的电流大小为： 17 50.584 0.

51、4416 10000 r ima 方向上端向下端。 lm358 的端口 6 可以看作虚断（即看作无电流流出或者流入） ，那么， b,c 两点间的电流大小等于 17r i，从而两端压降为： 3 0.4416 820 100.3621 bc uv 则： 6 0.36210.36210.2219 bc uuuv 从而，流过 1 r的电流为： 1 0.2219 2.219 0.1 r ia 即为主电路电流临界值，反推可知，当主电路电流大于该值时， 65 vv,从而 7 端输出一个地电平信号，送到 pic18f2431 的 12 端，进 行过电流保护的控制。 3.6 电源电路 l7805 和 l7815

52、 作用是给分别系统提供 5v 和 15v 的直流电压，它们 均属于 l7800ab/ac 系列。其基本封装形式如 3.15 图： 41 图 3.15 l7800ab/ac 系列的几种封装样式 l7800ab/ac 系列的典型连接如图 3.16： 图 3.16 7800ab/ac 系列的典型连接 电源电路部分如图 3.17：其中，l7805 给单片机 pic18f2431 供电; 而 l7815 给半桥驱动 ir2103s 供电。 图 3.17 电源部分 42 3.7 逆变电源工作过程 逆变电路工作过程如下： （1）当电源系统上电时，辅助电源开始工作，7805 和 7815 提供 5v，15v

53、直流电压； （2）5v 电压给单片机 pib18f2431 供电，15v 给半桥驱动 ir2103s 供 电； （3）单片机（已下载好程序的）开始工作，输出六路 pwm 波； （4）六路 pwm 波分别经三个半桥驱动 ir2103s 输出后，成为三相逆 变全桥开关器件的控制信号； （5）逆变电路工作，将 48v 直流电压逆变为交流电输出； （6）过电流保护电路同时工作，当主电路电流超过 2.219a（前文计 算知） ，lm358 的 7 号管脚输出信号到 pic18f2431 的 12 号管脚，单片及 停止输出 pwm 波，整个电路中断运行。 43 第 4 章 实验结果与分析 4.1 单片机输

54、出的 pwm 波形及分析 如下图，pic18f2431 的 21-22 引脚产生的 pwm 波形 图 4.1 上下桥臂 pwm 控制信号 这是同一相的原始控制信号，可以看到他们幅值为 5v，因为单片机 采用 5v 直流电压供电。相位也相同，所以真正加到上下桥臂之前必须使 它们相位互补，这样才能使同一相上下桥臂轮流导通，实现纵向换流而 44 不至于使 48v 直流电压源短路。 4.2 逆变电路开关器件栅极控制信号及分析 如下图，同一相上下桥臂的驱动信号： 图 4.2 同一相上下桥臂的驱动信号 图 4.2 是 pwm 波经过了半桥驱动 ir2103s 后输出的栅极驱动信号。 由图可以看到，该信号与

55、图 4.1 中的信号相比，有两大变化：一是幅值 由 5v 变为 15v，这是由于 ir2103s 采用独立的 vdd=15v 供电的原因；二 是相位有同相变为互补，这样就使上下桥臂轮流导通。这种相位变化由 ir2103s 的特点决定。可以从图 3.4 看出。 图 4.3 也是该信号描述 45 图 4.3 上下桥臂 mosfet 驱动信号 另外还测取了不同相同一桥臂的驱动信号波形，如图 4.4 图 4.4 a 相 b 相上桥臂驱动信号 46 两相同是上桥臂，其波形形状相同，相位相差 120 度。 4.3 带电动机负载后电压、电流波形 图 4.5 三相异步电机星形接法 a-b 线电压 47 图 4

56、.6 三相异步电机星形接法b 相电压 图 4.7 n=9 三角形线接法线电流波形 48 第 5 章 谐波分析 5.1 谐波产生原因 pwm 逆变器虽然以输出波形接近正弦为目的，但其输出电压仍然存 在着谐波分量。产生谐波的原因: 1）在工程应用中对 spwm 波形的生成往往采用规则采样法或专用 集成电路器件，并不能保证脉宽调制序列波的面积与各段正弦波面积完 全相等; 2)在实现控制时，为了防止逆变桥同一桥臂上、下两器件的同时导 通而导致直流侧短路，而当同一桥臂内上、下两器件作互补工作时，设 置了一个导通时滞环节，即死区时间。死区的出现不可避免地造成逆变 器输出的 spwm 波形有所失真。 5.2

57、 谐波补偿技术 5.2.1 一种特定谐波消去法（selected harmonic elimination pwm shepwm） 如图 5.1 是三相桥式 pwm 逆变电路中 nn u的输出波形： 49 图 5.1 特定谐波消去法的输出 pwm 波形 该方法的特点是： (1) 这是计算法中一种较有代表性的方法。(2)输出电压半周期内，器 件通、断各 3 次（不包括 0 和） ，共 6 个开关时刻可控。 (3) 为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。首先，为消除偶 次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即 ()()u wtu wt 其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后 1/ /4

58、周期 以/2/2 为轴线对称.即 式中，n=1,3,5,上式中含有 1 a , 2 a, 3 a三个可以控制的变量，根据需要 确定基波分量 1 a 的值，再令两个不同的 n a=0,就可以建立三个方程，联立 可以求得 1 a , 2 a, 3 a。这样，即可以消去两种特定频率的谐波。通常在三 相对称电路的线电压中，相电压所含的三次谐波互相抵消，因此通常可 以考虑消去 5 次和 7 次谐波。这样，可得如下联立方程： 50 1123 5123 7123 2 (12cos2cos2cos) 2 (12cos52cos52cos5)0 5 2 (12cos72cos72cos7)0 7 d d d u a u a u a 对于给定的基波幅值 1 a ，求解上述方程可以得到一组 1