船用小型三相逆变电源系统设计论文

1、浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文船用小型三相逆变电源系统设计黄利斌(浙江海洋学院机电工程学院，浙江舟山316000)摘要本文介绍了基于SPWM控制的船用三相逆变电源装置的设计。该装置既可以满足使用恒 频恒压正弦交流电的船舶电气设备的要求，也可以满足使用变频变压正弦交流电的调速电机 的要求。该装置还具有体积小、效率较高、直流电压利用率较高等特点。小功率三相逆变电 源是现代电力电子技术的应用。本论文还分析了国内外小功率电源的发展和现状，对整流电 路、逆变电路进行了介绍，研究了小功率三相逆变电源的基本原理。采用正弦波脉宽调制 (SPWM)技术，SPWM信号由波形发生器SA4828产生。本设

2、计采用交一直一交变频方案， 主要由整流电路、逆变电路、滤波电路、隔离瘦压电路组成。其中，整流电路采用单相桥式 不可控整流电路；逆变电路采用三相电压型桥式逆变电路；控制电路采用SA4828波形发生器 进行变频控制。本文首先确定电路的组成及原理，然后确定各个分电路的组成及器件的参数 计算，包括IGBT和滤波电路的参数计算。最后采用ORCAD对小功率三相逆变电源进行了仿 真分析并画出了电源电路的电气原理图。关键词：现代电力电子技术；IGBT;逆变电路；SA4828; SPWM技术I浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文AbstractThe paper presents the design o

3、f three-phase inverter power supply device of ship which based on SVPWM control method. The three-phase inverter power supply device .The device is not only fit for the electric devices of ship which use constant voltage and constant frequency sinusoidal alternating current, but also fit for the tim

4、ing motors which use variable voltage variable frequency sinusoidal alternating current. The devices had some strongpoint，such as small volume，high efficiency and high utilize efficiency of DC voltage. Low-power three-phase power inverter is the power of modem electronic technology applications. Thi

5、s paper analyzed the domestic and international small power supply to the development and status of the rectifier, inverter circuits were introduced on a small three-phase power inverter the basic principles. A sine wave PWM (SPWM) technology, SPWM signal generated by the waveform generator SA4828.

6、This design user AC-DC-AC Frequency conversion plan, and the main rectifier circuit, inverter circuits, filter circuit ； inverter circuits using three-phase voltage inverter bridge circuit; control circuit SA4828 waveform generator used to control frequency. This article first determine the composit

7、ion and circuit theory, and then determine the composition of the various sub-circuits and devices parameters, including IGBT and filtering circuit parameters. Finally ORCAD use of small three-phase power inverter and a simulation of the power circuit to draw electrical schematics.Keywords: The powe

8、r of modem electronic technology; IGBT; inverter circuit; SA4828; SPWM technology浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文目 录目丨J g第1章绪论1.1本设计的内容1.2设计任务第2章PWM控制方式2.1 PWM控制的基本原理2.2 PWM波的控制方法2.3异步调制和同步调制第3章主电路的组成及原理3.1小功率三相逆变电源主电路分析与设计3.2整流变压器的选择3.3二极管与IGBT的选择3.4电感和电容的选择3.5过电压保护和过电流保护3.6滤波器的选择第4章控制电路设计4.1控制电路4.2主控芯片80C196

9、KC简介4.3驱动电路4.4检测电路4.5数字测速4.6直流稳压电源设计第5章软件设计第6章仿真结果/J、S i射参考文献III335"6"61"912121213141415161617212428303234363738m浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文刖g电力电子技术的进步与电力电子器件的发展紧密相关，并以其发展为基础。它是一门使 用电力半导体器件及其应用电路，并综合控制理论知识和电子技术知识，分析开发以实现电 压、电流、频率和波形等方面的变换的综合性、应用性、新兴学科。电力电子技术1958年晶闸管产生至今，电力电子器件经历了三代：不可控器件、半控

10、器 件和全控器件。不可控器件如整流二极管;半控器件如普通晶闸管，但它不具备H关断能力； 全控器件是可控开通和关断像GTR、MOSFET、IGBT、GTO等等是当今应用较广泛的。作为一门对电能高效变换和控制的技术，随着新的电力电子器件的发展，许多新的多种 电力电子变流方式应运而生，电力电子变流方式按功能可划分为AC/DC整流、DC/AC逆变、 DC/DC斩波、AC/AC变频四大类。电力电子装置的发展趋势主要体现在“四化”即为高频 化、数字化、绿色化、智能化。电力电子装置的重量轻、体积小一装置的小型化，这一直是设计者追求的H标，而高频 化是实现这一目标的关键技术之一，同时它又是提高装置动态品质的技

11、术保障，高频化的结 果致使各种软开关技术也应运而生为解决功率器件的开关损耗增加。模拟控制的优点在于其 控制简单和技术的成熟性，在各种装置的控制中至今依然占据较重的席位，而大S:的分立元 件的使用一方面使得模拟控制的制造成本增加、硬件复杂，还存在参数容易漂移、元器件会 老化、抗干扰能力差等问题。节电显著和对电网不产生污染一公共电网的环保是电力电子装 置的绿色化的要求，目前円益受到社会的重视。随着技术的不断前进以及更加人性化地适应 用户的要求，功能齐全是电力电子装置的一大主要特征，检测运行状态和故障的快速识别和 处理、网络监控和无人值守等现代化监控方式都作为大多数电力电子装置所必备的功能和高 性能

12、要求。逆变器为完成DC AC变换的装置，通过控制系统中电子开关的开通和关断来进行完 成电能的变换。按照冲量一样而形状各异的窄脉冲加在具有惯性的环节上时的效果基本相同， 即采样控制理论的冲M等效原理，PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制技术通过限定开 关周期而更改导通比以实现输出电压控制。SPWM逆变器的数字控制技术，随着数字信号处理技术不断前进，逆变器数字控制越来 越广泛地被应用，模拟控制存在许多自身固有的缺点，由于硬件上主要采用了大量的分立元 件和电路板，势必会存在因为器件的老化、温度引起的漂移问题而造成系统的可靠性下降， 而且调试硬件的繁琐；在产品换代、标准化、模

13、拟控制的逆变电源监控功等存在麻烦等等。 数字控制比较于模拟控制而言，具有控制灵活，系统升级容易，数字控制的微处理器通常片 内外资源丰富，在设定硬件的配置后仅仅通过修改控制软件就可以用高级的控制方法和智能 策略以提高原控制系统的性能;控制系统在可靠性和标准化方而以及智能监控系统、远程监控 的实现等方而比模拟控制系统具有的明显优势。此外，数字控制还带来的诸多好处如系统的 一致性较高，成本低，生产制造方便以及易组成大规模的可靠性高的逆变电源并联系统等。 逆变电源运行可靠性的提高和增大电力供应容量的有效途径之一是逆变电源的并联技术。逆 变电源单元模块的数字化控制是为了得到高性能的并联运行的逆变电源系统

14、的重要基础之 一。在每个并联运行的逆变电源单元模块实现了数字化后，可更方便自如地进行模块之间环 流抑制的控制和多个逆变器模块之间的通讯或者在每一个模块中完成复杂的均流控制算法， 从而实现高可靠性、高冗余度的可实际应用的逆变电源并联运行系统。浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文数字控制技术的发展一方面表现在应用高性能的控制芯片，目前占市场份额较大的像 TEXASINSTRUMENTS, MOTOROLA, ADI等知名公司，都有宜于逆变电源控制的DSP(数 字信号处理器)芯片，在功能、性能也不断地提升，中大功率电力电子应用场合下，DSP已成 为主流控制芯片。数字控制技术的发展体现的另一方面

15、先进的控制策略的运用。一些先进的 控制策略应用于逆变电源的控制正是有了应用高性能的控制芯片DSP作为硬件的基础。在应 用到SPWM逆变器的各种数字控制策略里，其中无差拍控制(deadbeat)具有对精确数学模型 依赖的缺点，通过给出精确计算的控制量，使得受控fi的偏差在一个采样周期时间内得到变 更。逆变器重复控制的目的是为了克服死区、非线性负载等引起的输出波形周期性畸变，但 是其存在的显著缺点是其控制的实时性不好，动态响应速度慢以及排除干扰对输出的影响的 时间要多于一个参考周期。滑模控制最大的优势是对参数变动和外部扰动不够灵敏，系统的 鲁棒性特别强。但是滑模控制不好确定理想滑模切换而、采样率会

16、对控制效果有制约、高频 抖动现象也是个突出的问题，另外还具有在研发过程中需了解系统不明了性参数和扰动的边 际等缺陷。关于数字控制技术在逆变器中的应用文献和研发实践很多，除了上面介绍的技术以外， 国内外文献中还讲到了神经网络控制、模糊控制等等，但这些技术尚未存在较成熟的应用在 逆变器的数字控制中。数字控制与模拟控制相比有诸多的优势，但同时数字控制系统也存在 其特有的问题，传统的PID控制技术以其算法明了、较强鲁棒性已经在模拟控制UPS逆变器 系统中得到了较为宽广的应用，但其数字控制后的系统性能常常并不优于模拟控制。对这一 问题，国内外文献中的研究成果较少，在研究逆变器的数字控制的固有的缺陷里主要

17、有：逆 变器的数字控制因模拟数字采样和进行必须的S化处理带来的不可避免的误差；逆变器的数 字控制因数字处理器采样、计算延时造成的SPWM逆变电源最大占空比受限；零阶保持器给 逆变电源造成的性能的影响三个问题。2浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文第1章绪论1.1本设计的内容现代船舶采用了柴油发电机机组并网运行来产生船舶照明及电气设备所采用的交流电 源。但是柴油发电机的转速常常会发生波动，而船舶电网的容S有限，这样会使船舶交流电 网的母线电压以及运行频率发生较大波动，另外船舶中电动拖动设备需要变频变压的交流电 源，而柴油发电机一般工作在产生恒压恒频交流电的工作状态。为了解决上述问题，船舶电

18、 网中广泛使用了三相逆变电源装置用以提供电压以及频率恒定的交流电以及适合于异步电机 调速用的变频变压交流电。本文研制的正是满足这一要求的三相逆变电源，这个装置采用 SPWM控制技术，具有直流电压利用率高、谐波含量少、滤波器体积小、电机拖动转矩平稳 等优点。船舶之所以要用变频器把直流电能转换成交流电能是因为原先的电流含有谐波且不稳 定。输入电流谐波的危害主要有：1) 使电能的生产、传输和利用的效率降低，使得电器设备过热，产生振动和噪声并使绝 缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。2) 可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含S放大，造成电容器等设备烧毁。3) 使测fi仪器产生附加谐波误

19、差。常规的测ffl仪器是设计并工作在正弦电压、电流波形 的，因此在测a正弦电压和电流时能保证其精度，但是这些仪表用于测a非正弦a时，会产 生附加误差，影响测a：精度。4) 谐波还会引起继电保护和电动装置误动作，使电能计量出现混乱。现代逆变电源系统对功率因数校正和电流谐波抑制提出了更高的要求。为了减小AC-DC 交流电路输入端谐波产生的噪声和对电网产生的谐波污染，以保证电网供电质S,提高电网 的可靠性。同时也为了提高输入功率因数，以达到节能的效果，不少国家和国际学术组织都 制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。如国际电气电子工程师协会、国际 电:委员会和国际大电网会议都推出了各_建议

20、的谐波标准，其中最有影响力的是 iee519-992和iecl000-3-2。我国也先后于1984年和1993年分别制定了限制谐波的规定和国 家标准。船用变频器运行概览：变频器的作用是将电源（交流电源）的固定频率和电压转换为一 个可变的频率和电压以便驱动电机。电机的转速将随频率的改变而线性变化。为了对电机转 矩进行精确控制，在电机的整个转速范围内保持电压与频率比的恒定十分重要，即要使V/f0 =常数，其中0为电机的磁通量。船用变频器的整流单元将交流电压转换为一个恒定的直流 电压，交流逆变单元的作用是将这一直流电压转变为一个可变的交流电压。船用变频器可以 通过一种几乎无损耗的方式来进行这种能量转

21、换。船用变频器的工作效率在97-98%之间。 由二极管和晶闸管组成的电源整流单元执行这项工作，它可以确保电源提供的电流与电源电 压保持同相，即船用变频器将只获取电源的有功功率（即几乎为整功率因数）而不需要无功 功率。如果忽略电机和船用变频器的效率因素，电机驱动器将只获取被驱动负荷在各个时刻 所需的有功功率。这同样适用于电机在部分负荷范围内工作时的情况。与其它形式的驱动器 相比，转速控制鼠笼式电机在整个转速范围内具有非常高的效率。下图说明了一台由船用变频器控制的电机驱动器的原理。两个图显示了提供给电机或被3浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文驱动机器的电流、电压和功率，以及在电源侧作为电机

22、转速的函数的相应条件。此处的条件 是，整个转速范围内需要恒定转矩T。转矩T和功率P之间的物理关系为：T Nm = 9.55*PW/nrpm(1-1)从此式中可以看出，在保持转矩恒定时，输出功率P将随电机转速n线性增加。由于 船用变频器的控制系统可确保电机在恒定磁通量0下工作，因此，电机电流将与转矩T成 正比，也就是IAkNm。恒定磁通M 0的条件是，实际电压V随频率f成正比增加，即V/f 0=常数。基本物理定律表明，P为电压V和电流I的乘积，即P = V*I,这种关系从图上可 以看出。3AC 208-690V50/60HZ整流器直流链路逆变器3AC -VratedD例图n在恒定转矩负荷电机的整

23、个转速范围内电源和电机的功率和电流负荷在工作机器的转速保持恒定时，变频器供电侧的物理因素是如何作为转速函数变化的。 在忽略效率时，来自电源的吸收功率Pi 定与电机的输出功率P相同。由于电源电压V保 持恒定并且必须符合物理条件P=V*I，船用变频器从电源获得的电流I,将与电机转速成正 比增加，即使在电机电流I和转矩保持恒定的情况下。这两个电流只有在额定电机转速下才 相同。在给定的物理条件下，当转速或负荷较低时，电流负荷会非常低。直接从电源起动电 机时，电机电流将达到额定电流的6-7倍。使用船用变频器时，电源电流只是额定电机电流 的一部分。这意味着可以将由船用变频器控制电机引起的电源电压降落忽略，

24、而不管该电压 降落有多大。像柴电推进系统这样的大型驱动装置通常从三台或更多柴油机发动机获得所需的电能。 在这方面，通过调整发电机组并车台数来提供当前所需推力和船上其它设备所需能量，就可 能节约巨大的能量。不再需要使用辅助柴油机发动机，维护计划也变得更加简单。使用柴电 推进系统，可以对重量和体积都很大的部件进行灵活、最佳定位，同时还会降低对面积和空 间的总体需求。同时，改进的系统计划将会使运作成本降低。在冷却水泵和风扇上而也存在 着巨大的节能潜力，因为它们的尺寸大小是根据与温度有关的类别要求确定的。由此使得那 些由系统过量输送空气和水而消耗的能fi得到合理运用。多年以来，空气和水的温度大大低 于

25、用作分类要求基础的标准。对带有集成温度调节的船用变频器的投资很快就会得到回报。 对于绞车、推进器、卸料泵等其它应用，船用变频器控制的交流电机与液压系统相比，会表 现出较好的工作特性。4浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文船用变频器可以对转速进行精确调节，并使电机产生精确的预设转矩。结构坚固的鼠笼 式电机可以得到控制，在从静止到超过额定转速范围内提供均勻的转矩。转速控制电机驱动系统具有以下优势：1) 投资较低。2) 在部分负载范围内时，节约能量。3) 维护成本较低，因为受控制的电机运转减轻了机器和材料磨损。4) 与液压和柴油解决方案相比节省空间。技术更佳的过程解决方案：1) 工作可靠性提高

26、。2) 磨损低、维护少。3) 监控和操作简单。4) 故障诊断快速而安全。5) 经济而用户友好的操作。本设计要设计的是一个为船舶中通讯设备，照明设备、控制设备、辅助机械设备等提供 性能可靠的50HZ三相逆变电源系统系统。主要包括整流电路、逆变电路、控制电路等。整 个控制器由微处理器和SPWM发生器组成。设计的主要目的是理解电源的组成及各种电路的应用，使自己更好的掌握电力电子技术 的有关知识，学习电力电子方面的设计方法和理论依据。1.2设计任务(1) 技术要求1. 该小功率三相电源采用市电供电，即采用220V/50HZ的单相交流电。2. 电源的输出能获得交流电有效值可达400V左右，最大输出电流为

27、50A。3. 电源谐波总含量小于3%,功率因数为0.95。4. 具有过电流保护功能。(2) 设计内容1. 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路和控制器的结构形式。2. 电源主电路元部件的确定。3. 电源控制电路元部件的确定。4. 绘制电源的电气原理图。5. 对小功率三相逆变电源利用ORCAD软件进行仿真。5浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文第2章PWM控制方式2.1 PWM控制的基本原理PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。像直流斩波电路实际上采用的就是PWM 技术。

28、这种把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改 变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流 电压，因此脉冲既是等副的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控，这是PWM控制 中最为简单的一种情况。PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。目前中 小功率的逆变电路几乎都采用了 PWM技术。逆变电路时PWM控制技术最为重要的应用场 合。也可以说PWM控制技术正是有赖于再逆变电路中的应用，才发展的比较成熟。PWM控制的基本原理跟采样控制理论有一个重要的结论效果基本相同：冲fi相等而形 状不同的窄脉冲加在具有

29、惯性的环节上时，冲量即窄脉冲的而积。在PWM调制中，就是面 积相等而形状不同的窄脉冲加到具有惯性的LC滤波器上时，其输出响应波形基本相同。这 里所说的效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换 分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如下图：,ii1 fit)I .irt、Ltr r Jtfa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲d)单位脉冲函数图2.1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲阁a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同，其中图a为矩形脉冲，图b为三角形脉冲，图 c为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于1,那么，当它们分别家在具有惯性的同 一个环节上

30、时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图d的单位脉冲函数时，环节的响 应即为该环节的脉冲过渡函数。图2.2冲量相等的各种窄脉冲的响应波形上图的电路是以个具体的例子。图中为电压窄脉冲，其形状和而积分别如图的a、b、 c、d所示，为电路的输入。该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流为电 路的输出。图b给出了不同窄脉冲时的响应波形。从波形可以看出，在的上升段，6浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文脉冲形状不同过时的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各 波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应也是周期性的。用傅里叶级数 分解后将可看出，各在低频段的特性将非常

31、接近，仅在高频段有所不同。上述原理可以 称之为而积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。下面分析如何用一系列等副不 等宽的脉冲来替代一个正弦半波。>CJ图2.3用PWM波代替正弦波把图中a的正弦半波分成N份，就可以吧正弦半波看出是由N各彼此相连的脉冲序列组 成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于TT/N,但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是 曲线，各种脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数fi的等幅而不等宽 的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的 正弦波部分面积（冲量）相等，就得到了图中b所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可

32、以 看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和 正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉 冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM (Sinusoidal PWM)波 形。要改变等输正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。2.2 PWM波的控制方法(1) 计算法所谓计算法，就是当我们一旦确定了逆变电路所需输出的正弦波频率、幅值和半个周期 内的脉冲数，根据前述的面积等效的基本原理，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准 确计算出来，进一步计算出各脉冲的前、后沿时刻，于是便可得

33、到所需的PWM波，以此直 接控制逆变电路中各开关器件的通/断，便可在负载上得到所需要的PWM波形。由于逆变电 路在工作时，每当需要改变输出的频率、幅值或相位时，都要对所有数据重新计算，尤其需 要频繁改变输出正弦波的频率和幅值时，计算任务相当繁重，甚至难以满足实时控制的要求， 所以计算法在实际中很少采用。(2) 调制法实际中普遍使用的主要是调制法。结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明7浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文图2.4单相桥式PWM逆变电路工作时和¥2通断互补，V3和V4通断也互补。以u正半周为例，乂1通，V2断，V3 和交替通断。负载电流比电压滞后，在电

34、压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。 负载电流为正的区间，乂和V4导通时，Ue等于Ud。V4关断时，负载电流通过乂,和VD3 续流，u=负载电流为负的区间，乂和仍导通，i为负，实际上i从，和仰#流过， 仍有u=Ud。V4关断V3开通后，iG从V3和VD续流，u=0。负载电压u总可得到Ud和零 两种电平。u负半周，让V2保持通，V丨保持断，V3和V4交替通断，负载电压u可得-11(1和 零两种电平。控制和V4通断的方法如下图所示。一 U.H图2.5单极性PWM控制方式波形调制信号&为正弦波，载波Ue在U,的正半周为正极性的三角波，在&的负半周为负极 性的三角波。在ur和U

35、c的交点时刻控制IGBT的通断。在ur的正半周，Vi保持同台，乂2保 持断态，当Uj>Ue时使V4导通，V3关断U=Ud;当Ur<Uc时使V4关断，V3导通，u=。这样， 就得到了 SPWM波形u。图中的虚线uf表示uG中的基波分量。像这种在ur的半个周期内三 角载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围 变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。8浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文和单极性PWM控制方式相对应的是双极性控制方式。前面单相桥式逆变电路在采用双 极性控制方式时的波形如下图所示：图2.6双极性PWM控制方式波形采用双极性方式时，

36、在ur的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负， 所得的PWM波也是有正有负。在W的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud两种电平，而 不象单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号Ur和载波信号的交点时刻控制各开关器件 的通断。在叫的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当Ul>A时，给和¥4导通信 号，给V2和乂3关断信号。如i>0, %和4通，如i<0, 和0)4通，u=-Ud。当uUc 时，给V2和V3导通信号，给和¥4关断信号。如i<0, V2和V3通，如i>0, VD2和VD3 通，u=-Ud。由此可见不管哪种情况都

37、是u=-Ud。可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件 通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。2.3异步调制和同步调制在PWM控制电路中，载波频率与调制信号频率f；之比，N=fyf；称为载波比。根据载 波和信号是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。 (1)异步调制法载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。9浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文UrUUrVUc UrV图2.7三相桥式PWM逆变电路波形上图的波形就是异步调制三相PWM波形。在异步调制方式中，通常保持载波频率t固 定不变，因而当信号波

38、频率变化时，载波比N试变化的。同时，在信号波的半个周期内， 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 周期的脉冲也不对称。当信号波频率较低时，载波比N较大，一周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称 和半周期内前后1/4周期脉冲不对称产生的不利影响都较小，PWM脉冲不对称的影响就变 大，有时信号波的微小变化还会产生PWM脉冲的跳动。这就使得输出PWM波和正弦波的 差异变大。对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步 调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。(2)同步调制载波比N等于常数

39、，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。在基本 同步调制方式中，信号波频率变化时载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定 的，脉冲相位也是固定的。在三相PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波，且取载波 比N为3的整数倍，以使三相输出波形严格对称。同时，为了使一相的PWM波正负半周镜 对称，N应取奇数。下图的例子是N=9时的同步调制三相PWM波形。浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文图2.8同步调制三相PWM波形当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的载波频率fc也很低。fc过低时由调制带来的 谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉冲和噪声。当逆变电路输出

40、频率很 高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受。为了克服上述缺点，可以采用分段同步调制的方法。即把逆变电路的输出频率范围划分 成若干个频段，每个频段内都保持载波比N为恒定，不同频段的载波比不同。在输出频率高 的频段采用较低的载波比，以使载波频率不致过高，限制在功率开关器件允许的范围内。在 输出频率低的频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。各频 段的载波比取3的整数倍且为奇数为宜。图2.9分段同步调制上图给出了分段同步调制的一个例子，各频段的载波比标在图中。为了防止载波频率在 切换点附近来回跳动，在各频率切换点采用了滞后切换的方法。图中切换点处的实线表

41、示输 出频率增高时的切换频率，虚线表示输出频率降低时的切换频率，前者略高于后者而形成滞 后切换。在不同的频率段内，载波频率的变化范围基本一致，fe大约在1.4-2.0kHZ之间。同步调制方式比异步调制方式复杂一些，但使用微机控制时还是容易实现的。有的装置 在低频输出时采用异步调制方式，而在高频输出时切换到同步调制方式，这样可以吧两者的 优点结合起来，和分段同步方式的效果接近。11浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文第3章主电路的组成及原理3.1小功率三相逆变电源主电路分析与设计小功率三相逆变电源基本工作原理：市电单相电压（220V)经整流后供给逆变电路，采 用电压型三相桥式逆变电路，在驱

42、动信号作用下根据正弦波脉宽调制原理（SPWM)将直流电变成一定电压、一定频率的交流电，经滤波隔离后供给负载。本文设计的船用三相逆变电源的主电路结构框图如下图所示，其主电路大体结构为 AC-DC-AC,由以下电路模块组成。滤波 电路图3.1船舶逆变电源主电路结构图将柴油发电机电网中的交流电首先经过整流变压器之后再经过不控的三相整流桥整流成直流电。在此电路中整流变压器的作用是为了使三相逆变电源获得合适的直流电压，需将柴油发电机电网的交流电压变换成相应适合的值，可以避免在直流侧设置DC-DC变换电路，这样简化了硬件，提高了效率。直流部分：主电路的直流部分由直流滤波电路和泵升电压限制电路组成。1和q能

43、够滤除直流侧谐波使直流电压趋于恒定，此外电感L,还能抑制主电路刚上电时的电流上升率。当此逆变电源用于拖动电机时，如电机处于制动回馈制动状态，这时由于不可控整流桥无法将电能返回给交流电网而导致直流侧电压上升，为限制直流侧的泵升电压，在直流侧中设置了晶体管乃和大功率电阻R,当检测到直流侧电压过高时，控制电路将晶体管乃开通，使多余的电能消耗在电阻R,上，限制了直流侧电压的升高。逆变及输出部分：主电路中由六个IGBT模块构成三相逆变桥电路。此逆变桥应用广泛，技术成熟，可靠性较高。由于采用SPWM控制方式时输出的线电压具有一定量的较高次谐波，因此必须由滤波器将主要的谐波滤除，然后接上隔离变压器，由隔离变

44、压器的二次侧给负载供电。隔离变压器既可以将负载和逆变装置电气隔离，也可以方便多台同一逆变频率的逆变装置并网运行。3.2整流变压器的选择直流侧电压：电压峰值比上电容峰值为：0.7 = -:Ld_=720%lXfl(3-1)三相直流侧额定输出电压：Ud=933.1V取940V。浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文变压器二次侧电压为：u2uN (1 + 5%) + nur2.34(e -c-)988.52.34(0.9 + 0.5)逆变侧电源输出总容fi:S = y/3U1:50xy/3 =3464AKVA直流侧额定输出电流平均值:S_ud?>6A /40A(3-2)(3-3)(3-3)

45、变压器二次侧电流：/2 = /j x= 32.6A(3-4)因为变压器容M等于3倍的相电压乘以相电流所以：5 = w2x/2x3 = 46.9A：K4 取 50KVA。（3-5)选择SBK-50KVA三相变压器。3.3二极管与IGBT的选择首先确定二级管额定电压UTM,二级管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压URM，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，则计算公式：=(23)0-6)对于本设计采用的是三相桥式整流电路，二级管按1至6的顺序导通，在阻感负载中二级管承受的最大电压：C/=V6t/2=2.45/2(3-7)故计算的二级管额定电压为：1=232=

46、23513572厂取3000¥。（3-8)再确定二级管额定电流Itav),额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值一般取按此原则所得计算结果的1.52倍。二极管有效电流：I, =J2/= 32.6/75 = 23儿通态平均电流：/t(vd) = It/1.57 =23/1.57 = 14.6留1.52欲fi所以取二极管额定电路：/w=29.2 43.8d 取 35A。依据电路中电流和电压的要求，选择二极管型号为sk3-02-30。IGBT电压：为23倍的直流侧电压1880-2820V。最大电流为欲量所以取100A。依据电路中电流和电压的要求，选择IGBT型号为FF100R33K

47、F2C，基本参数为：通态峰值电压UTM: 3300V;(3-9)(3-10)=70乂，留 1.5 倍13浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文通态平均电流It: lA。3.4电感和电容的选择1为用于保证输出电流连续的临界电感，其计算如下：T K.u, 0.693x480 L = = 83.16m/in l%/,Imin要求的最小负载电流平均值；Kl计算系数；对三相全控桥时=0.693。电容：Uc=2ud=1880V。容值选470uF。3.5过电压保护和过电流保护1.三相交流电路的一次侧过电流保护在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护 保护原理图3.2如

48、下：TA图3.2 次侧过电流保护电路熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。本文设计中变压器的一次侧的线电压为940V，熔断器额定电压可选择1000V。 熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。本文设计中变压器的一次侧的电流Ii:_U2I2 _ 480x32.6 940= 16.6 屯4(3-12)xin = *v/3 x 16.64 = 28.831(3-13)熔断器额定电流：IFU<l.&xi= 1.6 28.=834113=)(3-14)因此，如上图在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的 设计要求熔断器的额定电压

49、可选1000V，额定电流选45A (型号RX1-1000V)2.二极管过电流保护 根据快速熔断器的要求：I < 1.57IrAy = 1.57x23 = 36.1U(3-15)熔断器的额定电压：U >URM =2A5U2=2A5x4S0 = U76V(3-16)浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文因此，按本课题的设计要求，用于二级管过电流保护的快速熔断器的额定电压可选择 1200V。额定电流可选35A (型号A1200Q30-4 )。3.IGBT过电流保护根据快速熔断器的要求：I <1.57IrAy = 1.57x70 = 109.9(3-17)熔断器的额定电压：U=2

50、.45/2= 2.45x480 = 1176F(3-18)因此，按本课题的设计要求，用于IGBT过电流保护的快速熔断器的额定电压可选择 1200V,额定电流可选100A (型号A1200Q100-4 )。3.6滤波器的选择对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器。其功能就是 得到一个特定频率或消除一个特定频率，滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。主 要作用是：让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。滤波器一般有两 个端口，一个输入信号、一个输出信号。利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群或复 合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。滤波器是由电感器和

51、电容器构成的网路，可使混合的交直流电流分开。电源整流器中， 即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而获得比较纯净的直流输出。最基本的滤波器，是由 一个电容器和一个电感器构成，称为L型滤波。所有各型的滤波器，都是集合L型单节滤波 器而成。基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为 电容器。在电源及声频电路中之滤波器，最通用者为L型及7C型两种。本文设计的滤波器载波频率取1KHZ,在1.95HZ-2.05HZ谐波最大。电感阻抗和电容阻抗有以下关系：r 1(L =(3-19)coCc = 27Tfx9 fx=2fc(3-20)得14；r取L=20mH算出C=1.26uF 取

52、 1.33uF所以本文选取L=20mH, C=1.33uF的滤波器。图3.3滤波器原理图浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文第4章控制电路设计整个控制器由微处理器和SPWM发生器组成。在此采用16位80C196KC单片机作为主 控制器，SPWM波的产生选择了专用集成芯片SA4828,硬件电路也大大简化，灵活性强、 智能性强，同时生成的SPWM波形精度高，速度加快，相应电源的可靠性大为提高。4.1控制电路此船用三相逆变电源的控制电路结构框图如下图所示，控制电路包括主控芯片、外围设 备接口电路、驱动电路和检测电路。电压检测电路可以检测逆变器的输出电压，这样可以构成闭环控制，保证输出的电压的

53、稳定，在电机调速中为电机调速控制带来方便。电流检测的作用对开关器件流过的电流进行 监控，一旦发现电流超过允许值则封锁驱动脉冲，保护开关器件。测频电路通过检测三相逆 变电源输出交流电的频率，可以构成频率闭环控制，保证输出交流电源的频率恒定，在电机 调速中为电机调速控制提供定子频率参量。直流侧电压检测的作用主要是当交流电机回馈制 动运行时，如发现直流侧电压超过允许值，则将大功率晶体管乃开通，将多余的电能消耗在 电阻上，防止直流侧电压升高至警戒值。此外，用于电机调速用逆变电源时，为了获得电机 调速更好的控制性能，检测电路包括三相交流电压检测，用于构成电压闭环控制，保持电压 输出稳定，稳定在400V左

54、右。显示电路用于显示输出电压值，电流值，频率值。数据芯片 用来保存测量的数据，检测的数据。数字测速用于当此电路驱动异步电机构成变频调速系统 时可增加数字测速模块。另外驱动芯片SA4828用来产生三相SPWM波，而IR2130芯片用 于驱动三相逆变桥。图4.1船舶逆变电源控制电路结构图16浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文图4.2 80C196KC封装图 首先，介绍一下80C196KC的各个基本组成特点：1) 16位CPU,没有了累加器结构，采用寄存器一寄存器结构。2) 外部时钟16MHZ,速度高。3) 除原来片232字节的寄存器空间外，增加256个字节的附加RAM,且在垂直窗口 下课灵

55、活地应用。4) 16K字节，寻址能力为64KB。5) 5 个 8 位 I/O 口。6) 以FIFO为基础的HIS和以CAM为基础的HSO结构，HISFIFOFULL,有其自 己的中断向fi地址203CH。7) CTCI可写入时间常数，作为独立定时器使用，CTC2增加了捕捉、快速、加减速等 功能。8) 个全双工串行口。9) 三路PWM输出。10) 10位8通道的ADC,增加了新功能：一个是10bit/8bit AD转换可变，一个是转换 完成时间控制可预先设定。11) 28个中断源和18级中断、PTS15中断。12) 16位监视定时器（WDT),具有修复软件和防止抗干扰功能。13) CCR.0=1

56、 时允许 POWER DOWN 方式。14) 112条指令。15) 68 脚 PLCC 封装。以下是80C196KC的基本功能：4.2主控芯片80C196KC简介ADOADr3AD4ADSliASA9| Aav3v 1SMIHxalAbsil2V1XITV1XAGVJBe KZH/DNIVb> V3 i EHUVIOHuysvIV卜H3VrosHSd/Naanp r-ld/aloH 9 Id/vas Ewsi oi teK/f SHynsHoc62!ii£birspl.2Eii17浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文AfiGWD蟑琅_串基准图4.3 80C196功能图(1) CPU的构成1) CPU地址总线结构CPU内部地址总线为8位，外部地址总线为16位，内部数据总线为16为，外部数据总 线为8位，内部可访问的RAM空间为256个字节，即片内256个寄存器阵列和特殊功能寄 存器可被访问。而对于单片机外部，一般要较多的存储空间和I/O空间才能完成固化程序和 扩展I/O接口。因此，采用16位地址总线可寻址64KB, CPU的一个控制单元和两条总线（8 位ABUS和16位DBUS)将寄