三相正弦波变频电源设计

1、三相正弦波变频电源设计摘要随着电力电子技术的迅速发展，将是电源技术更 加成熟，经济，实用，实现高效率和高品质用电结 合。变频电源随即而出现，变频电源被广泛应用于各 个领域，是变频调速的核心所在。变频器电源主要用 于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中占据的 地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。该次课设为 使用protel设计一个输出频率范围为20100Hz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（丫型接法）的三相正弦波 变频电源的课程设计。关键词：变频电源protel 三相正弦波变频电源 目录 TOC o 1-5 h z 摘要 I HYPERLINK l

2、 bookmark0 o Current Document 1三相正弦波变频电源设计要求 3 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 2三相正弦波变频电源系统设计方案比较.3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 整流滤波电路方案 3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 斩波电路方案 3绝缘栅控双极型晶体管IGBT驱动电路方案.4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 逆变电路方案 4 HYPERLINK l book

3、mark14 o Current Document MOSFE用区动电路方案 4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 测量有效值电路方案 5 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document SPWM（正弦脉宽调制）波产生方案 5 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 变频电源基本结构图 6 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3三相正弦波变频电源系统组成 7 HYPERLINK l bookmark24 o Curre

4、nt Document 4交流电源整流滤波电路设计 9 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 5斩波和驱动电路设计 9 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 6逆变和驱动电路设计 11 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 7真有效值转换电路设计 13 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 8过压保护与过流保护电路设计 13 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 9单

5、片机电路设计 15 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 10电源电路 16 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 11三相正弦波变频电源软件设计 16 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document PWMO勺实现 16 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document ADC0809的控制程序设计 18 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 统主程序流程图 18 HYPERLINK l

6、 bookmark48 o Current Document 12三相正弦波变频电路全图 19参考文献 21三相正弦波变频电源设计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 1-1所示。220V图1-1三相正弦波变频电源原理框图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：1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 变压器

7、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。绝缘栅控双极型晶体管IGBT驱动电路方案绝缘栅控双极型晶体管IGBT驱动电路：1应用脉冲变压器直接驱动功率IGBT, 来自控制脉冲形成单元的脉冲信号进高频晶体管进行功率放大后加到脉冲变压 器上,有脉冲变压器隔离耦合，稳压管 D限幅后来驱动IGBT。2有分立元器件 构成的具有VGs

8、保护的驱动电路，采用光电耦合电路实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离，并且提供合适的栅极驱动脉冲。3采用IGBT栅极驱动控制通用记成电路EXB系列芯片。比较：1中的不足表现在高频脉冲变压器因漏感的存在容易产生振荡。为了限制振荡，常常需要增加栅极电阻 R,这就影响了栅极驱动脉冲前后沿的陡度，降 低了可应用的最高频率。2的不足之处就是采用分立的原件较多，抗干扰能力 较差。与前面两种方案相比较，3采用集成芯片，使系统的可靠性好，切内部 有保护电路，是较适合的一种IGBT的驱动方案。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

9、变电路。比较：电流型逆变器适合单机传动，力口，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动电路：1利用CMOSS件驱动MOSFET2利用光耦合器驱动 MOSFET3采用MOSFE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MOSFE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。

10、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空制 A/D器件首先进行等间隔采样,并将采集到的数据存到RAW,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

11、量电路框图 如图2-3所示。图有效值测量电路框图比较：显然1占用大量FPGA内部资源，造成可用资源减少，不利于设计其他 方面的利用，故选择方案2。SPWM （正弦脉宽调制）波产生方案在给设计中，变频的核心技术是 SPW帔的生成。SPWM正弦脉宽调制）波产生：1采用SPW睡成电路。2采用AD9851DD集成芯片。3利用FPGAS过编程 直接生成SPW帔。比较：方案1是较好的一种产生SPW帔的方案，但题目中的说明中明确规定不 能使用产生SPW帔形的专用芯片，所以不能采用此方案，2中由于DD标用全 数字计数，因此会存在杂散干扰，直接影响输出信号的质量，所以此方案也未被采用，故采用方案3。变频电源基本

12、结构图变频电源：1交流变频电源实际上是一个 AC-DC-ACI置。如图2-4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。AC220V/50A AC- f DC- DC- f 负载-DC F调 J L调频捽制电路图2-4开环结构方框图2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 FPGAt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 2-5所示。图2-5闭环结构方框图考虑到本设计方案，选择方案2。3三相正弦波变频电源系统组成所设计的三相正弦波变频电源系统方框图如图3-1所示。控制方式采用单片机

13、和FPGA共同控制的方式，由单片机 AT89S52,IR12864-M液晶显示器，4W按 键构成人机界面。单片机控制IR12864-M液晶显示器4W按键，并与FPGA的 通信。FPGA作为本设计系统的主器件，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

14、IGBT开关器件选用BUP304;BUP304勺驱动电力由集成化专用IGBT 驱动器EXB841构成；EXB841的pwmB动输入信号由FPGAg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。逆变电路采用全才$桥逆变电路， MOSFET臂由6个K1358构成。K1358的驱动电路选用IR2111的控制信号SPWIM? FPGAg供。*扼流圈桥式整f滤波交流输*直流输桥式逆*滤波输*斩波变EXB84过压占空比可编程A光电隔流电输占空比锁存比较运算器设置数输出电流指通信模块单片机AT89S52DS18B20温度传感IR2111驱动电流s SPWM数据表分频系数锁存比较运

15、算器设置数隔离真有电压隔离真有ASC0809A/D转换IR12864-M波形汉字液晶显木器图3-1三相正弦波变频电源系统框图逆变输出电压经过低通滤波，输出平滑的正选波，输出信号分别经电压， 电流检测，送AD673真有效值转换芯片，输出模拟电平，经模、数转化器 ADC0809输出数据送FPGAfe理。送人FPGA勺数据经过一系列处理，送显示电 路，显示输出电压，电流，频率及功率。4交流电源整流滤波电路设计市电经220V/60V隔离变压器变压为60V的交流电压，输出扼流线圈，消除 大部分的电磁干扰，经整流输出，交流电转变成脉动大的直流电，经电容滤波 输出脉动小的直流电。在电路中有两个保险丝，题目要

16、求输出电流的有效值达 到3.6A时，执行过流保护，则采用4A的保险丝。输出端并联的电容为C11为滤 波电容，容值为470 F。JDQin端连接过压保护电路。5斩波和驱动电路设计设计的斩波和驱动电路如图5.1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5.1斩波和驱动电路图5.1中，JDQout是整流滤波的输出电压端；EXB841的弓用却端6连接快恢 复二极管U810Q弓用却端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 Q （1/2W ；弓唧端1

17、和引脚端9,弓唧端2和引脚端9之间的电容C12, C13为47 F, 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, .6构成回路，电感电流经二极管（D12）,对 IGBT起保护作用。光电耦合器TLP521的引脚图封装形式和内部结构如图5.2所示图5.2TLP521-2引脚端封装形式和内部结图5.3EXB841引脚端

18、封装形式和内部结构EXB841驱动器的引脚端封装形式和内部结构如图 5.3所示。EXB841的弓|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。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

19、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10肉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（10肉的过流不响应，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。6逆变和驱动电路设计在本设计中采用三相电

20、压桥式逆变电路。6个MOSFE管2SK1358S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6.1所示，每个2SK135咻联一个续流二极管和串接一个 RC低通滤波器。图6.1三相电压桥式逆变电路MOSFET动电路的设计对提高MOSFET能具有重要的作用，并对 MOSFET效 率，可靠性，寿命都有重要的影响。MOSFET驱动它的电路也有要求：能向MOSFET极提供需要的栅压，以保证 MOSFET靠的开通和关断；为了使 MO

21、SFET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。在设计中采用3个IR2111作为MOSFET驱动电路。MOSFET制及驱动电 路如图6.2所示图6.2MOSFET空制及驱动电路其主要技术特点IR2111是MOSFET用驱动集成电路，采用 DIP-8封装有：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CMOSl平兼容：死区时间内置：高边输出，输入同相，低边输出死区时

22、间调整后与输入反IR2111的引脚封装形式和应用电路如图 6.3 (a)相。,6.3 (b)所示。Up 10 60 VUNEIOCOMVs图6.3 (a) IR2111引脚端封装形式图6.3 (b)应用电路7真有效值转换电路设计逆变输出的信号经过低通滤波，三相电流分别由电流检测器转换为电压。 单相电压信号由真有效值测量电路检测。真有效值电路由4片AD637构成，其基本电路如图所示。AD637是真有效值转换芯片，可测量的信号有效值可达7V,精度优于0.5%, 3dB带宽为8MHz,可对输入电平以dB形式指示。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9.1所示。图中TL

23、431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Vref(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Vref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 RBH1和RBH2中电压为：RBH 2Vin Rbhi Rbh 2此时TH431及的基准电压为RBH 2VrefvinRbh 1 RBH 2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。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

24、 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9.2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，对图9.2过流保护电路9单片机电路设计单片机图及其外围电

25、路采用 AT89S52单片机芯片（9.1所示）。矩阵式键 盘以I/O 口线组成，4军的行列结构可构成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4军的行列线。按键输入米用中断工作方式。（图10.1所小）图9.1单片机及其外围电路10电源电路由于变频电源主电路的噪声干扰大，因此，为了确保控制部分的稳定性和可靠性，采用各控制和A/D转换电路与主电路分离的电源供电模式。因为这些部分的功耗不大，所以供电电源均采用三端集成稳压器直接得到各部分所需的电压。11三相正弦波变频电源软件设计11

26、.1SPWM波的实现SPW帔的原理正弦脉冲宽度调制SPWM的基本原理是：根据采样控制理论中的冲量等效原 理，大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（即 变量对时间的积分）相等，其作用效果基本相同，且窄脉冲越窄，输出的差异 越小。这一结论表明，惯性系统的输出响应主要取决于系统的冲量，即窄脉冲 的面积，而与窄脉冲的形状无关。依据该原理，可将任意波形用一系列冲量与 之相等的窄脉冲进行等效。如图12.1.1所示，以正弦波为例，将一正弦波的正 半波k等分（图中k=7）。其中每一等分所包含的面积（冲量）均用一个与之 面积相等的、等幅而不等宽的矩形脉冲替代，且使每个矩形脉冲的中心线和等

27、 分点的中线重合。如此，则各矩形脉冲宽度将按正弦规律变化。这就是 SPWM 控制理论依据，由此得到的矩形脉冲序列称为 SPWM波形。SPWM波形生成程 序采用VHDL硬件描述语言编写。44川卜IIIHIIIIIII9I图11.1.1与正弦波等效矩形脉冲序列波形SPW肢形数据的产生利用Matlab产生波形。计算原理如下:设三相逆变电路的输出三相分别为 U相、V相、Wf。就U相而言，当换流器工作在连续导电模式下时，有Uo D Uu在具体计算时，取Uo sinx,取Uu 1,采样64个点，设脉冲高电平时 间为tu1,脉冲低电平时间为口，则有(tu1 tu2)64 T其中T为输出正弦波的周期。又DtU

28、tU 1 tU2tU2tU1T64DT64tU1当取T为100000s时，频率为0.00001Hz,那么频率fOUT100000(tu1 tU2) 64,V相、M目与u相相同。程序如下：x=0:(2*pi)/63:2*pi;Uu=sin(x)+1;Uv=sin(x+(2*pi)/3)+1;Uw=sin(x-(2*pi)/3)+1;%-Uo=D*Uu(取 Uu=1)%-D=Uo=UuDu=Uu;Dv=Uv;Dw=Uw;Du=Du/2;Dv=DvDw=Dw/2;tu1=(Du*100000)/64;tu2=100000/64-tu1;tv1=(Dv*100000)/64;tv2=100000/64

29、-tv1;tw1=(Dw*100000)/64;tw2=100000/64-tw1;ADC0809的控制程序设计程序设计主要是对ADC0809：作时序进行控制。ADC08098位MOSA/D转器 是8位MOSA/D转换器，可实现8路模拟信号的分时采集。片内有8路模拟选通开 关以及相应的通道地址锁存用译码电路。其转换时间为100us。STAR是转换启动信号，高电平有效；ALE13为通道选择地址（ADDA ADDBADDC信号的锁 存信号。当模拟量送至某一输入端时（如IN1或IN2等），由3位地址信号选择， 而地址信号由AL颜存；当启动转换约100us后,EO产生一个负脉冲，以示转换 结束；在EOC勺上