三相正弦波變頻電源設計范文
本站小編為你精心準備了三相正弦波變頻電源設計參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。
摘要：本設計了一個交流—直流—交流變頻電源系統。該系統利用集成逆變器件IM14400,并以FPGA為控制核心,采用SPWM變頻控制技術,實現了三相正弦波變頻輸出。其輸出線電壓有效值為36V,最大輸出電流有效值達3A。此外，系統還具有頻率測量、電流和電壓有效值測量及平均功率測量等功能。變頻技術在電源中的應用，極大地減小了電源裝置的體積，提高了效率，產生了巨大的經濟效益，所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT)將5OHz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻(又稱交―交變頻)，即把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的交流調速中;間接變頻(又稱交—直—交變頻)，即先將市電整流成直流，再變換為要求頻率的交流。它又分為諧振變頻和方波變頻。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅、等寬和SPWM變頻。常用的方法有正弦波(調制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。逆變技術，是指整流技術的逆向變換方式。
關鍵詞：逆變器;變頻電源;脈寬調制;IM14400;FPGA1引言
1.1選題的提出
由于我國市電頻率固定為50Hz,因而對于一些要求頻率大于或小于50Hz的應用場合,則必須設計一個能改變頻率的變頻電源系統。目前最常用的是三相正弦波變頻電源。該電源系統主要由整流、逆變、控制回路3部分組成。其中,整流部分用以實現AC/DC的轉換;逆變部分用以實現DC/AC的轉換;而控制回路用以調節電源系統輸出信號的頻率和幅值。
1.2變頻技術的介紹
變頻技術是電力電子技術的主要組成部分，它主要用于需要交流電源的電壓、頻率可調(或恒壓、恒頻)的用電設備，如交流電機、中頻電源及各種專用電源的中間環節等。這一技術的產生和發展為交流調速開拓了廣闊的天地。國外交流調速在電氣傳動行業已占絕對優勢，雖然國內直流調速還在大量使用，但近年來凡新建的電氣傳動系統均采用交流調速，其發展勢頭是迅速的。變頻技術在供電電源方面的應用主要是:
（1)將過去用發電機、變壓器產生交流電的地方用變頻電源取代;
（2）將計算機、電焊機、電子裝置等用直流電源的地方改為以變頻技術為核心的開關電源。在現有的正弦波輸出變壓變頻電源產品中，為了得到SPWM波，一般都采用雙極性調制技術。該調制方法的最大缺點是它的4個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，從而產生了較大的開關損耗，開關頻率越高，損耗越大。本文針對正弦波輸出變壓變頻電源SPWM調制方式及數字化控制策略進行了研究，以TMS320F240數字信號處理器為主控芯片，以期得到一種較理想的調制方法，實現逆變電源變壓、變頻輸出。
變頻技術在電源中的應用，極大地減小了電源裝置的體積，提高了效率，產生了巨大的經濟效益，所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT)將5OHz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻(又稱交―交變頻)，即把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的交流調速中;間接變頻(又稱交—直—交變頻)，即先將市電整流成直流，再變換為要求頻率的交流。它又分為諧振變頻和方波變頻。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅、等寬和SPWM變頻。
常用的方法有正弦波(調制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。逆變技術，是指整流技術的逆向變換方式。其作用是通過電力電子器件(例如SCR,GTR,IGBT和功率MOSFET模塊等)的開通和關斷作用，把直流電能變換成交流電能，因此是一種電能變換技術。它的主要用途是用于交流傳動，靜止變頻和UPS電源等設備的研制與應用。逆變器的負載多半是感性負載。為了提高逆變效率，存儲在負載電感中的無功能量應當能反饋回電源。逆變器的原理早在1931年就在文獻中提到過。1948年，美國西屋(Westinghouse)電氣公司采用汞弧整流器制成了3000Hz的感應加熱用逆變器。
近年來，隨著新型的電力電子元件的不斷產生與發展，新的控制技術的出現，逆變技術也得到了飛速發展。1964年，由A.Schonung和H.Stemmler提出的把通信系統調制技術應用到逆變技術中的正弦波脈寬調制技術(Sinusoida-PWM，簡稱SPWM)，由于當時開關器件的速度慢而未得到推廣)。直到1975年才由Bristol大學的S.R.Bowes等把SPWM技術正式應用到逆變技術中，使得逆變器的性能大大提高，并得到廣泛的應用和發展，也使正弦波逆變技術達到了一個新高度。此后，各種不同的PWM技木相繼出現，在實際應用中，很多部件內部都有自己的積分器，比如電機本身就是非常理想的低通濾波器，PWM信號的一個很重要的用途就是數字電機控制。在電機控制系統中，PWM信號控制功率開關器件的導通和關閉，功率器件為電機的繞組提供期望的電流和能量。相電流的頻率和能量可以控制電機的轉速和轉矩，這樣提供給電機的控制電流和電壓都是調制信號，而且這個調制信號的頻率比PWM載波頻率要低。采用PWM控制方式可以為電機繞組提供良好的諧波電壓和電流，避免因為環境變化產生的電磁擾動，并且能夠顯著提高系統的功率因數。未能夠給電機提供具有足夠驅動能力的正弦波控制信號，可以采用PWM輸出信號經過NPN或PNP功率開關管實現。
例如注入三次諧波的PWM,空間向量調制(SVW)、隨機PWM、電流滯環PWM等，成為高速器件逆變器的主導控制方式。至此，正弦波逆變技術的發展已經基本完善。常用逆變主電路的基本形式有兩種分類方法:按照相數分類，可以分為單相和三相;按照直流側波形和交流側波形分類，可以分為電壓型逆變器和電流型逆變器，逆變電路的應用非常廣泛，其中用途最廣的為恒壓恒頻電源和變壓變頻電源。
（1）恒壓恒頻電源
這是一種在負載或交直流電源在一定范圍內波動時，能保持輸出為恒定電壓和恒定頻率的交流正弦波的穩壓和穩頻電源裝置，簡稱CVCF電源。這類電源的典型代表是不間斷電源（UPS)。在計算機系統中使用UPS可以避免由于電源電壓波動、頻率漂移、瞬時干擾和電壓突然中斷等現象造成的損失。UPS的電壓穩定性、頻率穩定性、波形失真度和不間斷性等都優于公共電網，所以它的應用十分廣泛。（CVCF電源還包括航空機載電源和機車輔助電源等）
（2）調壓調頻電源
這是一種可獲得所需要的電壓、電流和頻率的交流變壓變頻裝置，簡稱VVVF變頻電源。變頻電源廣泛用于交流電機的調速系統中。交流電機調速系統在許多領域內代替了傳統的直流電機調速系統，這是電力電子技術領域的一個重大突破。隨著電力電子技術的不斷發展和新型電力半導體器件的產生，逆變電路的應用范圍日益擴大。在電力拖動系統、電氣傳動、各種功率的焊機電源以及有源電力濾波器等方面廣泛應用。
1.3研究意義
隨著工業自動化和電力電子技術的高速發展，傳統的體積大、笨重、效率低的變頻電源已不能滿足需求，現代變頻電源以其低損耗、高效率、電路簡潔和最佳的性能指標等顯著受到青睞，并廣泛應用與電氣傳動、計算機、電子設備、儀器儀表、通信設備和家用電器中。采用三相正弦波變頻電源技術將使其損耗低，效率高，電路簡潔。
1.4設計的對象
本設計了一個交流—直流—交流變頻電源系統。該系統利用集成逆變器件IM14400,并以FPGA為控制核心,采用SPWM變頻控制技術,實現了三相正弦波變頻輸出。其輸出線電壓有效值為36V,最大輸出電流有效值達3A。此外，系統還具有頻率測量、電流和電壓有效值測量及平均功率測量等功能。
2系統總體設計方案
將市電通過隔離變壓器輸入到交流變頻電源系統,隔離變壓器的輸出經過整流橋后,產生全波整流信號。全波整流信號濾波生成與輸入交流電對應的直流電,從而實現AC/DC轉換。該系統全波整流橋采用集成整流橋KBL406,三相逆變器模塊IM14400在FPGA產生的三相SPWM脈沖控制下產生三相交流電。逆變器輸出的交流電頻率等于SPWM脈沖基波頻率,通過控制FPGA的DDS模塊的正弦波頻率來調制正弦波頻率。SPWM脈沖基波頻率等于調制波頻率,系統采用這種方法實現變頻。圖1-1給出了系統總體框圖。
SPWM的概念在進行脈寬調制時，使脈沖系列的占空比按正弦規律來安排。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調制。SPWM脈沖系列中，各脈沖的寬度以及相互間的間隔寬度是由正弦波(基準波或調制波)和等腰三角波(載波)的交點來決的。
圖2.1系統總體框圖
3系統主要功能的實現
3.1系統主要功能的實現
為減小系統的體積，提高性能。此模塊的電路設計采用芯片IPMIM14400，在相應三相SPWM控制下，輸出三相交流信號。Cyntec公司IPM系列芯片為三相電機驅動芯片，芯片內包含三相橋式IGBT功率管及相關控制、驅動電路，控制比較簡單，適合用于本系統。電路如圖4-3所示。
在芯片的P、N端施加整流輸出的支流電壓，SPWM控制信號經過光耦隔離、三極管驅動后施加在圖4-3的SPWM端，則在UVW端得到滿足要求幅度的SPWM信號，該信號經過濾波濾除高頻分量，即可得到所要求的正弦波信號。
芯片的+15V工作電源獨立供給。獨立電源采用DC-DC轉換器SR5D15/50實現。轉換器的+5V供電從FPGA引腳引出。該轉換器的輸出是隔離。圖3.1三相橋式逆變電路
3.2PWM信號的產生方式
按照SPWM控制基本原理,在三角波和正弦波的自然交點時刻控制功率開關器件的通斷。如果采用自然采樣法,會增加硬件的復雜度,但因該系統是以FPGA為控制核心,可方便地實現。把正弦波波形表存入存儲器中,同時利用加法器和減法器生成三角形載波,再通過數字比較器產生所需要的波形。該方案具有可靠性高,可重復編程,響應快,精度高等特點,其原理如圖3.2所示。
圖3.2PWM信號的產生原理圖
三角波產生電路,如圖3.3所示為通用三角波產生電路，該電路中，運算放大器A1，A2是正負峰值檢波積分器，C1為保持電容。該電路能適應很寬的測試范圍，具有很好的線性和振幅穩定性。振蕩頻率取決于積分時間常數R3，C2，若VA=8V，這時的振蕩頻率為1KHZ。電容C1與C2的比值取20：1。。運算放大采用741。
圖3.3三角波產生電路
3.3SPWM調制方式的選擇
載波比恒定的調制方式稱為同步調制。同步調制時PWM脈沖在一個周期內的個數是恒定的,脈沖的相位也是固定的,將調制比設定為3的整數倍時,可以使輸出波形嚴格對稱,從而有效降低信號的諧波分量。但是,當逆變電路的輸出頻率比較低時,同步調制載波的頻率也很低,過低時不易濾除調制帶來的諧波,當逆變電路的輸出頻率很高時,同步調制載波頻率也過高,這將使開關器件的開關損耗增大。載波信號和調制信號頻率不保持同步的調制方式稱為異步調制。異步調制時保持載波時鐘頻率不變,當調制正弦波的頻率發生變化時,載波比跟隨變化,在調制波的一個周期內PWM脈沖的個數不固定,相位也不固定。正負半周期
脈沖不對稱,半周期內前后周期的脈沖不對稱,造成信號的諧波分量較豐富,給后級濾波電路造成困難。
該系統的逆變器輸出頻率在20～100Hz,輸出信號的頻率較低。設計采用IM14400作為逆變電路,IM14400的PWM輸入頻率范圍為5kHz～0.3MHz,可以選擇很高的載波比。在異步調制方式下,當載波比很大時,正負半周期脈沖不對稱和半周期內前后周期的脈沖不對稱造成的諧波分量都很小,PWM脈沖接近正弦波。此設計的調制方式選擇異步調制方式,載波頻率固定為29.2kHz。
3.4FPGA控制模塊
采用FPGA作為系統的總控制模塊,其中的波形發生器控制電路通過外來控制信號和高速時鐘信號，向波形數據ROM發出地址信號，輸出波形的頻率由發出的地址信號的速度決定；當以固定頻率掃描輸出地址時，模擬輸出波形是固定頻率。同時，還控制數碼管動態顯示頻率和幅度預置值。
4理論分析與參數計算
4.1SPWM逆變電源的諧波分析
在調制度α一定,在三相共用一個載波信號的情況下,對輸出線電壓進行頻譜分析,由此可發現,輸出線電壓的諧波角頻率為:ω=nωc±kωr(1)式中:當n為奇數時,k=3(2m-1)±1,m=1,2……;當n為偶數時,k=6m+16m-1,k=6m+1,m=0,1,2…;k=6m-1,m=1,2…。
由式(1)可知,輸出線電壓頻譜中沒有載波頻率ωc的整數倍次諧波分量,諧波中幅值較高的諧波分量是ωc±ωr和2ωc±ωr。
從上述分析可知,SPWM波形中所含的諧波主要是角頻率為ωc、2ωc及其附近的諧波。由于采用了異步調制方式,故最小載波比k=ωc/ωr=168,所以PWM波形中所含主要諧波分量的頻率比基波分量的頻率高很多,諧波分量易被濾出。
4.2載波頻率的選擇
由SPWM逆變電源的諧波分量分析可知,SPWM電壓源逆變器輸出線電壓諧波分量分布在ωc周圍,提高SPWM的載波頻率fc將使逆變器輸出線電壓的主要諧波分量分布在較高的頻段,從而使逆變器的輸出電壓失真度很低。但是提高fc,會使逆變器中功率開關管的開關頻率提高,這將大大增加逆變器的開關損耗。此外,fc提高還受到硬件的限制。通常情況下IM14400的關斷延遲Toff=0.9μs,開啟延遲時間Ton=0.73μs,由于其關斷延遲大于開啟延遲,易造成同一相上下兩個橋臂同時導通。實際電路中由于硬件的時延,SPWM采樣時刻的誤差,以及為了防止同一相上下兩個橋臂同時導通而設置了死區。IM14400的最小死區時間tdead設為3μs。SPWM脈沖的每一個開關脈沖之前都要加一個至少3μs的死區時間tdead,當IM14400的開關周期Tg≥3μs,Tg和載波周期Tc相等,所以fc≤0.33MHz。IM14400要求輸入的最低PWM脈沖頻率5kHz,所以5kHz≤fc≤0.33MHz。死區和開關時延是限制fc提高的最主要因素。fc越大,Tg越短,tdead/Tg就越大,逆變器的輸出電壓諧波分布也越復雜。
綜上因素考慮,系統設計中選定fc=29.2kHz,它在20～100Hz的頻率范圍內,其載波比292<k<1460。
4.3FPGA內單相平均功率計算算法
平均功率公式[5]為:
將其離散化處理后得:
設計中,一個周期內電壓和電流都采樣256個點,則
5.應用程序設計部分
5.1VHDL硬件描述語言簡介
采用VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptiponLanguage）超高速集成電路硬件描述語言設計復雜數字電路的方法具有很多優點，VHDL語言的設計技術齊全、方法靈活、支持廣泛。
VHDL語言的系統硬件描述能力很強，具有多層次描述系統硬件功能的能力，可以從系統級到門級電路，而且高層次的行為描述可以與低層次的RTL描述混合使用。VHDL在描述數字系統時，可以使用前后一致的語義和語法跨越多層次，并且使用跨越多個級別的混合描述模擬該系統。因此，可以對高層次行為描述的子系統及低層次詳細實現子系統所組成的系統進行模擬。
5.2正弦波頂層設計程序
LIBRARYIEEE;--正弦信號發生器源文件
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYSINGTIS
PORT(CLK:INSTD_LOGIC;--信號源時鐘
DOUT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0));--8位波形數據輸出
END;
ARCHITECTUREDACCOFSINGTIS
COMPONENTdata_rom--調用波形數據存儲器LPM_ROM文件:data_rom.vhd聲明
PORT(address:INSTD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0);--6位地址信號
inclock:INSTD_LOGIC;--地址鎖存時鐘
q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0));
ENDCOMPONENT;
SIGNALQ1:STD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0);--設定內部節點作為地址計數器
BEGIN
PROCESS(CLK)--LPM_ROM地址發生器進程
BEGIN
IFCLK''''EVENTANDCLK=''''1''''THEN
Q1<=Q1+1;--Q1作為地址發生器計數器
ENDIF;
ENDPROCESS;
u1:data_romPORTMAP(address=>Q1,q=>DOUT,inclock=>CLK);--例化
END;
6結論
6.1取得的成績
本系統初步達到了基本要求，整個系統運行穩定，甚至能在三相電流都達到3安得情況下長時間工作。各項保護均能夠精確動作，測試效果比較理想。系統還擴展了頻率步進、手動緊急斷電等功能，并將頻率分辨度做到了0.01Hz但是測試失真度為4.8﹪—5﹪。
6.2存在的不足和今后的努力方向
輸入電壓為198—242伏，負載的電流有效值應為0.5—3安，輸出電壓有效值應保持在36伏，誤差絕對值應小于1﹪.然而受隔離變壓器提供的最大電壓限制，大負載情況下超出了反饋所能調節的最大范圍，輸出電壓出現了跌落，如果時間允許，可以通過采用更適合的濾波電感、電容，并且使用更精細的逐點控制算法，相信能使系統的帶負載能力和波形都得到一定程度的改善。
參考文獻
[1]楊素行.模擬電子技術基礎簡明教程[M].高等教育出版社，2005
[2]曾祥富，蘭永安.電工基礎[M].重慶大學出版社，2001
[3]丁斗章.變頻調速技術與系統應用[M].機械工業出版社，2005
[4]薛永毅，王淑英.新型電源電路應用實例[M].電子工業出版社，2003
[5]徐莆榮.高壓變頻調速技術應用實踐[M].中國電力出版社，2007
[6]王偉.電源技術教程[M].電子工業出版社，2004
[7]陳元虎,徐祖建,梅建偉,陳新舉.基于凌陽SPMC75F的三相變頻電源設計[J].湖北汽車工業學院學報，2008(02)
[8]李明星,韋益春.基于VACON變頻器的變頻電源在RTG油改電中的應用[J].變頻器世界，2008
[9]陸冬良，張代潤，李勇，范小波.獨立調壓調頻的數字化單相變頻電源的研究[J].電器應用，2006，25卷第五期
[10]孫靜.基于AVR單片機的三相正弦波變頻電源的設計[J].黎明職業大學學報，2007(1)
[11]周嚴，邱曉筱，周穎.基于IM14400的三相正選波變頻電源設計[J].國外電子元器件，2008（7）
[12]張華林.基于PIC單片機的三相正弦波變頻電源的設計[J].電子技術應用，2007（07）
[13]朱朝霞，楊其華，徐德鴻.正弦波輸出變壓變頻電源調制方式的研究[J].電源技術應用，2006(05)
[14]李娜，王京保.基于SPWM控制的三相變頻變壓電源的研究[J].機床電器，2006(05)
[15]陳曉明，羊彥，景占榮，張秀華.基于XC164單片機的智能化三相正弦波變頻電源[J].電源技術應用，2007(09)