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1、三相正弦波变频电源G题摘 要:本三相正弦波变频电源的设计基于三相交流电、PWMPulse Width Modulation脉冲宽度调制控制、逆变电路、FPGA及单片机等原理,完成了输出线电压有效值36V,最大负载电流有效值3A及测量该变频电源输出电压、电流、频率和功率的功能,同时还具有过流保护、负载缺相保护及负载不对称保护等功能。该三相正弦波变频电源包括整流电桥、滤波电路、逆变电路、缓冲电路、保护电路、小电流放大采样电路、大电压分压采样电路、FPGA控制PWM调制、单片机控制采样及显示界面等九大部分。其中逆变电路采用芯片IM14400来实现,小电流放大采用仪表放大器AD620来实现准确放大,大
2、电压分压采用金属薄膜精密电阻来实现精确分压,输出电压、电流的测量采用有效值芯片AD637,频率的测量在FPGA中采用等精度测量的方法实现。关键词：三相正弦波,变频,PMW脉冲宽度调制,逆变Abstract:This three-phase sine wave frequency conversion power supply is based on the principles which are three-phase alternating current, pulse width modulation, contradictory change circuit, FPGA and MCU
3、. This power supply can export the virtual value of line electricity voltage which is 36V, and the maximum virtual value of the load current is 3A. This power supply also can survey the outputs of voltage, current, frequency and power. At one time, the power supply can protect itself when the curren
4、t is excessive, or the load is short of three-phase, or the load is not asymmetry. This power supply is consisted of 9 parts which are commuting electric bridge, filter circuit, contradictory circuit, buffer circuit, litter current magnifying and sampling circuit, large voltage dispart and sampling
5、circuit, FPGA controlling PWM modulation, MCU controlling sampling and display interface. The contradictory circuit uses IM14400 to meet the needs in the subject. The amplification of litter current uses the instrument amplifier AD620 to achieve precise amplification.The dispart of large voltage use
6、s metal film precision resistance to realize precise voltage dispart .The measurement of the outputs of voltage and current uses the virtual value chip AD637.The measurement of the frequency adopts the same precision measurement in FPGA to meet the needs. Key words:three-phase, frequency conversion,
7、 PMW ,contradictory change目 录一、方案论证31.题目任务要求及相关指标分析32.逆变部分及控制器的方案选择与论证33.调制方式的选择与论证34.电压电流测量有效值方案的选择与论证4二、系统总体设计方案及实现方框图41.总体方案设计42.系统框图4三、理论分析与计算51. PWM控制技术的原理分析52.PWM逆变电路的原理分析6四、主要功能电路的设计71.滤波电路的设计72.缓冲电路的设计73.电流取样电路的设计74.电压取样电路的设计85.频率测量电路的设计86.逆变集成模块外围电路9五、系统软件的设计91.总体设计思想92各部分模块说明103.流程图11六、测试部
8、分111.测试方法111.测试框图112.测试方法122.测试仪器12七、总结分析与结论12八、参考文献12一、方案论证1.题目任务要求及相关指标分析题目要求制作的三相正弦波变频电源,能输出线电压有效值为36V,最大负载电流为3A,负载为三相对称阻性负载Y接法。变频电源框图如图1所示。图1 题目所给出的框图根据此框图,由于隔离变压器已经提供,整流部分使用整流电桥即可实现,三相负载根据题目要求需要接成Y接法,故方案的选择与确定主要在逆变部分和控制器部分。又根据发挥部分2,要求测量该变频电源输出电压、电流、频率和功率,这就涉及到对产生有效值方案的选择。下面就对这几部分进行方案选择与论证。2.逆变部
9、分及控制器的方案选择与论证简单来说,逆变就是将直流电转换为交流电。有赖于逆变电路发展起来的PWMPulse Width Modulation控制技术是基于面积等效原理,对脉冲宽度进行调制,来等效得到所需波形。现有逆变电路集成模块IM14400,故只需对PWM控制方法进行相关的选择与论证即可。方案一：计算法。若给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期的脉冲数,PMW波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。根据计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断,就可以得到所需要的PWM波形。方案二：调制法。将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PMW波形
10、。 比较以上两种方案,可以看到计算法较为复杂,且当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位发生变化时,结果都会产生变化。故采用调制法。调制还涉及到调制方式的选择,下面来讨论调制方式的选择与论证。3.调制方式的选择与论证方案一：同步调制。在PWM控制电路中,载波频率与调制信号频率之比称为载波比。当载波比N等于常数,并在变频时使载波和信号保持同步的方式为同步调制,方案二：异步调制。载波比N是变化的,通常保持载波频率固定不变,这种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。分析以上两种方案,对异步调制,当信号波频率较低时,载波比N较大,一周期的脉冲数较多,正负半周期脉冲不对称和半周期前后1/4周期
11、脉冲不对称产生的影响都较小,PWM波形接近正弦波。当信号频率增高时,载波比N减小,一周期的脉冲数减少, PWM脉冲的不对称的影响就变大。三相输出的对称性也变差。虽然同步调制较异步调制复杂,但用单片机控制时也较容易实现,本设计中为保证输出波形失真度小,选择同步调制方式较好。4.电压电流测量有效值方案的选择与论证对有效值的测量有以下两种方案：方案一:采用软件计算有效值。对电压、电流取样后经MAX197进行A/D转换,而后在FPGA中进行有效值计算。方案二：采用有效值芯片AD637。AD637精度较好,误差较小,可以用来直接对电压计算有效值。由于手头上有有效值芯片AD637,且方案一用软件计算的方法
12、较方案二复杂,选择方案二可以减小软件设计的工作量,故本设计采用方案二。二、系统总体设计方案及实现方框图1.总体方案设计根据题目要求如方案论证的1.题目任务要求及相关指标分析部分及题目所给框图如图1,由隔离变压器输出60V交流电经整流电桥,经滤波1滤除非直流部分,得到直流信号,输入逆变集成模块IM14400,FPGA控制PWM波形的产生,经缓冲电路、滤波2滤除高频成分,即输出三相交流电。由于输出电压为36V,系统工作时产生的热量较高,故普通电阻不适合用来取电流,必须使用温度系数较低的锰铜电阻,同时由于锰铜电阻的阻值为毫欧级,取电流实质上是取电阻两端的电压,故取出的电压较小要进行仪表放大后才适合采
13、样。而大电压的采样就要使用精密电阻来进行分压采样。系统框图如图2。2.系统框图根据以上分析,系统框图如下：三、理论分析与计算1. PWM控制技术的原理分析PWM控制技术的重要理论基础为面积等效原理,下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波。将图3的正弦半波分成N等份,把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等,但幅值不等,且脉冲顶部不是水平直线,而是曲线,各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用相同数量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的正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应正弦波部分面积相等,即得到图3所示的脉冲序列,这就
14、是PWM波形。根据面积等效原理,PWM波形和正弦半波是等效的。图3 用PWM波代替正弦半波三相PWM逆变电路的波形如图4,基本原理同图3所示。通常采用等腰三角波作为载波,因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称,当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时,如果在交点时刻对电路中的开关器件的通断进行控制,就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲,这正好符合PWM控制的要求。图4 三相PWM逆变电路波形从图4中,我们看到PWM波等效对应的相电压与原调制信号相同。基于这种原理,用软件产生三路PWM波形,如图4、3、4,相互叠加即可以产生三相交流电。2.PWM逆变电路的原理分析如图5所示为
15、三相桥式PWM型逆变电路,这种电路通常采用双极性控制方式。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角波载波,三相调制信号、和依次相差。U、V、W各相功率开关器件的控制规律相同,现以U相为例来说明。当时,给上桥臂以导通信号,给下桥臂以关断信号,则U相相对于直流电流假想中点的输出电压。当时,给以导通信号,给以关断信号,则。和的驱动信号始终是互补的。V相及W相控制方式都和U相相同。图5 三相桥式PWM型逆变电路四、主要功能电路的设计1.滤波电路的设计跟据题目要求及系统框图如图2,本设计有两处用到滤波器。其一,电容滤波器。在整流电桥后接一个电容滤波,目的在于滤除整流后的非直流成分。此处所用电容要求温度系数小,且能耐高温,聚苯电容适用于工作环境温度变化大而容量变化小稳定性要求高的电路,是较好的选择。其二,输出正弦波滤波器。在逆变电路输出缓冲后接一个LC滤波器,目的在于滤除三相正弦波信号高频成分,使最终输出波形为正弦波,以减小对外的谐波干扰,同时也起到对电源自身的保护作用。输出滤波器的原理图如图6。电感L1、L2和电容C1组成低通滤波器滤除线电压中的高次谐波,电感L1、L2和电容C3组成低通滤波器滤除线电压中的高次谐波,
