当前位置:首页 >> 信息与通信 >>

单相正弦波变频电源报告


单相正弦波变频电源报告 徐慧兵 丁以胜 钱玉彬

本系统基于面积等效原理和奈奎斯特定理,采用 AC-DC 变换的方法,实现了市电 到直流电压的转换;采用 SPWM 逆变器实现本地 DC-AC 的转换,采用 DDS 产生频 率可变的 SPWM 脉冲,实现了本地交流电源的变频;采用 MAX197 采样、反馈,实 现了对本地交流电源有效值的控制以及缺相和过流保护。<

br />
一.方案的选择与论证
1.题目要求及相关指标分析 本题目要求制作以单相正弦波变频电源,输出线电压有效值 36V,输出频率 20-100HZ,各相电压的有效值小于 0.5V,输出负载电流 0.5A-3A 时,输出线电 压有效值保持在 36V,误差小于 5%。基于上述要求本设计采用 AC-DC-AC 变换的 方法,采用 SPWM 控制逆变器实现变频。由于逆变器的开关以及感性、容性负载 等对逆变器输出交流信号的延迟较严重,为了及时稳定变频电源的幅度,本设计 采用多片 A/D 同时采样输出交流信号。 2.方案的比较与选择 1) 正弦波脉宽调制实现方案的选择 (1) 自然采样法

三角波发生器 电压比较器 正弦波发生器

SPWM

图 1 自然采样法 按照 SPWM 控制的基本原理,在三角波和正弦波的自然交点时刻控制功率开关 器件的通断,这种生成 SPWM 波形的方法称为自然采样法,采用硬件实现时的方 框图如图 1 所示。 图 1 中三角波发生器负责产生符合要求的 SPWM 载波信号(三角波) ,正弦波发 生器产生用户需要频率的正弦波信号, 电压比较器在三角波和正弦波的自然交点 的时刻实现翻转,控制功率开关器件的通断。 自然采样法生成的 SPWM 波形很接近正弦波,若采用软件实现自然采样时需要
1

解超越方程,需要花费大量的时间,难以实现实时控制;若采用硬件实现,为了 控制逆变器功率器件的死区,需要很复杂的硬件来延时。 (2) 规则采样法 如图 2 所示取三角波两个正峰值之间的时间间隔为一个采样周期 Tc ,在三角 波的负峰值时刻 t D 对正弦信号波采样而得到 D 点, D 点作一水平直线和三角波 过 分别交于 A、B 两点,在 A 点时刻和 B 点时刻控制功率开关器件的通断。可见 A、 B 两点间的时间间隔就是脉冲宽度,则规则采样法得到的脉冲宽度为 T δ = c (1 + a sin ωr td ) a 为 调制 度, 即为 三角 波 和正 弦波 的峰 值之 比 , 且 2
0 ≤ a < 1 。 ωr 表示正弦信号的角频率。

设载波比 k =

fc , f c 、 f r 分别表示载波(三角波)的频率和调制波(正弦波) fr

的频率,则一个调制波周期内第 i 个脉冲的宽度为 ? ? 2π i ? ? δ i = a ? 0.5 + 0.5sin ? ?? ? k ?? ? 0≤i≤k。 (1-1)

由式(1-1)可以看出采用规则采样法,为了计算方便,需要在 ROM 中先创 建一个 k 点正弦波表,当采用异步调制时需要根据改变后的载波比,重新向 ROM 中写入正弦波表。这种 SPWM 生成方式比较适宜于采用同步调制。 (3)DDS 调制法 采用 AD9850DDS 集成芯片。AD9850 芯片由高速 DDS 电路合数据输入寄存器 和频率相位数据寄存器和高速 D/A 转换器和比较器组成。 由该芯片生成正弦波和 锯齿波,利用比较器进行比较,可生成 SPWM 波 综合比较,选用方案三

2)SPWM 调制方式的选择(异步调制) 载波信号和调制信号频率不保持同步的调制方式称为异步调制。 异步调制时 保持载波时钟频率 f c 不变,当调制正弦波的频率 f r 发生变化时,载波比 k 跟随变 化,在调制波的一个周期内 PWM 脉冲的个数不固定,相位也不固定。正负半周期 1 脉冲不对称,半周期内前后 周期的脉冲不对称,造成信号的谐波分量较丰富, 4 给后级滤波电路造成困难。 本设计的调制方式选择异步调制方式,载波频率固定为 16.8KHZ,最小载波 比 k =168。

二.系统总体设计方案和实现框图
2

1.系统总体设计方案 将市电通过隔离变压器输入到本地交流变频电源系统, 隔离变压器的输出经 过由整流桥后,产生全波整流信号,全波整流信号经过滤波,生成与输入交流电 对应的直流电,从而实现 AC-DC 的转换。本设计的全波整流桥采用集成整流桥 KBL406。 单相逆变器在 89S52 和 AD9851 产生的单相 SPWM 脉冲的控制下产生单相 交流电。逆变器的输出交流电的频率等于 SPWM 脉冲的基波频率,通过控制 FPGA DDS 模块的可控分频比 N ,实现对调制正弦波频率的控制, SPWM 脉冲的基波频 率等于调制波的频率,系统采用这种方法实现变频。逆变器输出的单相交流电经 过缓冲吸收和 LC 滤波电路,生成本地单相正弦交流电。将锰铜片分别串的到单 相交流电的相线中, 通过采集锰铜片上的电压, 实现对该相交流电的电流的测量。 由于锰铜片的电阻只有 2mΩ, I/V 转换后的电压信号很小,通过专用的小信号差 分放大器 AD620 实现对电流取样小电压信号的放大。

2.系统实现框图

市电

隔 离 变 压 器

整 流 电 路

滤 波 网 络

单 相 逆 变 器 控制

缓 冲 电 路

滤波电路

单 相 电 流 取 样

单 相 负 载

单 相 线 电 压 取 样

键 盘 显 示

89S52

FPGA

MAX197 采 样 组

电压放大网络

射随网络

测频

过零比较

放大限幅

图4

变频电源系统框图

三.理论分析与计算 1.整流电路设计

3

图 5 整流电路
图5所示为本系统的整流电路,隔离变压器将系统地和市电电网隔离开,抑 制电网噪声干扰,全波整流桥实现对交流信号的全波整流,全波整流的结果是将 对地对称交流信号的负电压部分对称地翻折到地电平以上,滤波电容 C0 求出该 信号中的直流电压,实现 AC-DC 的转换。分压电容 C1 , C2 的参数一致,保证输 出系统地的电势介于 DC Out 的电势 和 N 端电势的中点,这种地线引出方式是 为了保证逆变电路输出的交变信号是双极性的,并且对系统地直流偏置电压为 0。 实际电路中由于分压电容 C1 , C2 的参数的不一致, 导致逆变电路输出的交变信 号有直流偏置,因此在分压电容 C1 , C2 的后级并入对称的分压电阻 R1 、 R0 ,以抑 制分压电容 C1 , C2 的参数不一致造成的影响。为了保证整流电路有较好的负载特 性,应该选择阻值很小的电阻,但是阻值过小将导致电路的功耗过高,本设计选 择的电阻值为 1kΩ的大功率电阻。假设全波整流桥的整流特性以及各器件的特 性理想, 设隔离变压器的输出电压信号为 u ( t ) = A sin ωt , 则对全波整流桥的输出 电压信号的一个半波求直流分量,则 U avr
2A

2 T 2A = ∫ 2 A sin ωtdt = ,因此整流电路 0 T π
2A2 , R = R1 = R0 。 π 2R

的输出电压 U out =

π

,则分压电阻 R1 、 R0 的功耗为 P =

2.SPWM 逆变电源的谐波分析
通过 AD9850DDS 输出正弦波和方波,再对方波进行积分电路调理,可以实现频率 任意可调的三角波和正弦波,通过比较器 LM311 产生 SPWM 波,

4

+5V Cp3 0.1uF +5V Rp1 68K Cp1
三三三 音音

+5V +5V 8 Rp3 68K 5 3 7 2

+5V Rp5 1K PWM

GND 0.1uF 22uF

U3 LM311N 6

Rp2 68K

Rp4 68K

GND GND GND

三角波和正弦波经过 LM311 比较器后的 SPWM 波
利用反向器集成芯片 74HC14 实现 PWM 信号的反向,互补的两路信号分别驱动两个 推挽结构,输出两路驱动信号 PW1 和 PW2,送往 IR2110 进行驱动 IRF540。为提供较大驱

5

4 1

Cp2

动电流,将反向器并联使用。方案三综合了前两个方案的优点,实际测试中效果良好,信号 的高低电平转换的延时时间约为 200ns,且两路信号互补对称

U4F 13 12 MM74HC14N U4E PWM 11 10 MM74HC14N U4D 9 8 MM74HC14N

+5V

+5V Qp2 8050D PWM2 Qn2 8550D 6 U4B 4 3 U4A MM74HC14N 2 U4C 5 MM74HC14N MM74HC14N 1 PWM

Qp1 8050D PWM1 Qn1 8550D

GND

GND

经过反相器 74HC14 的两路 SPWM1 和 SPWM2

6

3.逆变电路设计
输出逆变电路应采用桥式逆变电路, 这样就需要有两个高边驱动电路, 为了简化驱动电 路,驱动电路可以选择两只 IR2110 半桥驱动器构成全桥驱动电路。输出侧逆变电路中开关 管可以选择耐压 100V 的 MOSFET,如 IRF540。这样输出逆变电路如下图所示

逆变电路

7

经过 IR2110 驱动 IRF540 后的输出波形 对 IR2110 驱动 IRF540 输出的波形进行二阶无源滤波解调输出正弦 波。

经过低通滤波后的波形 4 电压电流功率有效值测量 逆变输出的信号经过低通滤波, 单相电流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 AD637 电路构成。
8

AD637 内部电路

AD637 精确调整电路 AD637 在测试时,可以输入 1V 直流电,实际输出也为 1V 直流电, 当逐渐增大输入直流电时,会有 0.02 到 0.2V 的电压误差。当输入峰 峰值为 2V 的交流电时,理论值输出值为 0.707V,但是实际输出值会 比其值大。随着输入的交流电增大,其误差也会逐渐增大,有 0.4 到 1.2V 的误差范围!为消减误差范围,可以在 AD637 的 13 输入端串
9

接一个电阻,具体值大小要在电路中测试,但是其电阻要大于 150 欧 姆,否则会因电流过大引起芯片烧毁,切记!

5 测频电路设计



测频电路

如图 所示前级放大器 LM741 的输入来自于相电压的电压衰减网络, 该衰减 网络的输出电阻很大,为了实现衰减网络和测频电路的阻抗匹配,在测频电路的 输入端加上一级射随。 电压衰减网络将峰值为 30V 的相电压衰减为峰值为 4V 的 电压信号,为了抑制由于衰减网络参数不稳定引入的寄生调幅,在测频电路中加 入一级放大限幅电路,后级的 LM311 和两个电阻构成迟滞比较器,能够很好的 抑制地比较器输出脉冲沿上的抖动,使输出的脉冲具有干净的沿,便于后级 FPGA 测频。

三 测试数据与分析 1.系统测试方框图
三相电阻箱

单相正弦
单 相 自 耦 调 压 器 隔 离 变 压 器

交流电压表 交流电流表 失真度测试仪

波变频电 源系统

数字示波器
10

直流稳压电源

输入端分别用交流电压表,交流电流表测量该相的电压、电流有效值,用示 波器测量相电压的输出频率,与系统测量的电压有效值、电流有效值、频率值对 比。功率的测量是建立在电压有效值、电流有效值测量的基础上,功率等于电流 与电压的有效值之积

四 总结分析与结论
根据本设计的理论分析与实际测试结果表明: AD9850DDS 配合外围电路产生三角波和正弦波,再经过 LM311 实现 SPWM 波 是可行的.SPWM 输入 IR2110 驱动场效应管 IRF540 时输出的波毛刺比较严重,因 为 IRF540 栅极加的电阻不能过大,在 10 欧姆到 20 欧姆之间比较适合。IR2110 连接 6 和 5 的二极管选用快速恢复二极管比较好,如 MUR1560。场效应管可以考 虑换成 2SK1358 或者 IRF840 专门的功率管,效果应该会好很多!在有效值测量 电路中,要注意 13 输入端串联的电阻要起码大于 150 欧姆,不要用太小的电阻 去调试电压!

八.参考文献 [1]王兆安 黄俊.电力电子技术[M] .北京:机械工业出版

社.2002 年第四版 [2]李瀚荪.电路分析基础[M] .北京:高等教育出版社.2002 年第四版 [3]邓星钟 朱承高.机电传动控制[M] .武汉:华中科技大

学出版社.2004 年第三版 [4]陈颖 张俊洪. SPWM 逆变电源的谐波分析及抑制策略 [J]船 . 电技术.2005 年第一期 [5]Ed Palko.Living with Power System Harmonics[J].Plant Engineering.June 18.1992.Page48-53 [6] 朱晓琴.一种宽变频范围的数字式变频电源[J] .电气应 用.2005 年第 24 卷第二期 [7]张凯 张一飞.DDS 技术在变频电源中的应用[J] .数控

技术.2004 年第四期
11


相关文章:
单相正弦波变频电源设计
单相正弦波变频电源设计_工程科技_专业资料。变频电源摘要随着现代工业和科技的发展,电源在工作、生活等方面的作用越来越重要但许多用 户的用电设备并非直接使用通用交...
单相正弦波变频电源设计开题报告
毕业设计(论文)开题报告 单相正弦波变频电源设计 系专 部: 业: 学生姓名: 学生姓名: 指导教师: 指导教师: 开题时间: 开题时间: 2012 年 3 月 26 日 一、...
D题-单相正弦波变频电源
(6)7月28日20:00 竞赛结束,上交设计报告、制作实物及《登记表》 ,由专人封存。 D 题:单相正弦波变频电源 【本科组】 1.任务设计并制作一个单相正弦波变频...
单相正弦波变频电源的设计hxj
单相正弦波变频电源的设计 摘要:介绍由单片机和 SA4828 研制的单相变频电源。提出了用高精度三相可编程 PWM 集 成芯片 SA4828 与 89C52 单片机控制技术相结合的...
单相正弦波变频电源设计开题报告_图文
毕业设计(论文)开题报告 单相正弦波变频电源设计 系专 部: 业: 学生姓名: 指导教师: 开题时间: 2012 年 3 月 26 日 一、总体说明 在开题报告中要求给出你...
单相正弦波变频电源_论文1
电力电子装置课程作业 《单相正弦波变频电源》设计报告 小组成员:姓名 班级 学号 1 单相正弦波变频电源摘要 该变频电源以 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320F2812 为主控...
单相正弦波变频电源
(D 题)单相正弦波变频电源 摘 要 本设计电路使用 NE5532 组成一个文氏电桥振荡器,它的特点是起振容易,波 形失真很小,频率也很稳定,其震荡频率由电阻电容决定,...
2016年TI杯大学生电子设计竞赛题D-单相正弦波变频电源V3
2016年TI杯大学生电子设计竞赛 D 题:单相正弦波变频电源 1. 任务设计并制作一...(9) 设计报告项 方案论证 理论分析与计算 电路与程序设计 测试方案与测试结果 ...
单相正弦波变频设计
单相正弦波变频电源报告 11页 免费 单相正弦波逆变电源设计 22页 免费 单相正弦波...单相正弦波变频电源摘要 该变频电源以 TI 公司的 430 芯片 msp430fe427 为主控...
单相正弦波变频电源
单相正弦波变频电源报告 11页 免费 单相正弦波变频电源设计 6页 5财富值 单相正弦波...单项正弦变频电源,输出电压有效值20V,电流2A单项正弦变频电源,输出电压有效值20V...
更多相关标签: