正弦波三相变频电源的设计.docx

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正弦波三相变频电源的设计

三相正弦波变频电源的设计

摘要

本设计分为：

三相SPWM信号的生成、逆变回路及其驱动和输出的测量显示。

选择电机控制专用DSPTMS320LF2407生成SPWM信号。

逆变电路主回路采用智能功率模块（IPM）。

输出测量采用电压电流传感器来实现电隔离。

为加快速度，采用独立于DSP的PIC单片机实现输出的测量。

关键词：

　变频；SPWM；DSP；PIC单片机

Abstract

Thedesignisabouttri-phasesinusoidalfrequencyconversionpower.

Threepartsareincluded:

generatingtri-phaseSPWMsignal,invertercircuitanditsdrivecircuit,outputmeasuringanddisplay.DSPTMS320F2407isusedasthecontrollerinthesystem.IPMisusedintheInvertermaincircuit.Voltageandcurrentsensorisusedinthemeasuringofoutput,itcaninsulatethecontrolcircuitconveniently.PICmicrocontrollerisusedindependentlytomeasureanddisplayoutput.

Keywords:

frequencyconversion,SPWM,DSP,PICmicrocontroller

一．方案论证与比较

1．1变频电源逆变方案

根据题目的要求将交流电经整流后，经过逆变从而产生三相正弦波电源。

而实现三相正弦波变频电源的关键在于逆变过程。

对于小功率逆变电路一般都采用PWM技术，为了实现正弦波变频电源，本设计采用了SPWM技术。

实现SPWM有以下几种方案。

方案一：

采用规则采样法。

规则采样法一般采用三角波作为载波。

其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。

方案二：

采用自然采样法。

以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。

其优点是所得SPWM波形最接近正弦波。

方案三：

采用自然采样法，但不采用计算的方法求得载波与调制波的自然交点时刻，而是由软件形成一个正弦表，通过软件查表的方法来比较载波与调制波的大小，进而控制脉宽来生成SPWM波。

这种方法同样具有自然采样法生成SPWM波形接近正弦波的优点，同时不需要大量的计算。

方案的选择：

方案一是一个较通用的方案，方案二由于计算繁琐，不适用于实时控制。

而方案三既具有接近正弦波的优点又避免了大量的运算。

同时对于现在的控制器来说，软件生成一个较大的正弦表是可以做到的。

故本设计采用方案三。

1.2逆变器件方案

方案一：

利用分立元件。

通常采用6个IGBT作为开关器件，组成一个三相桥式逆变电路（如图1-1），然后再做一套IGBT的驱动电路，即可实现一个逆变电路。

图1-1三相桥式逆变电路

方案二：

利用集成的智能功率模块（IPM），它内部不仅仅包括桥式逆变电路和驱动电路，外围电路简单，还具有多种保护的功能。

方案的选择：

两种方法都可以实现逆变电路的功能。

但方案一所需外围电路复杂而采用方案二电路简单，故采用方案二。

避免了由于分立元件过多而引起过多的问题。

增加了电路的可靠性和安全性。

1.3测量系统方案选择

方案一：

采用电流,电压传感器将线电压线电流转化成较小的电量，之后使用集成真有效值/直流转换器和乘法器测量有效值和功率，使软件设计简单，具有较高的精度。

方案二：

采用传感器将线电压线电流转化成较小的电量后，由单片机PIC18F452控制内置AD对信号进行采样，存储并对存储的数据进行分析计算，进而得到有效值和功率。

此方法硬件，软件上都容易实现，并同样具有较高的精度。

方案的选择：

以上两个方案功能上，精度上都能满足题目要求，但方案一使用的器件较为昂贵，性价比不高。

而方案二使用单片机系统对数据分析得到测量量，充分发挥器件的作用，具有较高的性价比，故选择方案二。

二．方案的实现及模块电路

2.1系统框图

总体系统框图如下图所示（图2-1）：

图2-1系统框图

2.2变频电源方案实现

2.2.1器件的选择

2.2.1.1控制器的选择

由于变频电源需由控制器完成SPWM控制，需要大量的计算，普通单片机难以胜任，故我们在设计中选择DSP作为控制器。

我们选择TM320LF2407A，它是电机控制专用芯片，其内置PWM发生器等资源非常适合题目需要。

2.2.1.2逆变路电的器件选择

逆变电路核心单元主要采用三菱公司的智能功率模块（IPM）PM30CSJ060。

PM30CSJ060因其饱和压降低、保护功能丰富、额定电压为600V、额定电流为15～75A，而特别适用于低频逆变系统。

PM30CSJ060内部电路，如下图所示（图2-2）。

图2-2PM30CSJ060内部电路

PM30CSJ060内部设有门极驱动控制电路、故障检测电路和保护电路，采用带有电流传感器的IGBT芯片。

内置IGBT芯片带有许多起电流传感器作用的小单元，这些小单元的信号反馈到比较器上，以检测IGBT的主电流。

2.2.2变频电源主要硬件电路设计

2.2.2.1主电路的设计

a.主电路的框架图（图2-3）

图2-3主电路的框架图

b．主电路电源整流

主电路电源经过桥式全波整流后进行电容滤波，生成直流电，作为逆变电路的直流电源。

为保证系统安全性，交流电源入口处串联5A保险管。

下面画出了主电路主电源输入的整流部分的电路图（图2-4）。

图2-4整流电路

c.电路工作电源设计

同时设计了系统工作所需要的四路直流稳压电源。

下面画出了其中一路电源电路（图2-5）

图2-5电源单元电路

2.2.2.2信号的光耦隔离

DSP控制信号与PM30CSJ060之间通过高速光耦6N137进行隔离，隔离电路如图2-6所示。

图2-6隔离电路

2.2.2.3反馈电路设计

下图（图2-7）为由电压传感器输出信号反馈给DSP的反馈电路电压输出36V。

电路主要由一个滞回比较器构成。

当输入电压比预置电压高时输出低电平，反之输出高电平。

输出的信号送给DSP处理。

图2-7电压传感器反馈电路

2.3测量系统方案实现及模块电路

2.3.1测量系统方案实现

测量系统的设计主要为：

利用单片机系统，通过电流传感器，电压传感器对线电压，线电流进行转换后，经过调理电路送入A/D，A/D经数模转换后送给单片机，对数据进行处理，计算。

计算后通过液晶屏显示所测量的输出量，并显示出被测信号的波形。

同时实时检测电流有效值，当电流有效值大于3.6A时，立刻通过I/O口控制过流保护模块切断主回路来实现过流保护。

系统结构框图如下图所示（图2-8）：

图2-8测量系统结构框图

2.3.2测量系统控制器的选择

测量系统的控制器选择单片机PIC18F452，它是八位RISC指令集单片机，本系统使用系统时钟20M。

内置32kFLASH,1.5kRAM,内置10位8通道A/D。

其强大的功能，和较高的速度可以满足对信号采集和数据计算处理的要求。

2.3.3电流检测

测量系统采用电流传感器为BLF-S7系列中的BLF100-S7，它是应用霍尔效应的开环电流传感器，一般用于测量直流、交流及脉冲电流，原、副边回路之间高度电绝缘。

被采样电流经过电流传感器转换成电压信号，我们所用的A/D为单片机PIC18F452内置的十位八通道A/D，参考电压为5v。

经电流传感器之后的电压如果想被A/D使用，需要加上调理电路以达到A/D的使用要求。

由运放组成的调理电路如图（图2-9）：

图2-9电流检测单元调理电路

2.3.4电压检测

测量系统采用的电压传感器为LV28-P，它是应用霍尔原理的闭环（补偿）传感器，具有出色的精度和良好的线性度，低温漂等优点。

同电流传感器相同，电压传感器也需要对其输出信号进行调理后才能输出给AD。

2.3.5滤波及对单片机内置AD的过压保护

由于被测信号频率为0－100Hz，故信号经调理后经过一阶阻容低通滤波后，送至A输入。

因为AD输入的参考电源为0－5V为防止信号电压过大对AD造成破坏，在信号送至AD之前还要经过5.1V稳压管。

滤波及对AD的过压保护如图（图2-10）：

图2-10单片机内置AD的过压保护电路

三．软件设计

3.1.DSP主程序流程

DSP产生SPWM波形主程序程序流程图如下图所示（图3-1）

图3-1DSP控制流程图

3.2SPWM波实际产生算法

SPWM波的产生，首先存入DSP的FLASH中512点正弦表，读取正弦表每两个点之间的时间间隔既可决定输出正弦波的频率，而正弦表两个点之间时间间隔由定时器2决定。

所以输出交流电源的频率与定时器2的计数值n有如下关系：

（3-1）

对于不同频率根据公式（3-1）计算出正弦表中每两点对应的计数值n，作为定时器2的周期值，同时将周期数进行累加，在定时器1周期中断时，将累加值取出作为递增角度偏移，并将查表所得正弦值作为比较值赋给比较寄存器。

通过外部按键可改变n，即可改变输出正弦波频率，进而实现变频的功能。

3.3测量系统软件设计

测量系统软件主程序分为键盘扫描，波形显示，数据计算，测量显示几个部分。

下图为测量系统的主流程图（图3-2）：

图3-2测量系统的主程序流程图

四.测试仪器与测试方法

4.1测量仪器

交流调压器：

0~250V交流可调

示波器：

RIGOLDS5062CA数字示波器

万用表：

胜利VC97数字万用表

负载：

电阻50W20Ω（±5%）3个

4.2测试方法

在隔离变压器前加入自耦变压器调整输入电压，在输出端分别接入三个功率电阻（Y接）模拟负载输入。

在所有电源和控制信号连接无误时，可以进行调试。

测试过程：

a.接入IPM模块，接入自耦变压器（用于调整数与电压），主电路输出接入准备好的功率电阻（Y接）。

上电测试。

调整自耦变压器的输入，同时用示波器观察输出波形；

b.断电后在输电路中接入电感和电容，进行滤波。

上电测试，调整自耦变压器的输入，同时用示波器观察输出波形；

c.输出接入负载。

首先，调节自耦变压器使输入电压在198V~250V之间变化，测试输出电压。

然后，使输入为220V，通过调节按键来调节频率，测试变频范围。

最后，将频率定在50Hz时，测试输出波形的失真度；

d.通过改变输出负载，测试输出电流范围；

4.3测量数据及数据分析

4.3.1功率输出波形

未加入滤波时输出电压波形如下图所示（图4-1）。

图4-1未滤波时输出电压波形

加入滤波后的输出电压波形如下图所示（图4-2），从图中可以看到波形无明显失真。

图4-2加如滤波后输出电压波形

4.3.2输入电压198V~250V，测试输出电压

测量工具：

胜利VC97数字万用表

次数

1

2

3

4

5

输入

电压

192V

35.13

35.36

35.17

35.33

35.24

220V

36.05

36.15

36.09

36.25

36.13

250V

36.17

36.12

36.33

36.37

32.22

4.3.3220V、50Hz时输出波形（图4-3）

图4-3输入电压220V频率为50Hz时输出波形

4.3.4电流测量

测量工具：

胜利VC97数字万用表

通过改变负载电阻，电流输出0~5.2A

4.3.5测量系统测试结果部分

对10~100Hz36V三相变频电源输出进行测试

频率：

50Hz，实际电压有效值：

36.02V

电流

0.5A

1A

2A

3A

实测电压

36.17V

36.14V

36.17V

35.86V

电流测试

实际电流

0.5A

1A

2A

3A

实测电流

0.52A

1.02A

2.03A

2.94A

频率测试实际U：

36V,I:

1A

实际频率

10.01Hz

49.98Hz

60.01Hz

100.02Hz

实测频率

10.09Hz

50.12Hz

60.05Hz

99.6Hz

4.4测量结果

变频范围：

6Hz~120Hz

频率控制精度：

1Hz

输入电压：

190~250V

输入电压绝对值小于：

5%

电流范围：

0~5A

输出电压幅值可调,可以连续稳定在36V工作（绝对误差小于4%）

相电压的输出无明显失真

液晶可以进行电压、电流、频率、功率的显示，并且测量误差小于5%