毕业设计单相变频电源设计-精品.doc

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毕业设计

单相变频电源设计

专业

电气工程及其自动化

学生姓名

倪玲

班级

B电气041

学号

0410610121

指导教师

陈荣

完成日期

2008年6月17日

单相变频电源设计

摘要：

随着电力电子技术的飞速发展，变压变频电源已被广泛应用在各种领域中，与此同时，系统对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求。

对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：

一是稳态精度高；二是动态性能好。

因此，研究开发既简单又具有优良动、静态性能的逆变器，已成为电力电子领域的研究热点。

在阐述单相全桥式变频电源原理的基础上，讨论了变频电源主电路主要器件参数的设计。

为了提高输出波形质量，采用了基于脉宽调制器SG3525芯片的闭环控制电路，详细介绍了SG3525的应用特点，并分析了脉宽调制器SG3525产生脉宽调制波的形成过程，以及由SG3525控制的单相变频的实现原理。

经分析结果表明，这种控制方式可实现逆变电源变压、变频，控制系统简单可靠，使用灵活，适用性强，具有良好的应用前景。

关键词：

正弦波脉宽调制（SPWM）；变频电源；闭环控制；逆变

Designofthesingle-phasefrequency-variablepowersupply

Abstract:

Withthepoweroftherapiddevelopmentofelectronictechnology,variablevoltageandvariablefrequencypowersupplyhasbeenwidelyappliedinvariablefields,atthesametimethequalityoftheoutputvoltagewaveforminthevariablefrequencypoweralsomadeincreasingdemands.Theinverteroutputwaveformqualityrequirementsincludetwoaspects:

First,steady-statehighprecisionandtheotherisagooddynamicperformance.Therefore,theresearchanddevelopmentissimpleandhasanexcellentdynamicandstaticperformanceoftheinvertercontrolstrategy,whichhasbecomeapowerelectronicsresearchinthefieldofoneofthehotspots.

Thispaperintroducesthedesignofthemainelementsinthemaincircuitofthesingle-phasefrequency-variablepowersupply,adoptstheclosed-loopcontrolmethodwhichisbasedonpulsewidthmodulationICSG3525toimprovethequalityoftheoutputwaveforms.ThispaperdescribesthecharacteristicsofSG3525,analysestheformationprocessofmakinguseofsinepulsewidthmodulatingsignalsproducedbytheSG3525andthecontroltheoryofthesingle-phaseinverteronSG3525.Theexperimentalresultshowsthatthiscontrolmethodtoachievevariablevoltageandvariablefrequencyoutputofthepowerandthepowersupplyhasagoodapplicationprospectwiththeadvantagesofreliability,feasibilityandadaptability.

Keywords:

sinusoidalpulsewidthmodulation（SPWM）;frequency-variablepowersupplier;theclosed-loopcontrol;inverter

目录

1绪论 5

1.1课题的研究背景 5

1.1.1电力电子技术的发展 5

1.1.2变频电源的发展 6

1.1.3变频技术的发展动向 6

1.2课题研究的意义 7

2系统方案论证与设计 8

2.1系统方案论证 8

2.1.1结构方式 8

2.1.2构成变频电源方式 10

2.1.3电压源型变频器和电流源型变频器 11

2.2系统结构组成 11

3变频主电路的设计 12

3.1电路构成 12

3.2变频电源的工作原理 12

3.2.1交—直部分 13

3.2.2直—交部分 16

3.3输出滤波电路设计 18

4功率器件的驱动和保护电路设计 19

4.1M57962L驱动电路的简介 19

4.1.1引脚排列及主要性能参数 20

4.1.2M57962L模块具有以下特点：

21

4.1.3M57962L工作原理 21

4.2IGBT保护电路 21

4.2.1过流保护 21

4.2.2过压保护 22

5逆变器控制系统的设计 23

5.1SPWM控制技术 23

5.1.1PWM调制法基本原理 23

5.1.2SPWM波形生成方法的分析 23

5.1.3SPWM的约束条件 26

5.1.4SPWM调制方法 26

5.2SPWM控制电路设计 27

5.2.1SG3525的电路组成及各部分功能 27

5.2.2SG3525应用电路 29

5．3单片机接口电路设计 30

5.3.1A/D转换接口电路设计 30

5.3.2D/A转换接口电路设计 33

6结束语 37

致谢 38

参考文献 39

附录 40

1绪论

1.1课题的研究背景

1.1.1电力电子技术的发展

1957年，美国研制出世界上第一只普通的（400Hz以下）反向阻断型可控硅，后称晶闸管。

它是一种半控型器件，用它组成的电路简称半控型电路，其基本特点是容量大，但电路结构复杂，开关频率低，功率密度和整机效率不高。

经过60年代的工艺完善和应用开发，到了70年代，晶闸管己形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。

在这期间，世界各国还研制出一系列的派生器件，如不对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、门极辅助关断晶闸管、光控晶闸管以及80年代迅速发展起来的可关断晶闸管。

70年代，晶体管进入工业应用领域，由于晶体管具有自关断能力且开关速度可达20KHz，是一种全控器件。

在PWM技术中一度得到了广泛的应用，并促使装置性能进一步提高和传统直流电源装置的革新，但因晶体管是一种电流控制型器件，开通增益有限，这对驱动电路的设计和能耗而言都是一个负担，另外还存在二次击穿、不易并联以及开关频率仍然偏低等问题。

比较而言，功率场效应晶体管MOSFET是一种电压控制型自关断器件，具有驱动功率低、安全工作区宽（几乎不存在二次击穿问题）、漏极电流为负温度特性（易并联）、输入阻抗高等优点，同时又是一种高频器件，能够在高频硬开关环境中工作。

工作频率达到几十千赫至数百千赫，低压管甚至可达兆赫。

功率场效应晶体管优点突出，但其导通电阻与耐压大小成正比，这就限制了它在高频、大功率领域的应用。

基于晶体管和功率场效应晶体管的优缺点，80年代电力电子器件最引人注目的成就之一就是开发出双极型复合器件。

研制复合器件的主要目的是实现器件的高压、大电流参数同动态参数之间的最合理的折中，使其兼有MOS器件和双极型器件的突出优点，即具有MOSFET的输入特性、开关频率和晶体管的输出特性、开关容量，从而产生出较为理想的高频、高压和天电流器件。

目前被认为最有发展前途的复合器件是绝缘栅双极型晶体管IGBT（InsulateGateBipolarTransistor）。

实际上它是一种用MOS门控制的晶体管。

鉴于IGBT优良的器件特性和不断提高的制造工艺，IGBT逐渐占领了电力电子器件市场。

除了器件本身性能的不断提高，器件模块化和集成技术也相继发展起来。

就内部结构而言，MOSFET和IGBT都是功率集成器件，模块化技术的应用大大提高了电路功率密度和可靠性。

随着集成技术的发展，功率模块逐渐向智能化方向发展，即模块内部除了主电路器件之外，还包括相应的各种接口电路、保护电路（过流、过压、过热保护等）和驱动电路，故也称智能功率模块或功率集成电路。

这是电力电子技术的一大进步，说明集成电路已从信息电子技已术领域扩展到功率电子技术领域。

尽管目前的IPM在功率等级上还很有限，但在各个应用领域中显示出显著的优点。

1.1.2变频电源的发展

随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能不断提高，而且应用范围也越来越广。

目前变频器不但在传统的传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。

采用变频技术可以节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量，因而在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益。

目前应用最为广泛的是通用变频器，通用变频器大都为电压型交—直—交变频器。

三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给负载。

这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。

但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。

因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。

由于二极管不可控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。

工程上对这种泵升能量的多种处理方法如前所述，基本上分为两类：

（1）以热能或其它形式消耗；

（2）通过能量回馈电路的技术处理使之回馈到交流电网或其它储能装置中。

显然，前一类方法比较简单，但如前所述，这类方法不仅浪费了能源，有时也会产生某些副作用，这对整个系统的可靠性不利；后一类能量回馈制动技术虽然结构较为复杂，但提高了能源的利用率，尤其是对频繁起、制动或长期带势能性负载下放的系统，在有效制动的同时会产生显著的节电效果，将相应的能量回送到电网中。

目前有些变频器己经有了能量回馈制动单元，但这些制动单元一般采用单片机控制，如51系列单片机。

这些单片机的性能不能满足实时信号处理的需要，因此这些制动单元的功能较少，而且其大部分功能由硬件电路实现，造成硬件电路复杂、维护工作量大、输出电能质量不够高等缺点。

DSP芯片（数字信号处理器）和ARM（嵌入式技术）的出现将完