单相转三相电源变换器的毕业设计Word下载.docx
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SPWM;
PID
第1章绪论
1.1本课题意义
随着现代电力电子技术的迅猛发展，变换电源在许多领域的应用也越来越广泛，同时对变换电源输出电压波形质量提出了越来越高的要求。
变换电源输出波形质量主要包括三个方面：
输出稳定精度高；
动态性能好；
带负载适应性强。
因此开发既具有结构简单，又具有优良动、静态性能和负载适应性的变换电源，一直是在变换电源方面追求的目标。
本课题提出了一种新型的单相转三相电源变换器，单相交流电通过整流电路变为直流，经斩波电路升压后再通过6个MOS管输出电压和频率随给定变化的三相交流电,MOS管的控制采用DSP输出PWM波实现，DSP采用2407,进行系统软硬件设计。
该设计结构简单，又具有优良动、静态性能和负载适应性，具有良好的市场前景。
1.1.1单相转三相电源变换器的理论意义和应用价值
本文所研究的单相转三相电源变换器是通过DSP产生的SPWM波控制MOS管的导通角来实现对输出电压幅值和频率的调节。
本课题源于应用在大功率三相交流电机的交流调频控制器。
随着计算机技术的发展，特别是DSP的发展，人们越来越多的采用DSP来调节电压。
数字式三相电源变换器具有成本低、操作简便、节约能源、控制简单、性能稳定以及可取得很好的经济效益等特点。
1.1.2单相转三相电源变换器的主要应用领域
单相转三相电源变换器电路的应用主要有灯光调节，温度控制，风机等异步电动机的软启动，交流电机调压调速，随电机负载大小自动调压。
在高压小电流或低压大电流直流电源中，如采用晶闸管相控整流电路，需要很多晶闸管串联或并联，如采用交流调压电路在变压器初级调压，其电压电流值都比较合理，在变压器次级只要用二极管整流即可，从而达到减小体积、降低成本的目的。
1.1.3数字式电源变换器的主要功能及优势
随着电力电子技术的不断发展，采用由MOS管组成的电源变换器，具有设备体积小、损耗小、电路及控制较简单、响应快、价格低廉、可靠性高、使用和维护方便等优点，因而被广泛应用于工业及日常生活电气设备中，取代了调压变压器或串接饱和电抗器等调压方式。
对于功率容量较大，电压较高或者性能要求较高的设备，为完成对某些负载的控制时，一般都采用三相交流调压方式。
采用数字式控制的交流调压控制器，具有如下优点：
（1）数字控制可以简化硬件电路，解决模拟控制元器件老化和温漂所带来的问题，增强抗干扰能力，提高控制系统的可靠性；
（2）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使得交流调压控制器的智能化程度更高，性能更完美；
（3）控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路；
控制系统易于标准化，可以针对不同的系统，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可；
1.2三相电源变换器的发展历史与趋势
1.2.1三相电源变换器的发展历史
三相电源变换器广泛应用于三相对称性负载的交流调压中。
过去主要是利用自耦变压器（小容量时）或三只双向晶闸管进行调压。
自耦变压器的优点是电压波形好，不含有谐波分量，调压范围宽，但缺点是设备庞大笨重，需手动或机械调节电压；
而晶闸管调节性能较差。
电力电子技术发展起来后出现了MOSFET，其制造成本低廉、体积小、整合度高。
通过控制6个MOS管的通断时刻，来调节负载上的电压，以实现三相交流调压的目的，这样克服了自耦变压器和晶闸管的缺点。
1.2.2三相电源变换器的发展趋势
不带零线的三相交流电路是三相电源的典型应用，随着新的电力电子器件发展、新的控制理论提出及各行业上的需求，未来的交流调压控制器的发展趋势主要有以下几个方面：
（1）高功率因数、低谐波污染
随着IEC1000—3—2标准的颁布和强制执行，引入功率因数校正，提高系统的输入功率因数、减小输入电流谐波分量，改善网侧电流波形，提高电网效率，成为当前电力电子技术应用的发展趋势。
（2）大容量化、通用化
新型功率器件发展和加工各行业的要求，存在着需要大功率交流调压电路，因此交流调压控制器的大容量化仍需进一步的发展。
同时，为适应各行业的需求，交流调压控制器的系列化和通用化成为新的发展要求。
（3）小型化、低成本
技术的成熟和器件的发展，促使交流调压控制器体积小型化。
节约原材料，降低成本，提高系统的性价比。
（4）集成化、智能化
将新型处理器芯片（如DSP、FPGA）逐渐应用到交流调压控制器中，使系统运行具有优良稳定可靠性，并具有各种功能，如人机交互、远程控制、故障在线检测和自动诊断、过压过流和过热保护。
因此集成化和智能化成为交流调压控制器的发展趋势。
1.3本文的研究内容及任务
本文是在理论研究、计算机仿真分析和试验箱调试的基础上，完成单相转三相电源变换器的设计，需完成如下几个方面的工作：
（1）对电路各个部分分析选型，确定最好的元器件和器件参数。
（2）熟练掌握DSP编程，用C语言完成对中断和SPWM程序的编写。
（3）针对液晶屏显示内部状态等人机交互功能，通过编制相应的程序来实现。
（4）针对开环输出控制可能由于很多不稳定的因数带来的输出达不到所设定的要求，研究采用闭环PID控制策略来稳定输出，并分析选用数字化PID控制算法。
第2章主电路研究
2.1变换电路主电路分析
该单相转三相电源变换器输入为电网交流电压，经过整流、升压、逆变，最后变成所需要的三相交流电供给负载使用。
主电路原理如图2-1所示。
图2-1主电路框图
2.2整流电路分析
整流电路将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式多种多样，各具特色。
从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：
按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；
按电路结构可分为桥式电路和零式电路；
按交流输入相数分为单相电路和多相电路；
按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。
桥式整流电路是使用最多的一种整流电路，如图2-2所示。
桥式整流器利用四个二极管，两两对接，输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；
输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。
（a）桥式整流电路
（b）桥式整流电路电压电流波形
图2-2桥式整流电路及其电压电流波形
图2-2中，在u1的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。
在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。
在u1的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。
电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。
整流电压平均值为
（2-1）
式（2-1）说明了
和
之间的关系。
2.3斩波电路分析
直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直接直流-直流变换器。
直流斩波电路的种类较多，包括6钟基本斩波电路：
升压斩波电路（BoostChopper）、降压斩波电路（BuckChopper）、升降压斩波电路（Boost-BuckChopper）、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。
利用不同的基本斩波电路进行组合，可构成复合斩波电路，如电流可逆斩波电路、桥式可逆斩波电路等。
下面介绍四种常用的升压斩波电路。
2.3.1Boost斩波电路（BoostChopper）
升压斩波电路的原理图及工作波形如图2-3所示。
图2-3a升压斩波电路图2-3b升压斩波电路波形
图中V为全控型器件，选用IGBT。
D为续流二极管。
由图2-2b中V的栅极电压波形UGE可知，当V处于通态时，电源Ui向电感L1充电，充电电流基本恒定为I1,同时电容C1上的电压向负载供电，因C1值很大，基本保持输出电压UO为恒值。
设V处于通态的时间为ton，此阶段电感L1上积蓄的能量为UiI1ton。
当V处于断态时Ui和L1共同向电容C1充电，并向负载提供能量。
设V处于断态的时间为toff，则在此期间电感L1释放的能量为（UO-Ui）I1ton。
当电路工作于稳态时，一个周期T内电感L1积蓄的能量与释放的能量相等，即：
（2-2）
（2-3）
上式中的T/toff≥1,输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路。
2.3.2升降压斩波电路（Boost-BuckChopper）
升降压斩波电路的原理图及工作波形如图2-4所示。
图2-4a升压斩波电路图2-4b升压斩波电路波形
电路的基本工作原理是：
当可控开关V处于通态时，电源Ui经V向电感L1供电使其贮存能量，同时C1维持输出电压UO基本恒定并向负载供电。
此后，V关断，电感L1中贮存的能量向负载释放。
可见,负载电压为上负下正，与电源电压极性相反。
输出电压为：
（2-4）
若改变导通比α，则输出电压可以比电源电压高，也可以比电源电压低。
当0<
α<
1/2时为降压，当1/2<
1时为升压。
2.3.3Cuk斩波电路
Cuk斩波电路的原理图如图2-5所示。
图2-5Cuk斩波电路原理图
当可控开关V处于通态时，Ui—L1—V回路和负载R—L2—C2—V回路分别流过电流。
当V处于断态时，Ui—L1—C2—D回路和负载R—L2—D回路分别流过电流，输出电压的极性与电源电压极性相反。
（2-5）
2.3.4Sepic斩波电路
Sepic斩波电路的原理图如图2-6所示。
图2-6Sepic斩波电路原理图
可控开关V处于通态时，Ui—L1—V回路和C2—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。
当V处于断态时，Ui—L1—C2—D—R回路及L2—D—R回路同时导电，此阶段Ui和L1既向R供电，同时也向C2充电，C2贮存的能量在V处于通态时向L2转移。
（2-6）
本设计选择升压斩波电路（BoostChopper）作为直流升压部分。
2.4逆变电路分析
我们把将直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路。
若按直流电源的性质来分类，逆变器可分电压型逆变器和电流型逆变器。
本文需要使用的是电压型逆变器。
在电压型逆变器中，直流电源是蓄电池或由交流整流后经大电容滤波形成的电压源。
电压源的交流内阻抗近似为零，桥臂输出电压为幅值等于输入电压的方波电压。
为使使电感性负载的无功能量能回馈到电源，必须在功率开关两端反并联二极管。
若按输出端相数分类，逆变器可分为单相逆变器和三相逆变器，其中单相逆变器按结构又可分为单相半桥逆变器（如图2-7所示）和单相全桥逆变器（如图2-8所示）。
单相半桥逆变电路是所有复杂逆变电路的基本组成单元。
三相全桥逆变器（如图2-9所示）又按输出有无中线可以分为三相三线制逆变器和三相四线制逆变器。
按照逆变器的额定输出功率来分类，逆变器可分为小容量逆变器（O．5KVA-10KVA）、中等容量逆变器（10KVA-50KVA）及大容量逆变器（50KVA以上）。
图2-7单相半桥逆变电路
图2-8单相全桥逆变器
图2-9三相桥式逆变电路
用三个单相逆变电路可以组合成一个三相逆变电路。
但在三相逆变电路中，应用最广的还是三相桥式逆变电路。
采用MOSFET作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路如图2-9所示，可以看成由三个半桥逆变电路组成。
图2-9电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了，但为了分析方便，画作串联的两个电容器并标出了假想中点
。
和单相半桥、全桥逆变电路相同，电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是
导电方式，即每个桥臂的导电角度为
，同一相（即同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差
这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。
可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。
因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。
下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形，如图2-10所示。
对于
相来说，当桥臂1导通时，
，当桥臂4导通时，
所以
的波形是幅值为
的矩形波。
、
两相的情况和
相类似，
的波形现状和
相同，只是想为依次差
图2-10
的波形
输出线电压
有效值为
（2-7）
式（2-7）说明了
因为本文设计的是三相电源变换器，所以选择三相桥式逆变电路作为逆变部分。
2.5功率驱动模块分析
功率集成电路驱动模块是微电子技术和电力电子技术相结合的产物，其基本功能是使动力和信息合一，成为机和电的关键接口。
快速电力电子器件MOSFET的出现，为斩波频率的提高创造了条件，提高斩波频率可以减少低频谐波分量，降低对滤波元器件的要求，减少了体积和重量。
采用自关断器件，省去了换流回路，又可提高斩波器的频率。
电动机的励磁回路和电枢回路电流的自动调节常常采用功率MOSFET。
功率MOSFET是一种多子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频特性好、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、无二次击穿问题等显著优点。
目前，功率MOSFET的指标达到耐压600V、电流70A、工作频率100kHz的水平，在开关电源、办公设备、中小功率电机调速中得到广泛的应用，使功率变换装置实现高效率和小型化。
因为主电路电压均为高电压、大电流情况，而控制单元为弱电电路，所以它们之间必须采取光电隔离措施，以提高系统抗干扰措施，可采用带光电隔离的MOSFET驱动芯片TLP250。
光耦TLP250是一种可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本东芝公司生产，其最大驱动能力达1．5A。
选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，使驱动电路特别简单。
功率MOSFET驱动的难点主要体现在功率器件的特性、吸收回路和栅极驱动等方面，图2-11所示为TLP250器件管脚接线图。
图2-11TLP250器件管脚接线图
东芝公司的专用集成功率驱动模块TLP250包含一个光发射二极管和一个集成光探测器，是8脚双列封装，适合于IGBT或功率MOSFET栅极驱动电路。
IRF840MOSFET在导通时只有一种极性的载流子（多数载流子）参与导电，是单极型晶体管。
电力场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单，驱动功率小。
其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高，电力MOSFET的工作频率在下降时间主要由输入回路时间常数决定。
MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系。
使用者可以降低栅极驱动回路信号源内阻的值，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。
IRF840为单极型器件，没有少数载流子的存储效应，输入阻抗高，因而开关速度可以提高，驱动功率小，电路简单。
但是，功率MOSFET的极间电容较大，因而工作速度和驱动源内阻抗有关。
和GTR相似，功率MOSFET的栅极驱动也需要考虑保护、隔离等问题。
图2-11中，2脚接DSP输出端口的PWM波形，经TLP250光电隔离后由引脚6和7经电阻R输入逆变电路中MOSFET的S端，触发其导通。
2.6变换电源主电路组成
根据以上各个部分设计，该单相转三相电源变换器主电路如图2-12所示
图2-12单相转三相电源变换器主电路
第3章控制电路研究
单相转三相电源变换器的控制电路部分有数码管显示电路、电流反馈电路，电压反馈电路，以及工作所需直流电源产生部分即+5V，+12V，-12V产生电路。
3.1显示电路设计
3.1.1显示方案选择与比较
1.方案一：
采用LED数码管显示。
寿命较长，故障率低、成本低等优点。
2.方案二：
液晶显示。
设计简单，且界面美观舒适，耗电小。
经过两个方案的对比，由于液晶显示，显示清晰，设计和控制简单，耗电小，故本文采用方案二。
3.1.2液晶显示电路
（1）FYD12842-0402B液晶显示模块简介
点阵式液晶显示模块是一种集显示、控制与驱动为一体的显示器件，YD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。
其显示分辨率为12864,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集,强大的字库省去了很多自行编码的麻烦;
该模块不仅可以显示8行1616点阵的汉字,利用其灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,还可构成全中文人机交互图形界面;
其内置了DC~DC转换电路,无需外加负电压,无需片选信号,简化了软件设计。
总之,由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。
（2）TMS320F2407与ST7920的硬件接口设计
ST7920并、串口方式可选,当PSB置高时为并行方式,置低时为串口方式。
在实际应用中仅使用8位并口的通讯模式,故将PSB接固定高电平。
RESET为液晶复位引脚,低电平有效。
V0与VOUT相连可以调节LCD的对比度。
本设计用TMS320F2407的GPIOA0~7作为数据接口,GPIOB0、GPIOB1分别与RS、R/W相连作为控制信号,其具体控制功能如表1所示。
E为ST7920的使能信号,将其与GPIOB2相连,E=1时,配合R进行读数据或指令;
当E=1时,配合/W进行写数据或指令。
另外,在本设计中,TMS320F2407的I/O口只能接受最大3.3V的电压,而液晶的输出电压有5V,因此在两者之间需要进行电平转换。
3.1.3液晶模块显示软件设计
DSP和液晶模块的接口包括2部分操作:
DSP读液晶模块状态的操作;
DSP向液晶模块写数据和指令的操作。
这些操作的实现是参考液晶模块的时序图,产生满足这些时序的接口控制逻辑。
ST7920的RS、R/W可以同步操作,读写操作是由使能信号E完成的,因此,在软件设计中关键是要设计出合理的E信号,以满足ST7920的读/写时序。
要实现对ST7920的正确读写必须使F2407的I/O口模拟时序注意满足以下条件:
（1）在读写时,必须使E信号,即IOPB2保持高信号140ns以上
（2）在写操作时IOPA0~IOPA7的数据必须在E信号变为低电平前保持40ns以上
（3）在读、写两个数据之间的间隔必须大于1200ns。
此外,ST7920有内部标志忙标志BF,BF=1表示模块在进行内部操作,此时模块不接受外部指令和数
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