三相正弦波变频电源.docx

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三相正弦波变频电源

摘要

本论文设计的是一个三相正弦波变频电源，即当输入电压为220V，50Hz时，输出为线电压有效值≥36V，输出频率范围20Hz~100Hz，满足了工业设备和家用电器的需求，特别是应用于电动机调速。

本设计从硬件和软件两方面设计，利用PIC系列单片机具有A/D转换模块，CCP模块，LCD驱动模块的优点，将PIC单片机与输入设备（键盘），输出设备（LCD显示器）连起来构成测量显示电路。

将PWM信号控制逆变电路，控制该脉冲的宽度改变输出电压的幅值，改变脉冲的调制周期来改变输出电压的频率。

在测量交流电压时，通过真有效值转换电路，可以测得电压的有效值，通过ADC模块，将测量的电压有效值显示在LCD显示器上，利用I/V，F/V转换器，同样可测得电流，频率。

PIC系列单片机采用的是RISC精简指令集及其独立分开的数据总线和指令总线的哈佛结构，具有指令集小和简单易学等特点，且允许其指令码的位数多于8位的数据位数，PIC16F877数中级系列产品，其指令有37条，每条指令的字长为14位。

关键词：

三相正弦波；变频；正弦波脉冲宽度调制；PWM

Abstract

Thisthesisisathree-phasesinewaveinverterpowersupply,thatistosay,whentheinputvoltageis220Vand50Hz,theoutputforthelinevoltageisover36V,andtheoutputfrequencyisrangefrom20Hzto100Hz.Itisusedtomeettheneedsofindustrialequipmentandhouseholdappliances.Inparticular,itisappliedtomotorspeed.Thedesignisfrombothhardwareandsoftware,whichusesPICMCUwithA/Dconvertermodule,CCPmodules,LCDdrivermodule.TheadvantagesofthePICMCUaretheinputdevice（keyboard）andoutputdevice（LCDdisplay）withupandformmeasurementdisplaycircuit.PWMsignalisusedtocontroltheinvertercircuit.Controlthepulsewidthchangestheoutputvoltageamplitude,pulsemodulationperiodchangedtochangethefrequencyoftheoutputvoltage.InthemeasurementofACvoltage,throughtheRMSconversioncircuit,theRMSvoltagecanbemeasuredthroughtheADCmodule.ThemeasuredvoltageisdisplayedonLCDmonitors,theuseofI/V,F/Vconverter,thesamecanbemeasuredcurrent,frequency.PICMCUusesaRISCReducedInstructionSetandindependentseparatedatabusandinstructionbusoftheHarvardarchitecture,instructionsetthathasthecharacteristicsofsmallandeasytolearn,andtoallowtheirscriptmorethan8bitsofdatabits,PIC16F877numberofintermediateproducts,theinstructionsare37,eachinstructionwordlengthto14.

Keywords:

three-phasesinewave;varyfrequency;sinusoidalpulsewidthmodulation;PWM

第一章绪论

随着电力电子技术的发展，正弦波输出变压变频已被广泛应用在各个领域中，同时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控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。

1.1课题的目的意义

随着科学的发展，变频器的使用也越来越广泛，不管是工业设备上还是家用电器上都会使用到变频器。

由于世界各国电网指标不统一，出口电器厂商需要一种电源来模拟不同国家的电网状况，为工程师在设计开发生产线测试及品保的产品检测、寿命、过高压/低压模拟测试等应用中提供纯净可靠的、低谐波失真、高稳定的频率和稳压率的正弦波电力输出，另外进口原装电器、设备的用户也需要对我国电网进行变压变频以保证进口电器、设备的正常运转，还有为满足航空电子及军事设备高频的需求，故设计出了三相正弦波变频电源。

变频电源主要用于对进出口电器产品的用电检测、调试，及用于精密仪器的供电，广泛适用于家电制造业、电子制造业、IT产业、电脑设备，实验室及测试单位，航空，军事单位，医疗设备，铁路，石油钻井平台等需要不同电力及特殊要求的场所。

通过对三相正弦波变频电源的设计，培养综合运用所学知识分析与解决实际问题的能力，增强计算，绘图，编制技术文件和动手制作的能力，强化实际应用技能训练，为今后在电子系统设计和开发方面打下基础，并将四年所学的专业知识应用到设计中，还自学了关于PIC单片机有关的知识。

1.2近年来国内外研究现状

当今国际上先进的变频电源是采用IGBT逆变输出技术，用先进微处理器控制设计而成的高性能精密电源，它具有过流、短路、过压、欠压、过载等保护及报警故障显示功能，确保用电设备及变频电源安全；具有负载适应性强，输出波形品质好，良好的人机界面，操作简单，体积小，重量轻等特点；正弦波输出，可调输出电压及频率的变频电源为用电设备提供了所需要的交流电。

国内研究的变频电源以独特的技术特点和优越的性价比，形成紧凑型变频电源、常规型变频电源、精密型变频电源以及中频电源四大系列产品，分别满足不同客户对变频电源的需求。

特点：

1．波形失真度小：

≤0.5%；

2．电压稳定度高：

≤0.2%；

3．紧凑型变频电源无输出变压器，体积小，重量轻，价格廉；

4．精密型变频电源干扰小、失真度小，能满足EMI中谐波测量要求；

5．独特的能量自循环负载技术保证了每台电源均经过老化试验，可靠性高。

1.3基本要求

（1）当输入电压为220V时，负载电流有效值为0.5~3A；

（2）输出线电压有效值稳定在36V以上；

（3）输出频率范围20Hz~100Hz；

（4）过电压过电流保护告警装置；

（5）测量显示：

电压、电流、频率、功率。

1.4设计要求

（1）在调试过程中，注意安全；

（2）必要时可以在隔离变压器前使用自耦变压器，调整输入电压，可用三相电阻箱模拟负载；

（3）测量失真度时，应注意输入信号的衰减以及与失真度仪的隔离等问题；

（4）测量功率可通过电流电压的测量计算。

第二章方案论证

2.1变频器的类别

1.按变换环节分

（1）交—交变频器：

把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源，其主要优点时没有中间环节，故变换效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。

（2）交—直—交变频器：

先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。

由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此在频率的调节范围及改善变频后电动机的特性等方面都具有明显的优势，目前迅速的普及应用的主要是这一种。

2.按电压的调制分

（1）PAM（脉幅调制）变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制，在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。

（2）PWM（脉宽调制）变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制，目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制方式（SPWM）。

3.按直流环节的储能方式分

（1）电流型直流环节的储能元件是电感线圈

（2）电压型直流环节的储能元件是电容器

三相正弦波变频电源系统方框图如图2-1所示。

图2-1三相正弦波变频电源系统框图

AC-DC模块的作用是把交流电变换成直流电，DC-DC模块的作用是将未经调节的不可控直流电压变换成按要求进行调整的可控直流电压，DC-AC模块的作用是将直流电变换成幅值及频率均可控制的正弦交流输出，PIC控制模块：

①用来驱动DC-DC，②测量负载的电压，电流，频率，功率并在显示器上显示出来。

下面对各个模块进行讨论。

2.2AC-DC模块

图2-2AC-DC的原理图

原理图如图2-2所示，图中

Tr是变压器，将220V降至100V，三相不可控桥式整流器，将交流电变成直流电，输出纹波小，功率处理能力较高，整流电路的输出电压包含一定的直流成分，须经过滤波才能得到较平滑的直流电压。

当单独使用电容或电感进行滤波效果仍不理想时，可采用复式滤波电路。

本图所示为RCπ型滤波电路，为了保护整流桥，在变频器刚接通电源后的一段时间里，电路内串入限流电阻R1。

其作用是将电容器C1的充电电流限制在允许范围之内，开关S0的功能是：

当C1充电到一定程度时，令S0接通，将R1短路。

图2-3DC-DC的原理图

2.3DC-DC模块

原理图如图2-3所示，由于实际负载多是感性的，即使是电阻性负载，也还存在着杂散电感，这意味着开关总要吸收电感能量，因而，可能引起开关损坏；输出电压在0~Vd间跳变，这在许多应用中是不允许的。

解决的途径是：

通过图2-3中二极管续流方式释放储存在电感中的能量，即在开关导通区间，由于二极管呈反向偏压，由输入端向负载和电感提供能量，而当开关断开时，电感电流经续流二极管将储存能量释放给负载，利用电感和电容元件组成的低通滤波器可削弱输出电压的跳变现象。

方案一：

开关器件选用双极型功率晶体管（BJT），当有足够大的电流从基极流过，就能使集体管处于完全导通状态，因而要求控制电路能提供足够的基极电流，功率晶体管的饱和通态电压通常在1~2V之间，因而BJT的通态功耗很小。

方案二：

选用MOS场效应管（MOSFET），由于采用了MOS集成技术，这类器件克服了BJT开关速度低、驱动功率大等性能限制，它属于单极型、电压驱动控制晶体管器件，这种器件的开关时间极短，一般在数十纳秒至数百纳秒之间，MOSFET通态电阻较小，因而通态功耗较低。

方案三：

选用绝缘栅双极晶体管（IGBT），它是80年代初功率半导体器件技术与MOS工艺技术相结合研制出的一种复合型器件。

它将MOSFET器件门极驱动功率小、控制电路简单和BJT器件电流大、电压高等优点集成为一体，是近年来发展最快并且有广泛应用前景的新型功率器件，由于IGBT物理结构上的原因，其G-C极间存在有寄生晶体管作用，当器件两端出现过高的电压变化或工作电流较大超过额定值时。

可以使该晶闸管导通，进而使等效BJT管的基极被箝制在零电位，以至于BJT被“锁定