毕业设计(论文)三相正弦波变频电源.doc
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1、摘要本系统是一个交流-直流-交流变频电源。系统以FPGA为控制核心,采用SPWM变频控制技术,实现三相正弦波变频输出。输出线电压有效值为36V,最大输出电流有效值达3A。系统还具有频率测量,电流、电压有效值测量,平均功率测量功能。基于单片机智能化和开关电源高效率的特点,研制出一种以XC164单片机作为核心控制模块的三相正弦波变频电源。本系统同时采用电压反馈电路和电流反馈电路,分别将输出电压和电流反馈至XC164单片机,然后该单片机利用其内部的模数转换器对反馈电压和电流进行A/D转换,同时单片机根据计算出的电压有效值对输出电压进行宏观PID控制,以实现稳幅。采用了实时电压跟踪SPWM技术,使单片
2、机在变频电源系统中得到了有效的应用。实验结果表明该系统具有良好的稳压性能和很小的波形失真,并且能够进行自检测、过流、过压、过热和短路保护等功能。关键词: 三相 SPWM 逆变 变频电源 变频电源Abstract The system, based on FPGA, is a AC-DC-AC variable frequency power supply. The technology of SPWM frequency converting control is applied to get the output of three-phase variable frequency sine
3、wave. The real line voltage is 36V and the maximum current(real value) output is up to 3A. The system also includes the following functions like frequency metering, measurements of real voltage and current, and the measurement of the average power. This system adopted voltage feedback circuit and cu
4、rrent feedback circuit, output voltage and current respectively XC164 microcontroller, then the feedback to the microcontroller use its internal adc voltage and current of feedback on A/D conversion, and SCM according to calculate the RMS voltage output voltage of the macro PID control, in order to
5、achieve steady picture. Adopted real-time voltage tracking SPWM technology, make SCM in frequency conversion power system got effective application. The experimental results show that the system has good performance and small voltage waveform distortion, and can be carried out since detection, over-
6、current, over-voltage, overheating and short circuit protection function.Key Word: three phase SPWM invert frequency power 目 录摘 要IAbstractII目 录III1课题方案11.0变频器的概述.11. 1三相异步电动机的工作原理.11. 2.变频器的工作原理.11.3变频器控制方式11.4正弦波脉宽调制方式41.5 SPWM调制方式的选择51.6电压电流频率的测量6 2系统总体设计方案和实现框图72.1系统总体设计方案72.2 实现框图73 理论分析与参数计算73.
7、1 主回路电参数计算83.2 SPWM逆变电源的谐波分析83.3 载波频率的选择83.4 FPGA内单相平均功率计算算法94 主要功能电路设计94.1 整流电路94.2 光耦隔离驱动电路104.3 逆变电路104.4 无源滤波电路114.5 测频整形电路114.6 电流电压测量电路124.7 MAX197采样电路134.8 FPGA模块135 系统软件设计156 系统测试与分析167 总结分析与结论187.1 系统总体性能187.2 系统注意点与分析18结束语.19参考文献.20致 谢211 课题方案本系统要求设计并制作一个三相正弦波变频电源.此系统主要分为以下三个部分:整流,逆变,控制回路.
8、整流部分实现AC-DC转换,逆变部分实现DC-AC转换,而电源系统输出信号的频率、幅度的调节则由控制回路所决定。 1.0变频器的概述变频器是把工频电源(50Hz 或 60Hz)变换成各种频率的交流电源,以实现电机的变速运行的设备。其中 1 控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平 滑滤波,逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说,有 时还需要一个进行转矩计算的 CPU 以及一些相应的电路 。1.1三相异步电动机的原理当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时,就产生了一个以同步转速 n1 沿定子和转子内
9、圆空间 作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以 n1 转速旋转,转子导体开始时是静止的,故转子导体将切 割定子旋转磁场而产生感应电动势 (感应电动势的方向用右手定则判定) 由于导子导体两端被短路环短接, 。 在感应电动势的作用下,转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定 子磁场中受到电磁力的作用(力的方向用左手定则判定) 。电磁力对转子轴产生电磁转矩,驱动转子沿着旋 转磁场方向旋转,从而驱动电动机1.2变频器的基本原理变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的当在定子绕组上接入三相交流电时,在定子与转子的空气隙内产生一个旋转磁场。它与转子绕组产生
10、相对运动,使转子绕组产生感应电动势,出现感应电流,此电流与旋转磁场相互作用,产生电磁转矩,使电动机转动起来电机磁场的转速为同步转速,用N表示N=60f/p(r/min) (1)式中的式中: f三相交流电源频率, 一般为50Hz; p磁极对数。 p=1时, 当 N=3000r/min; p=2时, N=1500r/min。 可见磁极对数 p 越多,转速 N 越慢。 转子的实际转速 n 比磁场的同步转速 N 要慢一点,所以称为异步电机,这个差别用转差率 s 表示: s=n1 s=n1n)/n1100% (2) 当加上电源转子尚未转动瞬间,n=0,这时 s=1;起动后的极端情况 n=N,则 s=0,
11、即 s 在01之间变化。 一般异步电机在额定负载下的 s=(16)%。 综合式(1)和式(2)可以得出 n=60f(1s)/p (3) n=60f( 由式(3)可以看出,对于成品电机,其磁极对数 p 已经确定,转差率 s 变化不大,则电机的转速 n 与 电源频率 f 成正比,因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速,进而达到异步电机调速的目的。3 但是,为了保持在调速时电机的最大转矩不变,必须维持电机的磁通量恒定,因此定子的供电电压也要 作相应调节。变频器就是在调整频率(VariableFrequency)的同时还要调整电压(VariableVoltage) ,故 简称 VVVF(装置)
12、 。通过电工理论分析可知,转矩与磁通量(最大值)成正1.3变频器控制方式方案一:电流检测型变频控制,原理如图1。电压控制:电压调节器根据VF指令和电压检测器检测所得电压输出控制信号,电流调节器根据此信号控制移相触发电路输出可移相的触发脉冲,使可控整流器输出所要求的电压。电流调节器根据电压调节器所给出的信号电流检测器检测到过流时,应使可控整流器输出电压为0,实现过流保护。频率控制:VCP根据VF指令电压值输出相应频率信号,该信号经过计数器分频输出六路控制信号。六路信号经过脉冲变压器输出后控制逆变电路晶闸管通断,以控制输出频率。方案二:电压检测型变频控制。此方式控制方式和电流型控制方式类同,只是在
13、整流器的控制电路中没有电流检测。方案三:脉冲宽度调制(PWM)型变频控制,原理如图2。 此方式下整流输出电压恒定,输出频率、电压的调节由逆变器实现。逆变器由PWM信号控制,输出电压引入反馈,可调整PWM的输出。 方案一、二原理类似,均由逆变器调频,可控整流器调压,因此都需要两个可控的功率级,并且需要复杂的控制模块,电路结构复杂。方案三调频、调幅均由逆变器实现,即只有一个功率控制级,电路结构简单。逆变器在调频时实现调压,与中间环节的元件参数无关,加快了系统的动态响应。不过该方案需要有相应的PWM信号生成模块.我们选择相对更易于实现并控制的方案三。1.4 正弦波脉宽调制方式方案一:规则采样法 取三
14、角波两个正峰值之间的时间间隔为一个采样周期,在三角波的负峰值时刻对正弦信号波采样而得到D点,过D点作一水平直线和三角波分别交于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 为调制度,即为三角波和正弦波的峰值之比,且。表示正弦信号的角频率。设载波比,、分别表示载波(三角波)的频率和调制波(正弦波)的频率,则一个调制波周期内第个脉冲的宽度为 。 由上式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
15、于采用同步调制。方案二:数字调制法按照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.但是倘若我们采用自然采样法的话,会增加硬件的复杂度.但倘以可编程逻辑器件为载体的话,可以采用数字调制法, 把正弦波波形表存入存储器里,同时利用加法器和减法器生成三角形载波,再通过数字比较器产生所需要的波形。图3为数字调制法的原理图. 图3 数字调制法原理图题目要求三相交流电源的输出频率为20HZ-100HZ,选择频率远大于100HZ的基准时钟源和调制时钟频率可以使SPWM的正弦相位分辨率达到很高的精度。方案一,我们需要大量的存储单元,而且计算量庞大,况且它只适合同步调制法,我们不
16、易采用.而方案二则具有可靠性高,可重复编程,响应快,精度高的特点.根据本课题的技术指标的要求,本设计正弦波脉宽调制实现方案选择数字调制法。1.5 SPWM调制方式的选择方案一:同步调制 载波比恒定的调制方式称为同步调制。同步调制时PWM脉冲在一个周期内的个数是恒定的,脉冲的相位也是固定的,将调制比设定为3的整数倍时,可以使输出波形严格对称,从而有效地降低信号的谐波分量。但是当逆变电路的输出频率比较低时,同步调制载波的频率很低,过低时由调制带来的谐波不易滤出,当逆变电路的输出频率很高时,同步调制载波频率过高,使开关器件开关损耗严重。方案二: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
17、异步调制。异步调制时保持载波时钟频率不变,当调制正弦波的频率发生变化时,载波比跟随变化,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,给后级滤波电路造成困难。本课题要求逆变器输出频率在20HZ-100HZ,输出信号的频率较低,本设计采用的逆变电路为集成芯片IM14400,IM14400的PWM输入频率范围为5KHZ-0.3MHZ,可以选择很高的载波比。异步调制方式下,当载波比很大时,正负半周期脉冲不对称和半周期内前后周期的脉冲不对称造成的谐波分量都很小, PWM脉冲接近正弦波。故而本设计的调制方式选择异步
18、调制方式.载波固定为29.2KHz.1.6 电压电流频率的测量1.4.1电压测量:电压有效值可采用单片真有效值测量芯片AD637进行测量,或者用AD周期交流采样,通过计算算出有效值.根据自身经验准备,我们采用AD637进行有效值测量.该芯片具有测量精度高,相对稳定时间快,频带宽等优点.但是无论那种测量方法,首先必须对输出电压降压.根据降压器件的不同有如下可选方案:方案一: 采用电阻分压降压.该方法简便易行.但是对电阻的精度,稳定要求都非常高,转换精度随输出电压的减小而增大,而且会影响Y形负载的阻值.方案二: 采用电压互感器降压.电压互感器可以将高压转换为低压输出,转换线性度好,精度高,而且体积
19、小,使用方便.在一路电压互感器前加上继电器,就可分别转换三相电压.据上述分析;我们采取电压互感器降压,AD637测量电压真有效值的方案.1.4.2电流测量电流测量与电压测量几乎相同.有点不同的是由于我们手头没有足够的电流互感器(需要三个),我们采用了在负载上串连小电阻,然后用AD620取样放大,AD637测量电流有效值的方案.1.4.3 频率测量方案一:用专有频率计模块来测频,例如ICM7216,该芯片内部自带放大整形电路,测量精度高,但是芯片价格昂贵,不予采用.方案二:利用FPGA测频.将正弦波经过放大整形,利用测周期方法测量频率.测此方案充分利用FPGA的资源,简化了电路结构,经试验测试,
20、其测量20Hz-100Hz的频率精度可达.0.1%,完全满足题目要求.故采用此方案.1 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。三相逆变器在89S52和FPGA产生的三相SPWM脉冲的控制下产生三相交流电。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的DDS模块的正弦波频率,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
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