1、I特种逆变电源的设计摘要隧道、煤矿等场所上使用的窄轨机车上经常会用到车载空压机等辅助设备，但是机车上没有能直接供车载空压机等使用的交流电，所以就需要一个逆变电源系统把接触网的直流电逆变成交流电供给空压机等设备使用。本文针对当前我国窄轨机车上车载空压机等辅助设备的使用现状，提出特种逆变电源的设计这个题目。该电源系统直接利用 SPWM 变频控制技术，将机车接触网的直流电550V 转化成频率为50HZ 电压为380V 的稳定三相交流电，供车载空压机等辅助设备使用。设计的主电路采用 IGBT 作为主控器件，其驱动电路采用高速型EXB840驱动模块，并由 AT89C51单片机和集成电路 SA8282 配
2、合生成 SPWM 三相正弦波，作为系统的控制电路。此电源的设计，极大地方便了生产和应用，具有极其良好的经济效益和社会效益。结果表明，由SA8282 为控制芯片的逆变电源结构简单、性能稳定可靠, 适合于中、小功率的应用场合。关键词：SPWM，SA8282，逆变电源，单片机IITHE DESIGN OF SPECIAL INVERTER POWER SUPPLYABSTRACTThe narrow-gauge trains often be used on-board air compressor and other auxiliary equipment in tunnel and mine,
3、but the train dont supply AC for the on-board air compressor directly , so it is need for a power inverter that could put the DC into AC for the air compressor using.In this paper, according the using of air compressor on-board and other auxiliary equipment on our countrys narrow-gauge train , the s
4、ubject of the design of special inverter power supply is put. The inverter power system use SPWM inverter control technology directly, it could put the DC which the volvage is 550V of OCS into a stability of three-phase AC which the frequency of 50HZ and the volvage of 380V for using of air compress
5、or and other auxiliary equipment.The main design of circuit use IGBT as a master device, the drive circuit use high-speed-based drive module of EXB840 and it use AT89C51 single-chip and large-scale integrated circuits of SA8282 to generate the SPWM three-phase symmetrical sine wave,as the control ci
6、rcuit in the system. The design of the power, which is greatly facilitates the production and application, and it has good economic and social benefits extremely.The results show that the inverter power supply structure which is controlled by the SA8282 is simple and good output waveform , the perfo
7、rmance is stable and reliable, and it is suitable for medium and low-power applications.Key words: SPWM, SA8282, inverter power supply, MCUIII毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做
8、出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： IV学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其
9、他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日V目 录1 绪论 - 1 -1.1 课题背景介绍 - 1
10、 -1.2 特种逆变电源的现状及发展前景 - 1 -1.3 主要技术要求 - 3 -1.4 逆变电源的设计思路 - 4 -2 逆变原理 - 5 -2.1 逆变的基本原理 - 5 -2.2 逆变技术 - 6 -2.3 正弦脉宽调制技术 - 8 -3 主电路设计 - 11 -3.1 特种逆变电源的原理 - 11 -3.2 主电路原理图及工作原理 - 13 -3.3.1 IGBT 的基本特点 - 15 -3.3.2 主电路吸收电路的研究 - 16 -4 控制电路设计 - 18 -4.1 控制电路硬件设计 - 18 -4.1.1 采样及 A/D 转化电路 - 21 -4.1.2 SPWM 波形生成电路
11、 - 25 -4.2 控制电路软件设计 - 28 -4.2.1 PI 调节器 - 36 -5 驱动电路和辅助保护电路设计 - 38 -5.1 驱动电路的设计 - 38 -5.2 保护电路的设计 - 41 -5.2.1 硬件保护 - 41 -5.2.2 软件保护 - 41 -5.3 辅助电源部分 - 41 -结论 - 43 -致谢 - 44 -参考文献 - 45 -附录 A 系统控制原理图 - 46 -VI附录 B 系统主主电路及辅助电源电路图 - 47 -附录 C 系统主程序及子程序 - 48 - 1 -1绪论1.1 课题背景介绍随着科学技术和电气化铁路的高速发展，如何使电力能源的利用更加合理
12、化，高效化，已成为急待解决的重要课题。目前，我国窄轨机车上经常会用到车载空压机等辅助设备，但是车载空压机等设备需要工频 50HZ 电压 380V 的交流电，机车本身并没有提供，就需要把窄轨机车接触网的高压直流电转化为空压机等使用的交流电。因此，开始在机车上采用 DC 550V 供电系统来逐步取代原有的车轴发电机供电系统和发电车供电统，即将窄轨机车接触网的 DC 550V 转化为三相交流电，供给车载空压机等辅助设备使用。图 1-1 接触网1.2 特种逆变电源的现状及发展前景特种逆变电源是专为窄轨机车设计的一种直流变压装置，它将窄轨接触网直流高压电通过逆变电路变成适合于机车低压系统的电压，为机车的
13、车载空压机等设备提供电源。逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代，逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。最初的逆变电源采用品闸管(SCR)作为逆变器的开关器件，称为可控硅逆变电源。- 2 -由于SCR是一种没有自关断能力的器件，因此必须通过增加换流电路来强迫关断SCR，SCR的换流电路限制了逆变电源的进一步发展。随着半导体技术和变流技术的发展，自关断的电力电子器件脱颖而出，相继出现了电力晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管 (MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等等。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆
14、变电源的性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，从而逆变桥输出电压中低次谐波的频率比较高，使输出滤波器的尺寸得以减小，而且对非线性负载的适应性得以提高。最初，对于采用全控型器件的逆变电源在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的PWM 控制技术，其输出电压的稳定是通过输出电压有效值或平均值反馈控制的方法实现的 1。一般认为，逆变技术的发展可分为如下三个阶段。19561980年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，输出电压波形改善以多重叠加法为主，体积重量较大，逆变效率较低，正弦逆变技术开始出现。19812000年高频化新技术阶段，这个阶段
15、的特点是，开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以 PWM 为主，体积重量小，逆变效率较高，正弦波逆变技术的发展日趋完善。2000年至今为高效低污染阶段，这个阶段的特点是以逆变的综合性能为主，低速与高速开关器件并用，多重叠加法与 PWM 法并用，不再偏向追求高速开关器件与高开关频率，高效环保的逆变技术开始出现。逆变电源之所以能得到广泛应用，是因为它能实现以下功能：(1) 逆变电源能将直流电转换为交流电；(2) 变频，逆变电源能将市电转换为用户所需频率的交流电；(3) 变相，逆变电源能将单相交流电转换为三相交流电，也能将三相交流电转换为单相交流电。正弦波PWM 波PWM 波直流工
16、频交流 整流电路逆变电路输出变压器LC 滤波电路控制电路驱动电路- 3 -图1-2 逆变电源结构图随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对逆变器控制性能要求的提高，逆变电源也得到了深入的发展，目前，逆变电源的发展趋势主要集中在以下几个方面：(1) 高频化；提高逆变电源的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，并可消除变压器和电感的音频噪声，同时改善了输出电压的动态响应能力。(2) 高性能化；高性能主要指输出电压特性的高性能。(3) 并联及模块化；(4) 小型化；(5) 输入功率因数化；(6) 数字化；(7) 智能化。逆变电源是电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统运行的安全性和
17、可靠性。逆变电源问世以来引起了国内外电源界的普遍关注，现已成为具有影响力和发展前景的一项高科技产品，并广泛应用于通讯、工业设备、卫星通信设备、太阳能及风能发电领域。近年来随着电子信息产业的高速发展，人们对逆变电源的需求与日俱增，逆变电源的开发、研制、生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。目前随着逆变电源的广泛应用，逆变电源显示了十分强大的生命力，并具有高集成度，高性能比，最简的外围电路，最佳的性能指标等特点。逆 变 电 源 的 应 用 ， 特 别 是 特 种 逆 变 电 源 的 应 用 将 越 来 越 重 要 。 21世 纪是 能 源 开 发 、 资 源 利 用 与 环 境 保 护 互 相 协
18、 调 发 展 的 世 纪 ， 能 源 的 优 化 利 用 与清 洁 能 源 的 开 发 ， 是 能 源 资 源 与 环 境 可 持 续 发 展 战 略 的 重 要 组 成 部 分 。 具 有世 界 三 大 能 源 之 称 的 石 油 、 天 然 气 和 煤 等 化 石 燃 料 将 逐 渐 被 耗 尽 ， 氢 能 源 与再 生 能 源 将 逐 渐 取 代 化 石 燃 料 而 成 为 人 类 使 用 的 主 题 能 源 ， 这 种 能 源 的 变 迁将 迫 使 发 电 方 式 产 生 一 次 大 变 革 ， 使 用 氢 能 源 与 再 生 能 源 的 高 效 低 污 染 燃 料电 池 发 电 方
19、式 ， 将 成 为 主 体 发 电 方 式 。 因 此 ， 逆 变 电 源 在 新 能 源 的 开 发 和 利用 领 域 有 着 至 关 重 要 的 地 位 2。- 4 -1.3 主要技术要求(1) 装置的输入电压为： DC 550V；(2) 装置的输出为： AC 380V 50HZ； 功率：5KW。1.4 逆变电源的设计思路本设计中电源系统就适用于窄轨列车接触网 DC 550V 供电制式的窄轨机车。其主电路采用 IGBT 的组合电路，提高了整个系统的效率。该系统具有实时控制、自保护。系统对过压、过流等故障具有功能强大的诊断系统，从而提高了系统的安全性和可靠性，同时也增强了系统的可维护性。论文在详细分析了机车 DC550V 供电系统对逆变电源的功能需求和参数要求的基础上，根据大容量化、集成化、全控化、高频化及多功能化的电源系统设计原则，提出以AT89C51 及部分外围扩展芯片和三相波形发生器 SA8282 为控制器的三相逆变电源结构方案，完成三相逆变主电路及其开关器件的驱动、保护、吸收电路设计。
