1、武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书I摘要随着电力电子技术的迅速发展，将是电源技术更加成熟，经济，实用，实现高效率和高品质用电结合。变频电源随即而出现，变频电源被广泛应用于各个领域，是变频调速的核心所在。变频器电源主要用于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。该次课设为使用 protel 设计一个输出频率范围为 20100HZ，输出线电压有效值为 36V，最大负载电流有效值为 3A，负载为三相对称阻性负载（ Y 型接法）的三相正弦波变频电源的课程设计。关键词：变频电源 protel 三相正弦波变频电源武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书
2、II目录摘要 I1 三相正弦波变频电源设计要求 32 三相正弦波变频电源系统设计方案比较 32.1 整流滤波电路方案 32.2 斩波电路方案 22.3 绝缘栅控双极型晶体管 IGBT 驱动电路方案 .22.4 逆变电路方案 22.5 MOSFET 驱动电路方案 32.6 测量有效值电路方案 32.7 SPWM（正弦脉宽调制）波产生方案 42.8 变频电源基本结构图 43 三相正弦波变频电源系统组成 54 交流电源整流滤波电路设计 75 斩波和驱动电路设计 76 逆变和驱动电路设计 97 真有效值转换电路设计 .118 过压保护与过流保护电路设计 .119 单片机电路设计 .1310 电源电路
3、1411 三相正弦波变频电源软件设计 1411.1SPWM 波的实现 .1411.2 ADC0809 的控制程序设计 .1611.3 系统主程序流程图 .1612 三相正弦波变频电路全图 17参考文献 .21武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书1三相正弦波变频电源设计1 三相正弦波变频电源设计要求设计并制作一个三相正弦波变频电源，输出频率范围为 20-100Hz，输出线电压有效值为 36V，最大负载电流有效值为 3A，负载为三相对称阻性负载（Y型接法） 。三相正弦波变频电源原理方框图如图 1-1 所示。隔离变压器整流 逆变 三相负载控制器220V AC图 1-1 三相正弦波变频电源原理
4、框图2 三相正弦波变频电源系统设计方案比较2.1 整流滤波电路方案整流滤波电路可选用两种方案； 1 三相半波整流电路。2 三相桥式整流电路。比较：1 方案整流输出电压高，纹波电压较小且不存在断续现象，同时因电源变压器在正，负半周内部有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率高，因此选用方案 2。滤波电路用于滤波整流输出电压中的纹波，采用负载电阻两端并联电容器 C 的方式。2.2 斩波电路方案直流斩波电路可选用两种方案；1 降压斩波变换电路。2 降压-升压变换电路。武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书2比较：1,2 方案均能满足要求，但方案 2 的资源利用充分合理，因此选用方案2。
5、2.3 绝缘栅控双极型晶体管 IGBT 驱动电路方案绝缘栅控双极型晶体管 IGBT 驱动电路：1 应用脉冲变压器直接驱动功率 IGBT，来自控制脉冲形成单元的脉冲信号进高频晶体管进行功率放大后加到脉冲变压器上，有脉冲变压器隔离耦合，稳压管 D 限幅后来驱动 IGBT。2 有分立元器件构成的具有 VGS保护的驱动电路，采用光电耦合电路实现控制电路与被驱动IGBT 栅极的电隔离，并且提供合适的栅极驱动脉冲。3 采用 IGBT 栅极驱动控制通用记成电路 EXB 系列芯片。比较：1 中的不足表现在高频脉冲变压器因漏感的存在容易产生振荡。为了限制振荡，常常需要增加栅极电阻 RG,这就影响了栅极驱动脉冲前
6、后沿的陡度，降低了可应用的最高频率。2 的不足之处就是采用分立的原件较多，抗干扰能力较差。与前面两种方案相比较，3 采用集成芯片，使系统的可靠性好，切内部有保护电路，是较适合的一种 IGBT 的驱动方案。2.4 逆变电路方案根据题目要求，选用三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路：1 采用电流型三相桥式逆变电路。2 采用电压型三相桥式逆变电路。比较：电流型逆变器适合单机传动，加，减速频繁运行或需要经常反向的场合。电压型逆变器适合于向多机供电，不可逆传动或稳速系统以及对快速性要求不高的场合。根据题目要求，选择 2。2.5 MOSFET 驱动电路方案MOSFET 驱动电路：1 利用 CMOS 器件驱动
7、MOSFET。2 利用光耦合器驱动MOSFET。3 采用 MOSFET 栅极驱动控制专用集成电路芯片 IR2111。比较：1 中由于电路自身的一些缺点，如驱动电路开关速度低等，不满足题目武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书3要求。2 中采用光耦合器驱动 MOSFET，因其自身的速度不高，限制了使用的频率，不满足题目要求。3 中采用 MOSFET 专用的集成电路，芯片性能好，体积小，满足题目要求，故采用 3。2.6 测量有效值电路方案在题目中，基本部分提到：负载有效值为 0.5-3A 时，输出线电压有效值应保持在 36V。测量有效值电路：1 信号分压处理后直接连接到 A/D 器件，FPG
8、A 控制A/D 器件首先进行等间隔采样，并将采集到的数据存到 RAM 中，然后处理采集到的数据，可在程序中判断信号的周期，根据连续信号的离散化公式，做乘除法运算，得到信号的有效值，然后再计算输出电压，电流，频率，最后把计算结果送给显示单元显示。2 信号分压后先经过真有效值转换芯片 AD637.AD637输出信号的有效值模拟电平，然后通过 A/D 采集送到 FPGA，直接计算输出电压，电流，频率，最后把计算结果送显示单元显示即可。有效值测量电路框图如图2-3 所示。待处理的信号AD637 ADC0809 FPGA 显示图 有效值测量电路框图比较：显然 1 占用大量 FPGA 内部资源，造成可用资
9、源减少，不利于设计其他方面的利用，故选择方案 2。2.7 SPWM（正弦脉宽调制）波产生方案在给设计中，变频的核心技术是 SPWM 波的生成。SPWM（正弦脉宽调制）波产生：1 采用 SPWM 集成电路。2 采用 AD9851DDS 集成芯片。3 利用 FPGA 通过编程直接武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书4生成 SPWM 波。比较：方案 1 是较好的一种产生 SPWM 波的方案，但题目中的说明中明确规定不能使用产生 SPWM 波形的专用芯片，所以不能采用此方案，2 中由于 DDS 采用全数字计数，因此会存在杂散干扰，直接影响输出信号的质量，所以此方案也未被采用，故采用方案 3。2
10、.8 变频电源基本结构图变频电源：1 交流变频电源实际上是一个 AC-DC-AC 装置。如图 2-4 所示，但这种电路在负载改变时不能达到题目稳频，稳压的要求。AC-DC DC-DC DC-AC 负载控制电路调压 调频AC220V/50Hz图 2-4 开环结构方框图2 在上面方式的基础上，从负载端引出一个反馈信号。该反馈信号经处理后送FPGA 与预置数相比较，比较结构送输入端，形成一个闭环控制系统。该系统可靠性高，误差小，满足题目要求。结构方框图如图 2-5 所示。武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书5AC-DC DC-DC DC-AC 负载控制电路调压调频AC220V/50Hz图 2
11、-5 闭环结构方框图考虑到本设计方案，选择方案 2。3 三相正弦波变频电源系统组成所设计的三相正弦波变频电源系统方框图如图 3-1 所示。控制方式采用单片机和 FPGA 共同控制的方式，由单片机 AT89S52,IR12864-M 液晶显示器，44按键构成人机界面。单片机控制 IR12864-M 液晶显示器 44 按键，并与 FPGA的通信。FPGA 作为本设计系统的主控器件，采用一块 Spartan 2E 系列XC2S100E-6PQ208 芯片，利用 VHDL（超高速硬件描述语言）编程，产生PWM 波河 SPWM 伯。同时，利用 FPGA 完成采集控制逻辑，显示控制逻辑，系统控制及信号分析
12、，处理，变换等功能。220V/50HZ 的市电，经过一个 220V/60V 的隔离变压器，输出 60V 的交流电压，经整流得直流电压，经斩波得到一个幅度可调的稳定直流电压。斩波电路的 IGBT 开关器件选用 BUP304;BUP304 的驱动电力由集成化专用 IGBT驱动器 EXB841 构成；EXB841 的 pwm 驱动输入信号由 FPGA 提供，并采用观点隔离。输出的斩波电压经逆变得到一系列频率的三相对称交流电。逆变电路采用全控桥逆变电路，MOSFET 桥臂由 6 个 K1358 构成。 K1358 的驱动电路选用 IR2111 的控制信号 SPWM 由 FPGA 提供。武汉理工大学电力
13、电子装置和系统课程设计说明书6图 3-1 三相正弦波变频电源系统框图交流输入斩波变换光电隔离光电隔离桥式逆变 滤波输出直流输出滤波桥式整流扼流圈三相交流电输出过压保护EXB841驱动IR2111驱动电流检测电压检测占空比可调计数器可编程分频器SPWM 数据表 隔离 隔离真有效值变换真有效值变换ASC0809A/D 转换波形变换占空比锁存器 分频系数锁存器比较运算器 比较运算器设置数设置数输出电流指示通信模块单片机 AT89S52IR12864-M汉字液晶显示器DS18B20温度传感器DBABFPGA武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书7逆变输出电压经过低通滤波，输出平滑的正选波，输出信
14、号分别经电压，电流检测，送 AD673 真有效值转换芯片，输出模拟电平，经模、数转化器ADC0809，输出数据送 FPGA 处理。送人 FPGA 的数据经过一系列处理，送显示电路，显示输出电压，电流，频率及功率。4 交流电源整流滤波电路设计市电经 220V/60V 隔离变压器变压为 60V 的交流电压，输出扼流线圈，消除大部分的电磁干扰，经整流输出，交流电转变成脉动大的直流电，经电容滤波输出脉动小的直流电。在电路中有两个保险丝，题目要求输出电流的有效值达到 3.6A 时，执行过流保护，则采用 4A 的保险丝。输出端并联的电容为 为滤1C波电容，容值为 470 。 端连接过压保护电路。FINJD
15、Q5 斩波和驱动电路设计设计的斩波和驱动电路如图 5.1 所示。该电路中 IGBT（隔离栅双极性晶体管）采用BUF304，起最大电压为 1000V，TO_218AB 封装。选用 IGBT 专用集成驱动器 EXB841 进行驱动。图 5.1 斩波和驱动电路武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书8图 5.1 中， 是整流滤波的输出电压端；EXB841 的引脚端 6 连接快恢OUTJDQ复二极管 U8100；引脚端 5 连接光电耦合器 TLP521;根据资料介绍。与引脚端 2相接的电阻为 4.7k（1/2W）;引脚端 1 和引脚端 9，引脚端 2 和引脚端 9 之间的电容 , 为 47 ，12
16、C3F该电容并非滤波电容，而是用来吸收输入电压波动的电容；在斩波后的电路中接一个续流二极管（ ）来消除电感储能对 IGBT 造成的不利影响；采用由电12D感( )与电容（ ）组成的低通滤波器，尽可能降低输出电压波纹。3L6C当 IGBT 闭合时，二极管（ ）为反偏，输出端向负载及电感（ ）提供能量；12 3L当 IGBT 断开时， , , 构成回路，电感电流经二极管（ ） ，对 IGBT 起123L6 12D保护作用。光电耦合器 TLP521 的引脚图封装形式和内部结构如图 5.2 所示。图 5.2TLP521-2 引脚端封装形式和内部结图5.3EXB841 引脚端封装形式和内部结构EXB84
17、1 驱动器的引脚端封装形式和内部结构如图 5.3 所示。EXB841 的引脚功能如下；引脚端 1 为驱动脉冲输出参考端；引脚端 2 为驱动的 IGBT 脉动功率放大输出级正电源连接端；引脚端 3 为驱动脉冲输出端；引脚端 7,8,10,11 为空引脚端；引脚端 5 为过电流保护信号输出端；引脚端 6 为过电流保护取样信号连接端；引脚端 9 位驱动输出脉冲负极连接端；引脚端 14 为驱动信号负输出端；引脚端 15 为驱动信号正输入端。EXB841 驱动器内部功能有；（1）采用具有高隔离电压的光耦合器作为信号隔离。因此能用于交流 480V 的洞里设备上。 （2）内设有电流快速保护电路，武汉理工大学
18、电力电子装置和系统课程设计说明书9可根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电流。因此，能满足 IGBT 通常只能承受时间为 10s 的短路电流的使用要求。 （3）内有低速过流切断电路，当即电机电压高时，加入开信号也认为存在过电流。由于该驱动器的低俗切断电路可慢速关断 IGBT（10s 的过流不响应，从而保证 IGBT 不被损坏。如果以正常速度气短过电流，则集电极产生尖脉冲冲足以破坏 IGBT。 （4）能提供 IGBT的栅极关断电源。由于 IGBT 需要一个+15V 电压开栅电压，以获得低开启电压，还需要一个-5V 关栅电压，以防止关断状态的误动作。这两种电压（+15V 和-5V）均可由内部电路产
19、生，以实现 IGBT 栅正确关断。6 逆变和驱动电路设计在本设计中采用三相电压桥式逆变电路。6 个 MOSFET 管 2SK1358 组成该逆变电路的桥臂。桥中各臂在控制信号作用下轮流导通。它的基本工作方式为180导电方式，即每个桥臂的导电角度为 180，同一相（即同一半桥）上下两桥臂交替到导电。各相开始导电的时间相差 120，三相电压桥式逆变电路如图 6.1 所示，每个 2SK1358 并联一个续流二极管和串接一个 RC 低通滤波器。图 6.1 三相电压桥式逆变电路MOSFET 驱动电路的设计对提高 MOSFET 性能具有重要的作用，并对 MOSFET 的效率，可靠性，寿命都有重要的影响。M
20、OSFET 对驱动它的电路也有要求:能向MOSFET 栅极提供需要的栅压，以保证 MOSFET 可靠的开通和关断；为了使武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书10MOSFET 可靠地触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压，并且驱动电路要满足 MOSFET 快速转换和峰值电流的要求；具备良好的电气隔离性能；能提供适当的保护功能；驱动电路还应该简单可靠，体积小。在设计中采用 3 个 IR2111 作为 MOSFET 的驱动电路。MOSFET 控制及驱动电路如图 6.2 所示图 6.2MOSFET 控制及驱动电路IR2111 是 MOSFET 专用驱动集成电路，采用 DIP-8 封装。其主
21、要技术特点有：可驱动同桥臂的两个 MOSFET：内部自举工作：允许在 600V 电压下直接工作：栅极驱动电压范围宽：单通道施密特逻辑输入，输入与 TTL 及 CMOS 电平兼容：死区时间内置：高边输出，输入同相，低边输出死区时间调整后与输入反相。IR2111 的引脚封装形式和应用电路如图 6.3（a） ，6.3（b）所示。图 6.3（a）IR2111 引脚端封装形式 图 6.3（b） 应用电路武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书117 真有效值转换电路设计逆变输出的信号经过低通滤波，三相电流分别由电流检测器转换为电压。单相电压信号由真有效值测量电路检测。真有效值电路由 4 片 AD63
22、7 构成，其基本电路如图所示。AD637 是真有效值转换芯片，可测量的信号有效值可达 7V，精度优于0.5%， 3dB 带宽为 8MHz，可对输入电平以 dB 形式指示。8 过压保护与过流保护电路设计在电路中设计了过压保护电路，其电路图如图 9.1 所示。图中 TL431 是一个三端可调分流基准源，它的输出电压用两个电阻就能任意的设置到从（2.5V）36V 范围内的任何值。它相当于一个二极管，但阳极端电压高REFV于 时，阳极与阴极导通。在电路中，当电压正常时，JDQIN 与 JDQOUT 直线连接，不起任何保护作用。在这种情况下 和 中电压为：1BHR2此时 TH431 及的基准电压为REF
23、V当发生过电压时，两电阻中点的值将大于 TL431 的基准电压，继电器吸合输入电压，接通蜂鸣器电路发声，发光二极管指示过电压现象。在设计要求中，要求巨涌过电流保护功能，而过电流保护电路也是负载缺相保护电路。由于三相负载对称时流过任一项的电流值彼此相差不会很大，所以当任一负载开路时，会导致三相负载不对称，从而使流过各相中的电流值发生较大的变化。各相中的电流值都在 FPAG 的监测范围内，所以只要当前电流超出所预定的范围，则控制保护电路动作，从而切断输入电源。过流保护电路图如图 9.2 所示，利用软件编程来控制该电路继电器的吸合，关断。FPGA 依据采样的电流信号随时监控电路中电流的情况，一旦发现
24、电路中的电流超过设定的最大电流，FPGA 就输出高电平控制信号使三极管导通，21IN21BHIR武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书12继电器吸合进入保护状态，同时接通过流只是电路，切断电源的输入，对电路起保护作用；否则，电路不动作，输入的交流电直接输出。图 9.1 过压保护电路图 9.2 过流保护电路9 单片机电路设计单片机图及其外围电路采用 AT89S52 单片机芯片（ 9.1 所示） 。矩阵式键盘以 I/O 口线组成，44 的行列结构可构成 16 个键的键盘。按键设置在行列线交武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书13点，行列线分别连接到按键开关的两端。但行线通过上拉电阻接
25、+5V/+3.3V 时，被钳位在高电平状态。在本设计中用 P1 口来控制 44 的行列线。按键输入采用中断工作方式。 （图 10.1 所示）图 9.1 单片机及其外围电路10 电源电路由于变频电源主电路的噪声干扰大，因此，为了确保控制部分的稳定性和可靠性，采用各控制和 A/D 转换电路与主电路分离的电源供电模式。因为这些部分的功耗不大，所以供电电源均采用三端集成稳压器直接得到各部分所需的电压。武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书1411 三相正弦波变频电源软件设计11.1SPWM 波的实现（1）SPWM 波的原理正弦脉冲宽度调制 SPWM 的基本原理是：根据采样控制理论中的冲量等效原理
26、，大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（即变量对时间的积分）相等，其作用效果基本相同，且窄脉冲越窄，输出的差异越小。这一结论表明，惯性系统的输出响应主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉冲的形状无关。依据该原理，可将任意波形用一系列冲量与之相等的窄脉冲进行等效。如图 12.1.1 所示，以正弦波为例，将一正弦波的正半波 k 等分（图中 k=7） 。其中每一等分所包含的面积（冲量）均用一个与之面积相等的、等幅而不等宽的矩形脉冲替代，且使每个矩形脉冲的中心线和等分点的中线重合。如此，则各矩形脉冲宽度将按正弦规律变化。这就是 SPWM 控制理论依据，由此得到的矩形脉冲
27、序列称为 SPWM 波形。SPWM 波形生成程序采用 VHDL 硬件描述语言编写。图 11.1.1 与正弦波等效矩形脉冲序列波形（2）SPWM 波形数据的产生利用 Matlab 产生波形。计算原理如下：设三相逆变电路的输出三相分别为 U 相、V 相、W 相。就 U 相而言，当换流器工作在连续导电模式下时，有OD在具体计算时，取 ，取 ，采样 64 个点，设脉冲高电平时xsin1U间为 ，脉冲低电平时间为 ，则有1Ut 2UtT64)(1其中 T 为输出正弦波的周期。武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书15又 21UtD有 则 当取 T 为 100000s 时，频率为 0.00001Hz
28、，那么频率为 ，V 相、W 相与 U 相相同。程序如下：x=0:(2*pi)/63:2*pi;Uu=sin(x)+1;Uv=sin(x+(2*pi)/3)+1;Uw=sin(x-(2*pi)/3)+1;%-Uo=D*Uu(取Uu=1）%-D=Uo=UuDu=Uu;Dv=Uv;Dw=Uw;Du=Du/2;Dv=Dv/2;Dw=Dw/2;tu1=(Du*100000)/64;tu2=100000/64-tu1;tv1=(Dv*100000)/64;tv2=100000/64-tv1;tw1=(Dw*100000)/64;tw2=100000/64-tw1;11.2 ADC0809 的控制程序设计程
29、序设计主要是对ADC0809工作时序进行控制。ADC0809是8位MOS型A/D转器是8位MOS型A/D转换器，可实现8路模拟信号的分时采集。片内有8路模拟选通开关以及相应的通道地址锁存用译码电路。其转换时间为100us。START是转换启动信号，高电平有效；ALE是3为通道选择地址（ADDA、ADDB和ADDC）信号的锁存信号。当模拟量送至某一输入端时（如IN1或IN2等） ，由3位地址信号选择，而地址信号由ALE锁存；当启动转换约100us后，EOC产生一个负脉冲，以示转换64)(102UOTtf641Tt12U武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书16结束；在EOC的上升沿，若使输
30、出使能信号OE为高电平，则控制打开三态缓冲器，把转换好的8位数据结构输至数据总线。至此，ADC0809的一次转换结束。采用状态机来设计ADC0809的控制程序。其状态转换图如图1.1.23所示，一共分为6个状态。从图中可以清晰的看出ADC0809的工作过程。ADC0809控制程序采用VHDL硬件描述语言编写。11.3 系统主程序流程图系统程序实现的功能有：产生SPWM波；产生PWM波；测量输出电压、电流、频率、频率并显示；控制ADC0809的工作；驱动液晶显示器。程序初始化，读上一次频率，判断是否有按键输入。如果按键输入，则调出相应程序，执行程序命令。判断是否有过压、过流、缺相等现象，如果存在
31、上述现象，则保护电路发生作用。通过信号的计算、处理，在液晶上显示电压、电流、频率，计算功率并显示。程序设计的关键是利用FPGA产生SPWM波。12 三相正弦波变频电路全图以下全图为将整流滤波电路，斩波电路，绝缘栅控双极型晶体管IGBT驱动电路，逆变电路，MOSFET驱动电路，测量有效值电路等电路整合与一个完整的三相正弦波变频电路（图12.1所示） 。武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书17图 12.1 三相正弦波变频电路全图武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书18结束语本设计在硬件上采用了基于 PWM 技术控制的三相桥式电压型逆变电路，完成了题目的基本部分的全部要求发挥部分的部分要求，达到了设计要求。本次课设让我充分体会到了团队合作的重要性，每人都会分担该题目所要求部分的设计，最后进行总和。武汉理工大学电力电子装置和系统课程设计说明书19参考文献1:周尘.单片机 C 语言轻松入门.北京航空航一大学出版社 .20062:康华光,陈大钦编 .电子技术基本 .高等教育出版社.20043:周润景.张丽娜 .基于 PROTEUSR 的电路及单片机系统设计与仿真.20064郑琼林 耿学文 电力电子电路精选。 机械工业出版社 19965林渭勋 编著 现代电力电子技术 机械工业出版社 2006
