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
3、设计 .1310 电源电路 .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
4、图 1-1 三相正弦波变频电源原理框图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
5、资源利用充分合理，因此选用方案2。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
6、阻 RG,这就影响了栅极驱动脉冲前后沿的陡度，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
7、路：1 利用 CMOS 器件驱动 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
8、后直接连接到 A/D 器件，FPGA 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
9、量 FPGA 内部资源，造成可用资源减少，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
10、方案也未被采用，故采用方案 3。2.8 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
11、压调频AC220V/50Hz图 2-5 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
12、，显示控制逻辑，系统控制及信号分析，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
13、 FPGA 提供。武汉理工大学电力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
14、低通滤波，输出平滑的正选波，输出信号分别经电压，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
15、。 端连接过压保护电路。FINJDQ5 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
16、 之间的电容 , 为 47 ，12C3F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
17、引脚端封装形式和内部结构EXB841 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，
