1、本 科 毕 业 设 计中频变频电源的设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要变频技术是电力电子技术的主要组成部分，应用于包括交流电机的调速和供电电源等多个重要领域。变频电源是将市电中的交流电经过ACDCAC变换, 输出为纯净的正弦波，输出频率和电压在一定范围内可调。变频电源十分接近于理想交流电源，频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真） 。因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。本设计要求设计一台中频的单相交流电源，要求采用市电供电，对整个
2、主电路和控制电路进行设计，要求获得的交流电有效值可达40V，最大输出电流为1.5安培。频率在1KHz左右且可调，谐波总含量小于1。在此基础上提出了一种基于RC振荡器为逆变方式的变频方式。首先介绍了变频电源的原理、发展和现状；并在此基础上确定了整流电路、逆变电路、输出滤波器等的主要回路，且加以分析其原理，要求。然后以Multisim仿真软件绘制电路图并进行仿真，得出最终的仿真结果。其中逆变部分的电路最为关键，因此对其进行了较为详细的解释，确定其频率范围并且加以改变。此外，本文对各电路与器件的性能作了较为详细的分析，也对系统容易产生的不足之处提出了改善方法。最后给出了仿真界面上的电路图和仿真波形，
3、来观察本次设计的成果。关键字：变频电源；RC振荡器；逆变电路；MultisimIIintermediate frequency conversion power designAbstractVariablefrequency technology is a key component of the power eIectromcs technology，which has a wide range of applications，including AC motor speed control and power supply，and many other important areas. F
4、requency conversion power make electric supply go through AC, DC, AC conversion, output for pure sine wave, output frequency and voltage can change adjustable inside certain limits. Frequency conversion power very close to ideal ac power,and frequency stability, voltage stability, resistance equal t
5、o zero, voltage waveform is pure sine wave (no distortion). Therefore, advanced developed countries increasingly will inverter power used as standard power supplies, in order to provide the best with electric power supply environment, facilitate the objective assessment appliances technical performa
6、nce.The design requirements design a intermediate frequency single-phase ac power, require the use of the electric supply, to design the main circuit and control circuit, demands for alternating current RMS can reach 40V, maximum output current for 1.5 amperes. Frequency adjustable in 1KHz, the harm
7、onic total content less than 1%.On this basis I propose a frequency conversion way based on RC oscillator. Firstly we introduce the principle, development and status quo; On this basis，wo can determine Rectifier circuit, inverter circuits, output filter and analyze the principle and desires.Then I u
8、sed the Multisim draw and simulate circuit,and I can get de final simulate result. Among them the most important critical part is inverter circuits.so I proceed detailed explanation. I can ensure and change its frequency range.In addition,this paper givees a detailed analysis of each circuit and dev
9、ices performance,and put forward improve ideas.finally,I gives the circuit diagram and simulation wave form in the interface of the simulation,then we can observe the design result.Keywords：frequency conversion；RC oscillator；inverter circuits；MultisimIIIIV目 录第 1 章 绪论 .11.1 研究变频电源的背景与目的 .11.2 变频电源发展概
10、况与现状 .21.3 变频电源的发展趋势 .3第 2 章 变频电源的结构及主电路的研究 .52.1 变频电源的结构与原理 .52.2 变压整流电路的设计 .62.3 逆变电路研究 .72.3.1 设计方案确定 .72.3.2 基本方案 .72.3.3 电路设计 .92.3.4 稳幅措施 .122.3.5 振荡频率与幅度计算 .132.4 输出滤波器设计 .13第 3 章 变频电源电路仿真 .153.1 仿真软件 Multisim 介绍 .153.1.1 基本概念 .153.1.2 Multisim10.0 的概述及主要界面 .153.1.3 Multisim 特点及选用原因 .163.2 实际
11、电路图及 Multisim 仿真结果 .173.2.1 整流部分电路图及其输出效果 .173.2.2 总电路电路图以及仿真效果 .18小结 .21致谢 .22参考文献 .23附录 .241第 1 章 绪论1.1 研究变频电源的背景与目的对于每一个人来说电源是一个既熟悉又抽象的名词，我们的衣食住行离不开电源，工农生产、办公学习、国防教育、文化娱乐、科学研究、环境保护、医疗卫生、探索宇宙、通信照明、交通运输等项目，全部都少不了电源。只要用电就必定要使用电源。电力和电子电源的发展依赖于电子电力技术的进步。到了八十年代，而随着大规模以及超大规模集成电路技术的快速发展，为现代的电子电力技术发展打下了基础
12、。将高压大电流技术和集成电路技术的精细加工技术相互结合，创造了一系列全新的全控型功率器件，首先便是MOSFET的出现，引发了中小功率的电源向着高频方向发展，而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现，又给大中型功率电源向着高频方向发展带来了机遇。IGBT和MOSFET的相继出现是传统的电子电力向着现代的电子电力转化的标志。据统计，到1995年底，功率GTR和MOSFET在功率半导体器件市场上已各自形成了平分秋色的水平，而以IGBT代替GTR在电子电力领域已经成为定论。新的器件发展不仅仅为交流电机的调速和变频提供了比较高的频率，使其能力更加趋于完善，另一方面也使得现代电子技术一直向着高频方向发展，
13、为用电设备的高效节能节材，智能化，小型轻量化的实现和机电一体化提供了宝贵的技术支持。当前，电子电力作为机电一体化、智能化、自动化、节能、节材的基础，正朝着产品性能绿色化、硬件结构模块化、应用技术高频化的目标发展。在未来的发展中，电子电力技术将会令电源技术更为实用、经济、成熟，并将实现高品质用电与高效率完美融合。变频电源即是使市电通过功率变换电路变化成所要求的频率和电压的一种电源。全球各地电网制式的不统一，以及不同应用领域的电源型号要求的不同，下列情况下应当使用变频电源：(1)实验室及测试单位如：电磁相容测试、OQC(FQC)测试、研究单位最佳交流电源、产品寿命及安全测试、产品测试及研发、交流电
14、源测试；(2)IT产业以及电脑设备如：烧录机、伺服器、影印机、显示器、印表机、扫描器、传真机、碎纸机等产品的测试电源；(3)电机、电子业制造商如：马达、被动元件、压缩机、充电器、交换式电源供应器、变压器、AC风扇、不断电系统、继电器、电子安定器等产品的测试电源；(4)家电业制造商如：洗尘器、电动剃须刀、冰箱、DVD、空调设备、榨汁机、微波炉、收录音机、咖啡机、洗衣机等产品的测试电源；(5)铁路、高速公路：25Hz、静频信号电源。(6) 军事航空单位如：军事研究所、航天、船舶、机场设施等的测量电源；变频电源是组成电源系统的关键部分，其性能的优良将会直接关系到所有系统的可靠性和安全性。国内外电源界
15、的强烈关注变频电源的发展。如今已然成为极具影响力和发展2前景的一项新兴科技。变频电源以其电路简洁、高效率、低损耗等各种优点而得到人们的强烈关注，并广泛地使用于家用电器、仪器仪表、电子设备、计算机、电气传动及其通信设备当中。近年来伴随着自动化工业的高速发展，对变频电源的要求与日剧增，变频电源的研制开发生产早已成为朝阳产业，很有发展前景。现在，伴随变频电源的大范围应用，变频电源显示除了强大的生命力，其具有高集成度、高性能比、最简的外围电路、最佳的性能指标等特点 1。1.2 变频电源发展概况与现状交流电机的无级调速的广泛应用是变频技术诞生的基础。过去的直流调速技术因故障率高，体积大等问题而无法大规模
16、应用。20 世纪的 60 年代以后，晶闸管及其升级产品普遍应用于电子电力器件。不过其调速性依旧远远难以满足需求。70 年代开始，脉宽调制变压变频（PWM-VVVF）调速研究得到了突破， 80 年代以后日渐完善的微处理器技术令各种优化算法得以纷纷地得到实现。而到了 80 年代的中后期，美、德、日、英等先进国家的变频电源技术渐渐实用化，产品纷纷投入市场，得到大规模应用。随着发达国家变频电源产品的广泛应用，直到上个世纪 80 年代后期，众多的外资品牌都渐渐涌入中国市场，这成为中国变频电源行业的起源。在经过 20 余年的推广和发展后，变频电源这一新兴产业已然得到广大企事业用户的认可。逐步崛起的国产变频
17、电源，如今已经逐渐抢占高端市场。目前国内变频电源主要有两种：一种为模拟型的，另一种是程控型的。其共同点都是采用正弦脉宽调制（SPWM）技术，SPWM 电路都使用全桥逆变电路，都是采用硬件实现；而不同点是模拟型全频率、电压处的调节旋钮设定，由硬件实现，频率、电压调节全由硬件完成，主电路与测量的显示参数完全分开，即使出现不正常的测量显示，也对正常输出没有影响，并且人机对话无法达到理想，和上位机通讯不方便。而程控型的事实上是数字-模拟的混合系统，是用 196 单片机为控制核心，由程序设定调节频率、电压，程序也可以调节电压的有效值，也可由单片机来监控测量显示及其他工作状，把数据传于上位机微机较为方便，
18、但若不合理的工艺布局，或者没有编写好程序，则容易发生死机复位的现象。国内除了这两类外，还有一类使用线性放大技术的，这种电源市场 占有率很小，而功率只能做到几千瓦。国外也有两种，一类为模拟型的，与国内现有的模拟型原理几乎一样；另一种则为程控型的，是以 DSP 为核心进行控制，相比单片机，DSP 的 CPU 更快、集成度更高、存储器的容量更大。作为精简指令系统计算机（RISC） ，DSP 可对反馈电压有效值和给定电压有效值的误差使用 PI 调节，可由 DSP 完成测量显示；也能在一个周期内完成大多数指令，并且在一个指令周期内可以利用并行处理技术，完成多条指令，DSP 可以和外部的 A/D 转换器形
19、成精度较高的波形发生器，提供参考电压信号。它不但可以模拟电网电压的波动，产生所需要的动态扰动电压，以便检查设备在存在动态扰动时供电电压的性能；此外，还可以发出正弦波，模拟全球各地的频率和电压，也可以模拟电网电压的畸变，产生所需要的周3期性畸变电压，用以测试设备在供电电压存在畸变时的性能。1.3 变频电源的发展趋势现今，变频电源向着以下几个主要方向发展：(1)绿色化：绿色化的电源系统有两层要求，第一是节能的要求，这代表着节约发电容量，而发电是污染环境的主要因素，因此减少对环境的污染一大方法就是省电；第二这些电源应尽可能少甚至不污染电网，国际电工委员会(IEC)对此做出了一系列的规定，如IEClo
20、oO、IEC555、IEC917等。实际上，对电网的污染源往往是许多电子功率节电设备：将严重的高次谐波电流注入电网，降低总功率因子，令电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。在20世纪末诞生的各类有源补偿器与有源滤波器，产生了多种对功率因子修正的方法。这都为21世纪大规模制造各类绿色电源产品提供了支持。而变频电源主电路的拓扑结构方面：变频电源的网侧变流器对中压大容量的装置采用多重化12脉冲以上的变流器，而对低压小容量的装置常采用6脉冲变流器。对对中压大容量的装置采用多电平桥式逆变器，而低压小容量装置负载侧变流器常采用双电平的逆变器。对于传动第四象限的运行，为达到节省能量和变频器再生能量向
21、电网回馈，应以可逆变流器为网侧变流器，同时产生的双PWM变频器，功率可双向流动，适当控制网侧变流器可使输入电流接近正弦波，电网的公害也相对减少。目前，低、中压变频器都有这类产品 23。(2)数字化：在传统功率电子技术中是按模拟信号来设计控制部分的。在六、七十年代，电子电力技术完全是在模拟电路基础上建立的。但是如今数字电路、数字式信号显得越发重要，处理数字信号的技术日趋成熟完善，越来越多的优点显示出来：减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于计算机处理控制、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、避免模拟信号的畸变失真、容错等技术的植入。数字控制使硬件简化，使控制更富有灵活性的柔性的控制算
22、法，可实现较为复杂的控制规律，实现在运动控制系统中应用现代控制理论，与上层系统连接进行数据传输更加简便，可使故障诊断加强监视和保护功能，令系统智能化(如具有自调整功能的变频器)。目前主流的变频电源，主要控制芯片为单片机。单片机自身的性能限制，基于单片机的自变频电源系统生成PWM波的方法多采用查表法，导致无法实现较高的灵活性，变频变压无法实时控制，如果采用专门的PWM波生成芯片，成本过高，供货上也有不足之处。因为它低廉的价格和强大的运算能力，实时性与成本的问题可以很好的解决。近几年来，国外众多公司纷纷推出以 DSP(数字信号处理器)为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的
23、称为 DSP 单片电机控制器，结构紧凑，体积缩小，使用便捷，价格大大降低，可靠性提高。相比一般的单片机，DSP 的处理数字运算能力增强1015 倍，以确保系统有更优越的控制性能。(3)模块化：模块化有两方面的含义，其一是指电源单元的模块化，其二是指如上文所述功率器件的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括与之反并联的续流二极管和开关器件，其实都属于标准的功率模块。如今，很多公司4功率模块中装入开关器件的驱动保护电路，制成了“全能化”功率模块(IPM)，不但方便了整机的设计制造，更缩小了整机的体积。实际上由于不断提高频率，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，
24、对器件造成更大的电应力(主要现象为过电流、过电压毛刺)。为了提高系统的可靠性，有些制造商研制了“用户专用“功率模块(ASPM)，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间具有新的的引线连接，以达到优化完美的境地。(4)高频化：理论分析和实践经验表明，供电频率的平方根与电气产品的电容、电感和变压器的重量体积成反比，因此当我们把频率从50Hz提高到20kHz，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5到10。由于逐步提高的功率电子器件工作频率上限，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益，更可体现技术含量的价值。
25、5第 2 章 变频电源的结构及主电路的研究2.1 变频电源的结构与原理本文所研究的中频变频电源，要求采用市电供电，对整个主电路和控制电路进行设计，要求获得的交流电有效值可达 40V，最大输出电流为 1.5 安培。频率在 1KHz 左右且可调，谐波总含量小于 1。从结构上看，变频电源可分为直接变频和间接变频两大类。直接变频又称为交-交变频，是一种将工频的交流电直接转换为一定范围内频率能够调节的交流电，该变频方式中间没有直流环节。间接变频又称为交-直-交变频，是先经过整流器把工频交流电变为交流电，再通过逆变器将直流电换成频率可变的交流电的变频形式，所以该变频形式又可叫做直流环节的变频方式 4。而这
26、两种方法各有特色，所适用的领域也各有不同，但是交-直-交变频是目前变频电源的主要形式。交-交变频一般使用晶闸管作为开关器件，将晶闸管直接接在交流电源上，利用电网电压有自动过零并变负的特点，使其自动实现关断功能。这种过程与可控整流器一样，不需要换流器件的附加，运行可靠，方法简单。但是这种方法使用晶闸管数量较多，主电路复杂，且输出频率受电源频率的限制，一般不能高于电网频率的一半。隔离变压器整流 逆变 单相负载控制器220V/AC图 2.1 交直交变频电源结构图本文所研究的变频变压电源原理框图如图 2.1 所示，它主要可以分为：整流电路、逆变电路、输出滤波电路。整流电路是由二极管、极性电容、电阻负载所组成，功能是将AC220V/50Hz 的电源进行整流滤波后转换成稳定直流电源供给逆变电路。逆变电路是该电源的关键电路，其功能是实现 DC/AC 的功率变换，由正弦波振荡器生成输出为正弦波，频率可由选频网络的电阻与电感的值控制，从而实现输出为 1KHz 左右可变的正弦波。滤波电路是用来滤除干扰和无用信号，使输出为标准正弦波。
