变频电源设计

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1、摘要本设计主要以AT89C51单片机系统为核心，实现了对交流工频电压进行整流、逆变后输出频率可调，电压稳定的三相对称正弦波交流电。在设计中运用了全控型电力电子器件和SPWM（正弦波脉宽调制）技术，有效改善电路中的谐波、提高逆变器功率因数、提高系统的动态响应速度。电路采用模块化设计，有利于升级和扩展。一、方案选择与论证本系统要求设计并制作一个三相正弦变频电源，输出线电压有效值维持在36V，输出频率在20Hz～100Hz连续可调，根据题目要求，我们提出以下三种方案。方案一：利用DDS实现变频电源，与传统的变频电

2、源所不同的是：DDS技术实现变频电源不须经过整流和逆变，输出频率精度较高还可大大节省硬件电路。但使用DDS芯片设计受功率限制且不符合题目设计框图要求，故不予采用方案二：采用单相桥式整流电路完成交流电变换成直流电任务。桥式整流电路优点是输出电压高，纹波电压较小，整流管所承受的最大反向电压较低，效率较高。逆变电路脉宽调制采用数字分频器、EPROM、D/A等器件实现。其结构框图如图1所示，EPROM事先存储离线算好的正弦波表供脉宽调制查询使用，改变正弦波扫描频率，即可实现不同的正弦波频率输出。该方案虽可实现基本要

3、求但电路过于复杂，输出电压不稳定，而且不利于人机交换。图1.方案三：整流电路同方案二，逆变电路采用全控型电力电子器件，控制电路使用AT89C51单片机。使用全控型器件可使逆变器主电路结构简单，而且控制和驱动灵活可靠、有效改善电路中的谐波和功率因数、提高系统的动态响应速度。考虑到全控型器件的动静态特性和安全性，我们采用智能功率模块IPM。IPM即IntelligentPowerModule(智能功率模块)的缩写，是以IGBT为功率器件的新型模块。这种功率模块是将输出功率元件IGBT和驱动电路、多种保护电路集成

4、在同一模块内，与普通IGBT相比，在系统性能和可靠性上有进一步的提高，而且由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使散热器的尺寸减小，故使整个系统尺寸减小。由一片单片机实现脉宽调制，控制功率器件的导通和关断以及频率设定。另一片单片机实现电压电流频率功率检测和相应的保护以及人机交换。这种方案由于采用单片机技术，使得其具有智能化的特点，简化了硬件电路，有效提高测量精度，同时也有利用软件对系统误差进行补偿。电路原理框图如图2示。分析以上三种方案的优缺点，显然第三种方案具有更大的优越性、灵活性，故我们采用第三种方案。

5、二、单元电路分析与计算如图2所示，系统主电路主要由整流、逆变、控制三部分构成。图2.1.整流电路整流电路依靠二极管的单向导电性完成将交流电变换成直流电。由桥式整流电路分析可知：输出端负载电压为0.9倍的变压器二次侧电压，即UL=0.9U2。由纹波系数计算公式：可知桥式整流电路纹波系数较小，但UL中存在一定的纹波，故需要滤波电路来滤除纹波，我们选用C型滤波电路。整流桥选用整流桥堆，滤波电容选用耐压耐流较高的电解电容。为改善电容滤波输出特性较差的缺点，可选用两极电容滤波。电路图见图3。图3.主回路电路图2.逆变

6、电路逆变电路用三相桥式电压型逆变电路，选用全控型器件IGBT，采用正弦波脉宽调制技术（SPWM）调节输出电压。输出频率和电压的调节均由逆变器完成。SPWM技术是采用等腰三角波作为载波信号，正弦波作为调制信号，通过正弦波电压与三角波电压信号相比较的方法，确定各个分段矩形脉冲的宽度。用正弦波电压信号作为调制信号时，可获得脉宽正比于正弦值的矩形脉冲列。SPWM主要由单片机通过软件生成SPWM波。单片机通过改变输出口的状态，改变开关模式和时间基数来驱动逆变器动作，就可得到相应的SPWM波。具体操作见软件说明。3.控

7、制电路控制电路主要由单片机和检测电路构成。一个单片机控制IGBT触发和关断，使输出为三相对称交流电。改变输出状态，改变输出电压频率。另一个单片机完成频率设定同时完成对输出三相交流电的频率，电流测量。频率检测电路通过交流电流互感器得到小信号交流电然后经过阻容滤波后得到与原信号同频率的信号，再经过过零比较器后输出为规则变化的高低电平，即一个周期有两个电平变化信号，这些信号可以为单片机所识别。单片机通过检测即可测的对应频率。交流电流检测也是通过交流电流互感器得到幅值较小的电压信号，通过整流滤波后，得到直流电压信号

8、。直流电压信号通过A/D转换进入单片机进行数据处理后可得与原电流成比例的数字量。检测和控制电路如图4所示。图4.1频率检测电路图4.2电流检测电路三、软件的设计说明本系统采用双CPU工作，一个CPU作为控制器，控制整个系统的运行，另一个CPU用于产生SPWM波形，用于驱动IGBT工作，实现逆变，该CPU受控制器的控制。图5.系统控制电路图1、控制程序设计控制程序控制按键、显示等功能，程序代码如下：D8279EQU