单相变频电源设计 精品

第1章概论1.1电源的基本概念电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。

电源功率的大小，和是否稳定，将直接影响计算机的工作性能和使用寿命[1]。

根据电源的使用范围可分为普通电源和特种电源。

普通电源可细分为、逆变电源、交流稳压电源、、DC/DC电源、通信电源、模块电源、变频电源、变压器电源等。

特种电源又可细分为：岸电电源、安防电源、高压电源、医疗电源、军用电源、航空航天电源、激光电源、其他特种电源。

1.2变频电源与变频器的区别变频电源是由整个电路构成交流一直流一交流一滤波的变频装置，得到了广泛应用。

变频电源不仅能模拟输出不同国家的电网指标，而且也为出口电器厂商在设计开发、生产、检测等应用中提供纯净可靠的、低谐波失真的、高稳定的电压和频率的正弦波电源输出。

变频电源是非常接近于理想的交流电源，可以输出任何国家的电网电压和频率[2]。

变频器是由交流一直流一交流（）等电路构成的，变频器的标准名称应为变频调速器。

其输出电压的波形为脉冲方波，且谐波成分多，电压和频率同时按比例变化，不可分别调整，不符合交流电源的要求。

1.3变频电源的分类变频电源主要有二大种类：线性放大型和SPWM开关型。

变频电源工作方式主要分为交—直—交变频和交—交变频两大类，交—直—交变频又可分为电压型和电流型两大类，交—交变频多为电压型，也有少量使用电流型。

变频电源控制方式分为电压型、电流型、脉冲宽度调制型等。

变频电源按输出电压形式不同可分为单相变频电源和三相变频电源[2]。

1.4变频电源的应用交流变频电源调速技术在工业发达国已得到广泛应用。

美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。

采用变频电源调速，一是根据要求调速用，二是节能[3]。

交流变频调速有许多特点，如：1）调速时平滑性好，效率高。

低速时，相对稳定性好；2）调速范围较大，精度高；3）起动电流低，对系统及电网无冲击，节点效果明显；4）变频电源体积小，便于安装、调试、维修简便；5）易于实现过程自动化；6）必须有专用的变频电源、稳压器、而这些设备目前造价较高；7）在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

交流拖动本身存在可疑挖掘的节电潜力。

在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频电源调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能叨叨节电的目的。

工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频电源调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。

变频电源在科学研究与产品研发上也得到了广泛应用，被用做测试电源。

下面是变频电源在多个行业和领域中的应用：★在家电业制造业中的应用，如：空调设备、咖啡机、洗衣机、榨汁机、微波炉、收录音机、冰箱、DVD、洗尘器、电动剃须刀等产品的测试电源；★在电机、电子设备制造业中的应用，如：交换式电源供应器、变压器、电子安定器、AC风扇、不断电系统、充电器、继电器、压缩机、马达、被动元件等产品的测试电源；★在IT产业及电脑设备制造业中的应用，如：传真机、影印机、碎纸机、印表机、扫描器、烧录机、伺服器、显示器等产品的测试电源；★在实验室或测试部门的应用，如：交流电源测试、产品寿命及安全测试、电磁相容测试、OQC（FQC）测试、产品测试及研发、研究单位最佳交流电源；★在航空与军事单位中的应用，如：机场地面设施、船舶、航天、军事研究所等的测试电源。

1.5变频电源的发展趋势变频电源产品在发达国家的广泛应用，上世纪80年代后期，以日本品牌为代表的外资品牌开始涌进中国大陆，成为中国变频电源行业的开端。

经过20余年的推广和使用，变频电源这一产品已经得到广大企业用户的认可，外资品牌从三肯、富士两个品牌发展到目前的40余个，同时涌现了近百个内资品牌，品牌总数达到140多个。

从整体看，虽然国产品牌的数量众多，但绝大多数产销规模很小，综合竞争力较弱。

与发达国家相比，我国的变频电源技术相对落后。

20世纪80年代初，大连电机厂引进日本东芝的变频技术。

接着日本三垦公司、日本富士电机公司把变频电源推进中国，使我国的电机调速打破了直流调速的垄断局面，开始了交流电机变频调速时代。

1996年，国家原机械部等四部委推荐国产29个厂家33个规格的变频电源，但由于大部分本土企业受技术、资金和体制等方面制约，发展较慢，难以形成和国外品牌抗争的局面。

变频电源是运动控制系统中的功率变换器。

当今的运动控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。

因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频电源而得到迅猛发展。

随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。

变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；二要看对电网的谐波污染和输入功率因数；三要看本身的能量损耗（即效率）如何。

变频电源主电路的拓扑结构方面：变频器的网侧变流器对低压小容量的装置常采用6脉冲变流器，而对中压大容量的装置采用多重化12脉冲以上的变流器。

负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平的桥式逆变器，而对中压大容量的装置采用多电平逆变器。

对于四象限运行的转动，为实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量，网侧变流器应为可逆变流器，同时出现了功率可双向流动的双PWM变频器，对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波，减少对电网的公害脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制控制、消除指定次数谐波的PWM控制、电流跟踪控制、电压空间矢量控制（磁链跟踪控制）。

交流电动机变频电源调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面。

电机能耗占比高，节能潜力大。

通过对电机变频调速可平均节能30％以上，节能效果显著，电机节能空间巨大。

伴随着节能政策的推广，变频器行业将迎来新一轮发展。

摩根士丹利预测，中国潜在的节能市场规模达8000亿元。

果不其然，无论是消费电子还是在工业领域，利用变频技术达到节能的目的成为人们追求的目标。

在超市中，一排排的变频空调、变频风扇吸引消费者的目光；在工厂中，伺服电机、变频器现身生产线上，正为企业达到节能降耗的指标作出贡献。

中国变频器市场正在呈迅速扩大的趋势，根据一份中国国内的权威统计，在过去的几年，中国变频器市场保持着25％-35％的年增长率，增长速度排在电气行业之首位。

机械工业信息研究院产业与市场研究所发布数据称，我国变频器市场至少在10年以后才能趋于饱和，总体市场潜力为1200亿-1800亿元。

威尔凯中国区CEO陈建义透露，目前中国市场上变频器安装容量（功率）的增长率实际上在20％左右，按照这样的增长速度计算，中国的变频器市场至少要到15年后才能发展成熟并逐渐饱和。

第2章变频电源的理论基础2.1变频电源的基本原理经过AC→DC→AC变换的逆变电源称为变频电源。

变频电源主要是将现有交流电网电源变换成所需频率的稳定而纯净的正弦波电源。

理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻低、电压波形为单一正弦波（无失真）。

变频电源十分接近于理想交流电源，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[4]。

在调频调压控制技术发展的早期，多采用PAM方式，因此，变频电源逆变器输出的交流电压波形只能是方波，改变方波有效值，只能通过改变方波的幅值，即：中间直流电压幅值来完成。

随着全控型快速开关器件GTR、IGBT、MOSFET 等的出现，才逐渐发展为PWM方式。

由于调节PWM波的占空比即可调节电压幅值，所以逆变环节可同时完成调压和调频。

整流器无需控制，设备结构更简单，控制更方便。

输出电压由方波改进为PWM波，降低了输出电压的低次谐波含量。

SPWM是以正弦波作为基准波（调制波），用一列等幅的三角波（载波）与基准正弦波相比较产生PWM波的控制方式。

当基准正弦波高于三角波时，使相应的开关器件导通；当基准正弦波低于三角波时,使相应的开关器件截止。

由此，逆变器的输出电压波形为脉冲列，其特点是：半个周期中各脉冲等距等幅不等宽，总是中间宽，两边窄，各脉冲面积与该区间正弦波下的面积成比例。

这种脉冲波经过低通滤波后可得到与调制波同频率的正弦波，正弦波幅值和频率由调制波的幅值和频率决定，这就是变频电源调频调压的原理。

2.2变频电源的拓扑结构变频电源总的拓扑结构是市电输入，经过EMI滤波器处理以防止电网中其他谐波的干扰；然后是整流电路把交流变为直流电以便后续的逆变电路的工作；接着就是PWM电路发生控制电路以便控制逆变电路将直流变为交流电；驱动模块的作用是提供逆变过程中功率管的开通和关闭频率；最后就是交流输出，当然输出的滤波电路是不可忽略的；其中也包括过电流、过电压、短路保护、温度保护和相对应的检测电路；如果系统要求高还可以加上显示模块以方便查看输出的信息等。

变频电源工作原理图如图2-1所示。

图2-1 变频电源工作原理图根据电磁性的基本原理，形成电磁干扰（EMI）须具备三要素:电磁干扰源、电磁干扰途径、对电磁干扰敏感的系统。

为防止干扰，可采用硬件抗干扰和软件抗干扰。

其中，硬件抗干扰是应用措施系统最基本和最重要的抗干扰措施，一般从抗和防两方面入手来抑制干扰，其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的藕合通道、降低系统干扰信号的敏感性。

具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法[5]。

1、所谓干扰的隔离，是指从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。

在变频调速传动系统中，通常是电源和放大器电路之间电源线上采用隔离以免传导干扰，电源隔离可应用噪声隔离变压器。

2、在系统线路中设置滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源从电动机。

为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器;为减少对电源干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器。

若线路中有敏感电子设备，可在电源线上设置电源噪声滤波器以免传导干扰。

在变频器的输入和输出电路中，除了上述较低的谐波成分外，还有许多频率很高的谐波电流?，它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其他设备的干扰信号。

滤波器就是用于削弱频率较高的谐波分量的主要手段。

输出滤波器也由电感线圈构成。

它可以有效地削弱输出电流中的高次谐波成分。