三相正弦波变频电源课程设计

三相正弦波变频电源设计

1设计任务分析

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。

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选择

2.1 整流滤波电路方案选择

方案一：三相半波整流电路。该整流电路在控制角小于30°时，输出电压和输出电流波形是连续的，每个晶闸管按相序依次被触发导通，同时关断前面已经导通的晶闸管，每个晶闸管导通120°；当控制角大于30°时，输出电压，电流的波形是断续的。

方案二：三相桥式整流电路。该整流电路是由一组共阴极电路和一组共阳极电路串联组成的。三相桥式的整流电压为三相半波的两倍。

三相桥式整流电路在任何时候都有两个晶闸管导通，而且这两个晶闸管中一个是共阴极组的，一个是共阳极组的。他们同时导通，形成导电回路。

比较以上两种方案，方案二整流输出电压高，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，因此选用方案二。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 逆变电路方案选择

根据题目要求，选用三相桥式逆变电路

方案一：采用电流型三相桥式逆变电路。在电流型逆变电路中，直流输入是交流整流后，由大电感滤波后形成的电流源。此电流源的交流内阻抗近似于无穷大，他吸收负载端的谐波无功功率。逆变电路工作时，输出电流是幅值等于输入电流的方波电流。

方案二：采用电压型三相桥式逆变电路。在电压型逆变电路中，直流电源是交流整流后，由大电容滤波后形成的电压源。此电压源的交流内阻抗近似于零，他吸收负载端的谐波无功功率。逆变电路工作时，输出电压幅值等于输入电压的方波电压。

比较以上两种方案，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，选择方案二。

2.3 SPWM（正弦脉宽调制）波产生方案选择

在给设计中，变频的核心技术是SPWM波的生成。

方案一：采用SPWM集成电路。因SPWM集成电路可输出三相彼此相位严格互差120°的调制脉冲，随意可作为三相变频电源的控制电路。这样的设计避免了应用分立元件构成SPWM波形发生器离散性，调试困难，稳定性较差。

方案二：采用AD9851DDS集成芯片。AD9851芯片由告诉DDS电路，数据输入寄存器，频率相位数据寄存器，告诉D/A转换器和比较器组成。由该芯片生成正弦波和锯齿波，利用比较器进行比较，可生成SPWM波。

方案三：利用FPGA通过编程直接生成SPWM波。利用其中分频器来改变脉冲信号的占空比和频率，主要是可通过外部按钮发出计数脉冲来改变分频预置数，实现外部动作来控制FPGA的输出信号。

比较上述3种方案，方案一是较好的一种产生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，方案二由于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，故采用方案三。

2.4 变频电源基本结构图

方案一：交流变频电源实际上是一个AC-DC-AC装置。它先将来自公共电网的交流电经过整流器变成直流电，再通过逆变器将之转变成满足负载需要的交流电，所以基本结构由整流电路，逆变电路，控制电路，负载匹配电路等几部分组成。如图2-1的开环控制方式，但这种电路在负载改变时不能达到题目发挥部分稳频，稳压的要求。

图2-1 开环结构方框图

方案二：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2-2所示。

图2-2 闭环结构方框图

考虑到本设计方案，选择方案二。

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，4×4按键构成人机界面。单片机控制IR12864-M液晶显示器4×4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Xinlinx公司生产的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，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。

图3-1 三相正弦波变频电源系统设计方框图

逆变输出电压经过低通滤波，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。

4总电路设计图

图4-1 总电路图

5各部分电路设计

5.1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，其电路如图5-1所示。在电路中F1,F2为保险丝，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C11为滤波电容，容值为470μf。JDQin端连接过压保护电路。

图5-1交流电源整流滤波电路

5.2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4-3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。MOSFET驱动电路的设计对提高MOSFET性能具有举足轻重的作用，并对MOSFET 的效率，可靠性，寿命都有重要的影响。MOSFET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MOSFET 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