交流变换器装置设计

图1-1整体系统框图
2部分所用芯片简介
2.1 DAC0832
DAC0832是采样频率为八位的D/A转换器件. DAC0832内部结构资料:芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，还可以外接。该片逻辑输入满足TTL电压电平范围，可直接与TTL电路或微机电路相接。
在交流电路整流中，用了单相桥式全控整流电路，电路图如图3-1所示，
图3-1单相桥式全控整流电路
3.1.2参数计算
在电路中，取R=5 ，U=220V， 。
晶闸管承受最大反向电压为：
流过每个晶闸管的电流有效值：
故晶闸管的额定电压：
故晶闸管的额定电流为：
3.1.3原理说明
在电源电压 u2 正半周期间，VT1、VT4 承受正向电压，若在触发角α处给 VT1、VT4 加触发脉冲，VT1、VT4 导通，电流从电源 a 端经 VT1、负载、VT4 流回电源 b 端。当u2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1 和 VT4 关断。 在电源电压 u2 负半周期间，仍在触发延迟角α处触发 VT2 和 VT3，VT2 和 VT3 导通，电流从电源 b 端流出，经过 VT3、R、VT2 流回电源 a 端。到 u2 过零时，电流又降为零， VT2 和 VT3 关断。此后又是 VT1 和 VT4 导通，如此循环的工作下去。该电路的移向范围是 0―π。另外，由于该整流电路带的是反电动势负载，因而不是正半轴的任意时刻都能开通晶闸管的，要开通晶闸管必须在交流电瞬时值大于 E 的时候去触发。提前触发的话，晶闸管会在E的作用下承受反向电压，无法导通。
交流变换器装置设计
1原理简述
1.1设计要求
本次设计要求对输入的单相交流220V/50HZ，采用AC/DC、DC/AC变换,输出220V/400Hz的单相交流电，并设计出完整的电路图。
1.2设计方案
在所给的要求中，要求输入的是单相交流220V/50HZ，通过AC/DC、DC/AC变换，输出的是220V/400HZ的单相交流电，这属于交-直-交变频。因此需要先对输入电压进行整流，然后通过电容滤波后，再采用电压型单相桥式PWM逆变电路，利用调制电路设置信号波的频率400HZ，调制信号设置成5000HZ的SPWM正弦波，最后利用LC滤波电路将得到的交流方波变成正弦波。最终得要的就是220V，400HZ的交流电，满足设计的要求。整体的设计系统框图如图一所示。
图3-1单相桥式全控整流电路
2.2 CD4040
CD4040是12位二进制串行计数器，所有计数器位为主从触发器。计数器在时钟下降沿进行计数，CR为高电平时，对计数器进行清零。由于在时钟输入端使用斯密特触发器，对脉冲上升和下降时间无限制。所有输入和输出均经过缓冲。
3电路设计
3.1整流电路设计
3.1.1电路图设计
.......
图3-5 TLP250组成的驱动原理图
3.3.5 辅助电源设计
在桥式逆变电路中，一个桥臂上下两管驱动电源应各自独立，两个桥臂的上管无共地点，下管可以共地。采用单端反激式开关电源作为辅助电源提供三组20V电源和正负12V电源。3组20V电源分别作为4个IGBT的驱动模块电源，正负12V电源给控制系统芯片供电。
正弦波的频率由稳定度相当高的晶振分频得到,对一个已经写好数据的EPROM,若改变正弦扫描频率,可以改变标准正弦波频率。
图3-3标准正弦波发生电路
3.3.3 SPWM形成电路
本装置SPWM形成电路如图3-4所示,正弦信号SINE和三角载波信号TR来自前级电路;TL084是运算放大器,-TR由它接成的反向器得到。电路中大量使用了芯片LM311,它是由DIP8封装的快速电压比较器,不仅可以作为比较器,还可以利用它的特点作脉冲封锁。它的应用方法是:8脚、4脚分别接芯片电源的正、负端;2脚、3脚分别是同相、反相输入;1脚是低电平设定(可接电源负或地),它的电压值决定了LM311输出的低电平值;7脚为输出端,逻辑判断为“高电平”时,集电极开路(OC门特性),因此,7脚必须有上拉电阻同正电源连接,否则,没有高电平输出。图中的R1、R2、R3、R4等都是上拉电阻;5、6脚用来调节输入平衡(可不用),6脚还可以用作选通,如果LM311的6脚接低电平,其输出恒为高电平,这个特点往往用来设置脉冲封锁。
（3-1）
在连续工作模式下， ，输出电压的表达式：
（3-2）
4系统电路图
系统电路图如下所示：
图4-1系统电路图
5小结与体会
本次课程设计的任务是将220V/50Hz的交流电通过ＡＣ－ＤＣ—ＡＣ变换成220V/400Hz的交流电。本次设计用到了许多以前所学的知识，但是由于以前学的知识有很大一部分已经忘记了，所以就只有把书拿出来重新看看。在设计SPWM形成电路时，用了一些我们没有学过的芯片，通过网上和书本上查资料，自己已尽力的将这些芯片的原理和怎么使用弄懂。本次设计，将理论上的知识应用到实践中去，自己从中收获了很多。从本次课程设计中，我也发现了我很多的不足，在知识上欠缺太多了，本来很多学过的，但在应用的时候却一头雾水，不知道从何下手。在以后的学习生活中，我将会努力的去提高自己，让自己在知识和应用能力方面有所进步。
3.3控制系统设计
控制系统中采用了数模结合的SPWM控制电路，它由数字分频电路、三角波形成电路、调节器、标准正弦波形成电路及PWM形成电路等组成。系统的电压调节是为了稳定电压，电流调节是为了限制输出电流。系统对输出波形采用开环控制，直接将幅值受控的标准正弦波和三角波比较。
3.3.1数字分频电路
图3-2是数字分频电路，Y是石英晶体振荡器，它有稳定的振荡频率，频率稳定度可以达到可以到达万分之一。该电路选用振荡频率为1.8432MHz的晶振，它和R1、C1、C2组成频率信号产生电路，得到1.8432MHz的频率信号，在经过数字电路CD4017、CD4040处理，输出两路频率信号。CD4017是十进制计数器，第7脚的Q3计数端引至第15脚的复位端可以实现3分频。CD4040是串行的二进制计数器，9脚Q1可以实现2分频，2脚的Q6可以得到2的6次方即64分频。率为102.4kHz。
正弦扫描频率引入数字电路CD4040,CD4040的输出是一组地址扫描信号送到EPROM的地址线上,EPROM2732中存放的数据便依次送到D/A转换器DAC0832,它将这些数据转换成断续的模拟信号,经过一个小电容C1(0.1μF以下)滤波,得到连续模拟信号Uref,峰峰值由IO1端引入的给定电压UC决定,电路中UC来自调节器的输出。经运放LF356处理,可以获得正负对称、幅值为UC的标准正弦波SINE。要产生的标准正弦波的频率f1=400Hz,那么扫描频率应为fh=f1×N=400×256Hz=102.4kHz,和前面分频电路得到的频率一致。
3.2单相逆变主电路设计
开关管 是IGBT，其规格为50A/600V。电感L1是4个IGBT的缓冲电路，它还能够抑制二极管反向恢复引起的短路电流；关断缓冲电路由电阻R、电容C和二极管Ｄ并联网络组成； 折算到变压器 的原边后与L2一起构成交流滤波输出电路，变压器用作电路隔离和升压的作用。
系统在开机、关机控制时利用开关S来实现的。其中开关的两个触头用于切除或置入充电电阻R0，一个触头用于启动和关闭控制系统。
参考文献
[1]王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社
[2]杨荫福，段善旭，朝泽云，电力电子装置及系统，清华大学出版社
[3]康华光，电子技术基础（模拟部分），高等教育出版社
[4]康华光，电子技术基础（数字部分），高等教育出版社
[5]李宏，电力电子设备用器件与集成电路应用指南，机械工业出版社
图3-2数字分频电路
3.3.2标准正弦波形成电路
标准正弦波的产生是利用数字电路实现的，其电路原理如图3-3所示。
在EPROM中存放的数据（十六进制）是这样得到的：将一个周期的单位正弦波分成N等分，每一点的数据在计算机上事先离散算好再存放进去。由于写入的数据只能是正值，单位正弦波和图2-5中Uref的波形一致，幅值为1的正弦波。这里将一个周期的正弦波分成N=256份。
该系统设置PWM信号低电平有效,即PWM信号为低电平时，驱动电路产生驱动脉冲，IGBT导通。LOCK为保护电路输出的脉冲封锁信号；在电路出现故障时，LOCK的低电频送到后级各个LM311的6脚，使所有PWM为高电平，封锁驱动脉冲。
图3-4 SPWM波形成电路
3.3.4 驱动电路
驱动50A/600V的IGBT选用东芝公司生产的光电耦合器TLP250，它是具有驱动能力的快速光耦。TLP250最大输入电流为20mA，最大输出电流为1.5A，可以用它驱动50A的IGBT或者MOSFET。芯片工作电压 ,一般取20V。TLP250的8、5脚接隔离控制电源，1、4脚为空脚，6、7脚并用输出。2、3脚为控制信号输入端，内部发光二极管导通后，经光电耦合，推挽输出+15V驱动信号。当发光二极管阻断时，芯片通过5V稳压管Dz的稳压作用，为开关器件门级提供-5V反向偏置电压。原理图如图3-5所示，LM311的输出接到TLP250的3脚，TLP250的2脚通过电阻R接地。
图3-6单端反激电源
变压器PT既是一个变压器又是一个线性电感，T饱和导通时其等效阻抗近似为零，如果外加电压Ui恒定，流过绕组N1的电流 线性增长，由于绕组N1和N2是反极性的，二极管D截止，副边没有电流，导通期间的能量储存在初级电感里；当开关管截止时，副边绕组感应电动势使二极管导通，通过输出电容和负载释放磁场能量。在开关管截止期间，N1上感应电压和电源电压U1一起加在开关管T的CE结上，开关管T承受的电压：