“三相正弦波变频电源”

urU u O uUN'
Ud 2 Ud − 2
urV
uc
urW
ωt
O
ωt
uVN'
Ud 2
O
Ud − 2 Ud 2
ωt
uWN' O uUV Ud O -Ud uUN O
ωt
ωt
2Ud 3 Ud 3
ωt
SPWM技术目前已经在实际得到非常普遍的应用。经 技术目前已经在实际得到非常普遍的应用。 技术目前已经在实际得到非常普遍的应用 过长期的发展，大致可分成电压SPWM，电流 过长期的发展，大致可分成电压 ，电流SPWM和磁 和磁 通SPWM。其中电压和电流 。其中电压和电流SPWM是从电源角度出发的 是从电源角度出发的 SPWM，而磁通SPWM则是从电动机角度出发的 ，而磁通 则是从电动机角度出发的SPWM。 。 则是从电动机角度出发的 电压SPWM技术是通过生成的 技术是通过生成的SPWM波信号来控制逆变 电压 技术是通过生成的 波信号来控制逆变 器的开关管，从而实现电动机电源变频的一种技术。 器的开关管，从而实现电动机电源变频的一种技术。产生 电压SPWM信号的方法有硬件法和软件法。其中软件法是 信号的方法有硬件法和软件法。 电压 信号的方法有硬件法和软件法 使电路成本最低的方法，它通过实时计算来生成SPWM波。 使电路成本最低的方法，它通过实时计算来生成 波 但是实时计算对控制器的运算速度要求非常高。DSP无疑 但是实时计算对控制器的运算速度要求非常高。 无疑 是能满足这一要求的最理想的控制器。电压SPWM 信号实 是能满足这一要求的最理想的控制器。电压 时计算需要数学模型。建立数学模型的方法很多， 时计算需要数学模型。建立数学模型的方法很多，有谐波 消去法、等面积法、采样型SPWM法以及由它们派生出的 消去法、等面积法、采样型 法以及由它们派生出的 各种方法。 各种方法。
• • • •
资料表明，上个世纪后期发达国家有70﹪ 以上的电能是经过变换之后提供给负载的，在 本世纪这个比例还要提高，公共电网直接为负 载供电的比例越来越小。 静止变流器在电能的 变换、电能的处理、电能的控制中起着重要作 用。2005年全国大学生电子设计竞赛G题 “三相 正弦波变频电源” ，较好地体现了电力电子学 中一个重要的研发方向。 参赛学生通过对题意的理解剖析、电路的设 计制作、实验调试、测试比较、资料查阅、论 文撰写等过程，可以提高工程意识、创新意识、 前沿意识等。
4π πk u A = sin + 3 N
如果使用不对称规则采样法，则顶点采样时有：
π k C t on 1 = 1 + M sin N π k 2π B t on 1 = 1 + M sin + 3 N k = 0, 2, 4 L , 2 N − 2 ) (
C C C ton = ton1 + ton 2 B B B ton = ton1 + ton 2 A A A ton = ton1 + ton 2
( k = 1, 3, 5L , 2 N − 1)
式中k为偶数时代表顶点采样，k为奇数时底点采样。
以上是单相SPWM波生成的数学模型。如果要生成三相SPWM波，必须 使用三条正弦波和同一条三角波求交点。三条正弦相差120度，即：
πk u C = sin N πk u B = siBaidu Nhomakorabea N + 2π 3
生成 SPWM波的脉宽为：
t on = t on 1 + t on 2 = TC 2 M (sin ω t1 + sin ω t 2 ) 1+ 2
由于每个载波周期采样两次，所以
TC k 2 T t2 = C k 2 t1 =
ωt1 = 2πft1 = 2πf
(k = 0,2,4 L ,2 N − 2 )
无论对电能进行何种形式的变换，都 必须依据一定的电路形式来实现。这些电路包 括控制电路、驱动电路、 缓冲电路以及承担 大功率的主电路，可以把它们一并称之为电力 电子电路，这表明了电力电子技术与微电子技 术之间密不可分的关系 因此，G题是对参赛学生的模拟电路、数 字电路、单片机的应用、 D/A 、 A/D 、功率 器件的应用、软件设计、滤波器设计等知识点 的综合考察。
(k = 1,3,5 L ,2 N − 1)
TC πk (k = 0,2,4 L ,2 N − 2 ) k= 2 N TC πk ωt 2 = 2πft 2 = 2πf k= (k = 1,3,5 L ,2 N − 1) 2 N T πk t on1 = C 1 + M sin (k = 0,2,4 L ,2 N − 2 ) 2 N TC πk t on 2 = 1 + M sin (k = 1,3,5 L ,2 N − 1) 2 N
更为重要的它是一种通用型单片机，并非题 目限制使用的芯片
符合题意要求的总体方案
3控制电路设计
• DSP接口电路 接口电路 反馈电压、负载电流的采样及调理电路
• 保护电路 短路及过热保护电路
• SPWM波形产生原理 SPWM波形产生原理
规则采样法
1 + ma sin(i ∗ 2π / N)
δ
=
• 当在三角波的顶点对称 轴位置t1时刻采样时， 则有
toff 1 =
TC − a 4 TC ton1 = +a 4
• 当在三角波的底点位置 t2时刻采样时，则有 •
t on 2 = t off 2
TC +b 4 TC = − b 4
将三角形相似关系式
2
2 Tc 2
Tc δ = (1+ ma sin(∗2π / N)) i 2
i ∗ 2π N
N = fc / f0
DSP中有两个事件管理器模块EVA和EVB， DSP中有两个事件管理器模块EVA和EVB，以 中有两个事件管理器模块EVA EVB为例， EVB为例，其中三个定时器并有与之对应的三个比 为例 较器，每个比较器又有与之对应的寄存器。 较器，每个比较器又有与之对应的寄存器。将比 较器设置成PWM模式， 较器设置成PWM模式，每路比较器又可输出极性相 PWM模式 反的两路PWM信号。在周期寄存器T3PR T3PR一定的情况 反的两路PWM信号。在周期寄存器T3PR一定的情况 PWM信号 通过改变寄存器中的值， 下，通过改变寄存器中的值，可以改变矩形脉冲 的宽度，再利用比较寄存器的PWM PWM特性即可方便地 的宽度，再利用比较寄存器的PWM特性即可方便地 得到PWM信号。 得到PWM信号。 PWM信号
• 方案3：采用数字信号处理器（DSP） 方案3 采用数字信号处理器（DSP）
TI公司的TMS320LF2407A有如下特点 1.片内有丰富的硬件资源； 2.有高速的数据处理能力； 3.可方便地产生系统所需要的6路SPWM信号； 4.外围接口简单便于组成最小系统； 5.便于实现数字PID电压反馈调节。
2总体方案设计
• 方案的论证与比较
如采用MA838,SA4828，SA866/868，HFE4752… 等等专用（ASIC)SPWM芯片，设计将得到简化。但 题目限定不能使用ASIC，因此可能有如下方案 方案1 分别产生载波和调制波进行SPWM 方案1：分别产生载波和调制波进行SPWM
• 方案2：数字加模拟电路产生SPWM 方案2 数字加模拟电路产生SPWM
• 整流滤波电路
Lf Cf
Ud
选用桥式整流器.选择二极管整 选用桥式整流器 选择二极管整 桥应考虑二极管的额定反向峰值电 压及额定电流,要高于在电路中承受 压及额定电流 要高于在电路中承受 的反向峰值电压和整流电流, 的反向峰值电压和整流电流 并留有一定的裕量.经计算选择 并留有一定的裕量 经计算选择 10A,300V的整流桥 的整流桥. 的整流桥 滤波电感和滤波电容的选择: 滤波电感和滤波电容的选择 、 根据公式
π k 4π A t on 1 = 1 + M sin + 3 N
底点采样时有：
π k C ton 2 = 1 + M sin N π k 2π B ton 2 = 1 + M sin + 3 N π k 4π A ton 2 = 1 + M sin + 3 N
a U = M TC 4 b U = M TC 4
sin ω t 2 US sin ω t 2 US
代入上面两个式子得：
TC (1 − M 1 4 T t on 1 = C (1 + M 4 T t on 2 = C (1 + M 4 T t off 2 = C (1 − M 4 t off = sin ω t 1 ) sin ω t 1 ) sin ω t 2 ) sin ω t 2 )
对称规则采样法
对称规则采样法的数学模型非常简单，但是由于每个载波 周期只采样一次，因此所形成的阶梯波与正弦波的逼近程 度仍然存在较大的误差。如果既在三角波的顶点对称轴采 样，又在三角波的底点对称轴位置采样，也就是每个载波 周期采样两次，这样所形成的阶梯波的逼近程度会大大提 高。由于这样采样所形成的阶梯波与三角波的交点并不对 称，因此称其为不对称规则采样法。与规则采样法相比每 个载波周期采样两次，这样形成的阶梯波与正弦波的逼近 程度会大大提高。由于采用了内存大运算速度高的DSP， 软件控制算法选用不对称规则采样法。不对称规则采样法 生成SPWM波如图所示：
L f = 0.030 C f = 0.12 U sTs Is I sTs Us
计算得滤波电感、电容分别为 7.6mH,1890µF，实际取 ， 8mH,2200 µF
• 逆变电路 功率器件承受的电流
Ids = 3ILOAD=3 3 =5.2A
选用10A/600V 6单元的IGBT功 单元的IGBT 选用10A/600V 6单元的IGBT功 率集成模块（IPM）最佳。 率集成模块（IPM）最佳。但由 于市场上一时难以采购到， 于市场上一时难以采购到，所 以采用6只功率场效应晶体管， 以采用6只功率场效应晶体管， 10N90（10A/900V） 10N90（10A/900V）组合成三相 桥式电路。 桥式电路。调试及负载实验证 明满足要求。 明满足要求。(根据选取组数多 少在定选用什么功率器件！ 少在定选用什么功率器件！)
a 主程序流程
b 定时器下溢中断流程
4主电路设计
主电路包括： 隔离变压器 整流滤波器 逆变器 输出滤波器
• 隔离降压变压器
根据题目要求在交流电 网的输入端需要一个隔离降 压变压器， 压变压器，对其参数进行了 设计调整： 设计调整： CD20×40× 铁心规格 CD20×40×60 在网压198V时 在网压198V时，将变压器次 198V 级电压提高到80V 80V， 级电压提高到80V，初次级 匝比W1 W2＝ W1／ 匝比W1／W2＝2.5; 871匝 初级 871匝, Ф=0.64 363匝 次级 363匝, Ф=1.04
“三相正弦波变频电源” （G题）解 三相正弦波变频电源” 三相正弦波变频电源 析
“三相正弦波变频电源” （G题）解析 三相正弦波变频电源” 三相正弦波变频电源
1 2 3 4 5 命题意图 总体方案设计 控制电路设计 主电路设计 题目特点及结论
1 命题意图
电源是一种能源，是对电能进行变换和 控制的装置。有以下四种变换方式： 交流－直流变换（AC／DC），整流技术 直流－交流变换（DC／AC），逆变技术 直流－直流变换（DC／DC） 交流－交流变换（AC／AC） 该电源涵盖了前两种变换技术，其中最 为核心的是逆变技术，电能变换技术是电 力电子学中最基本的知识点之一。