正弦波三相变频电源的设计

三相正弦波变频电源的设计

摘要

本设计分为：三相SPWM信号的生成、逆变回路及其驱动和输出的测量显示。选择电机控制专用DSP TMS320LF2407生成SPWM信号。逆变电路主回路采用智能功率模块(IPM)。输出测量采用电压电流传感器来实现电隔离。为加快速度，采用独立于DSP的PIC单片机实现输出的测量。

关键词：变频；SPWM；DSP；PIC单片机

Abstract

The design is about tri-phase sinusoidal frequency conversion power. Three parts are included: generating tri-phase SPWM signal, inverter circuit and its drive circuit, output measuring and display. DSP TMS320F2407 is used as the controller in the system. IPM is used in the Inverter main circuit. Voltage and current sensor is used in the measuring of output, it can insulate the control circuit conveniently.PIC microcontroller is used independently to measure and display output.

Key words: frequency conversion , SPWM , DSP , PIC microcontroller

一．方案论证与比较

1．1变频电源逆变方案

根据题目的要求将交流电经整流后，经过逆变从而产生三相正弦波电源。而实现三相正弦波变频电源的关键在于逆变过程。对于小功率逆变电路一般都采用PWM技术，为了实现正弦波变频电源，本设计采用了SPWM技术。实现SPWM有以下几种方案。

方案一：采用规则采样法。规则采样法一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。

方案二：采用自然采样法。以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波。

方案三：采用自然采样法，但不采用计算的方法求得载波与调制波的自然交点时刻，而是由软件形成一个正弦表，通过软件查表的方法来比较载波与调制波的大小，进而控制脉宽来生成SPWM波。这种方法同样具有自然采样法生成SPWM 波形接近正弦波的优点，同时不需要大量的计算。

方案的选择：方案一是一个较通用的方案，方案二由于计算繁琐，不适用于实时控制。而方案三既具有接近正弦波的优点又避免了大量的运算。同时对于现在的控制器来说，软件生成一个较大的正弦表是可以做到的。故本设计采用方案三。

1.2 逆变器件方案

方案一：利用分立元件。通常采用6个IGBT作为开关器件，组成一个三相桥式逆变电路（如图1-1），然后再做一套IGBT的驱动电路，即可实现一个逆变电路。

图1-1 三相桥式逆变电路

方案二：利用集成的智能功率模块（IPM），它内部不仅仅包括桥式逆变电路和驱动电路，外围电路简单，还具有多种保护的功能。

方案的选择：两种方法都可以实现逆变电路的功能。但方案一所需外围电路复杂而采用方案二电路简单，故采用方案二。避免了由于分立元件过多而引起过多的问题。增加了电路的可靠性和安全性。

1.3 测量系统方案选择

方案一：采用电流,电压传感器将线电压线电流转化成较小的电量，之后使用集成真有效值/直流转换器和乘法器测量有效值和功率，使软件设计简单，具有较高的精度。

方案二：采用传感器将线电压线电流转化成较小的电量后，由单片机PIC18F452控制内置AD对信号进行采样，存储并对存储的数据进行分析计算，进而得到有效值和功率。此方法硬件，软件上都容易实现，并同样具有较高的精度。

方案的选择：以上两个方案功能上，精度上都能满足题目要求，但方案一使

用的器件较为昂贵，性价比不高。而方案二使用单片机系统对数据分析得到测量量，充分发挥器件的作用，具有较高的性价比，故选择方案二。

二．方案的实现及模块电路

2.1 系统框图

总体系统框图如下图所示（图2-1）：

图2-1 系统框图

2.2变频电源方案实现

2.2.1 器件的选择

2.2.1.1 控制器的选择

由于变频电源需由控制器完成SPWM控制，需要大量的计算，普通单片机难以

胜任，故我们在设计中选择DSP作为控制器。我们选择TM320LF2407A，它是电

机控制专用芯片，其内置PWM发生器等资源非常适合题目需要。

2.2.1.2 逆变路电的器件选择

逆变电路核心单元主要采用三菱公司的智能功率模块（IPM）PM30CSJ060。PM30CSJ060因其饱和压降低、保护功能丰富、额定电压为600V、额定电流为15～75A，而特别适用于低频逆变系统。PM30CSJ060内部电路，如下图所示（图2-2）。

图2-2 PM30CSJ060内部电路

PM30CSJ060内部设有门极驱动控制电路、故障检测电路和保护电路，采用带有电流传感器的IGBT芯片。内置IGBT芯片带有许多起电流传感器作用的小单元，这些小单元的信号反馈到比较器上，以检测IGBT的主电流。

2.2.2变频电源主要硬件电路设计

2.2.2.1 主电路的设计

a . 主电路的框架图（图2-3）

图2-3 主电路的框架图

b．主电路电源整流

主电路电源经过桥式全波整流后进行电容滤波，生成直流电，作为逆变电路的直流电源。为保证系统安全性，交流电源入口处串联5A保险管。下面画出了主电路主电源输入的整流部分的电路图（图2-4）。