变频电源的控制与设计

1、毕业论文（设计）院 (系)： 电子信息学院 专业班级： 电气11003班 指导教师： 余仕求 辅导教师： 余仕求 时 间： 2014年3月3日至2014年5月30日 XI目录长江大学毕业设计(论文)任务书I毕业论文(设计)开题报告III长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语XI长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定XI1绪论11.1前言11.2选题背景21.2.1本课题研究的目的和意义21.2.2 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向21.3本文概述52 系统原理分析52.1变频电源的方案论证52.2交流-直流-交流变频器的基本原理62.3 正弦脉宽调制（SPWM）原理82.3.1 单相桥式

2、双极性SPWM模式92.3.2 三相桥式SPWM模式103硬件设计113.1主电路设计113.2控制电路设计133.2.1SA4828芯片介绍133.2.2控制原理144系统的软件设计154.1系统流程154.2寄存器参数设定164.2.1初始化寄存器164.2.3初始化举例184.2.4控制程序195总结19参考文献20致 谢21长江大学毕业设计(论文)任务书学 1 毕业设计(论文)题目：变频电源控制与设计2 毕业设计（论文）起止时间：2014年3月3日 5月30日3 毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）(1) 教材：电力电子技术(2) 正弦电源频率1550HZ；电压101

3、00V；功率100W；4 毕业设计(论文)应完成的主要内容(1) 系统硬件电路设计与分析(2) 系统控制功能分析及控制方案设计(3) 电源参数及性能分析与改进措施5 毕业设计(论文)的目标及具体要求 学生通过本次毕业设计，掌握变频电源工作原理及设计方法；能够运用已学的基础理论知识和专业技术分析实际问题，设计电路，进行参数计算；锻炼分析问题的能力，培养认真、刻苦钻研的科学作风，提高自学和实际动手能力，提高论文写作水平和英语阅读理解能力。6 完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求(1) 逆变实验装置(2) 电子元件及控制线路板(3) 上机机时：80任务书批准日期 2014 年 2 月 20

4、日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 2014 年 2 月 27 日 指导教师(签字) 完成任务日期 2014 年 5 月 30 日 学生（签名） 长江大学 指 导 教 师 变控频电源计制与设教师的科研项目，生产社会实际，实验室建设等2研究目的和意义变频器电源主要用于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器， 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波，用于驱动交流异步电动机实现无级调速。变频

5、变压电源，是将市电通过功率变换电路转变为所需要的电压和频率的一种电源，如今已在国民经济的各行各业中得到了广泛的应用，比如：（1）各种进口设备。各国的工频电形式不同，如美国采用120V60Hz交流电，同本采用110V60Hz交流，台湾110V60Hz，英国240V50Hz，这使得进口设备在国内运行必须通过变频变压供电；（2）交流电机调速。交流电机变频调速具有调速平滑、调速范围宽、效率高、特性好、结构简单、机械特性硬、保护功能齐全、运行平稳安全可靠、在生产过程中能获得最佳速度参数等优点，是理想的调速方式。且有数据表明，交流电机用于风机、水泵全额运行时，采用变频调速能节电30，因此这也是国家重点推广

6、的技术；（3）风力发电。直驱型风力发电机组的发电机轴直接连接到风轮上，其转子转速随风速而改变，所产生的交流电频率也随之变化。需采用大功率电力电子变流器，将其整流为直流电，再逆变成与电网频率相同的交流电输出。通过中间电力电子环节，可对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率的利用风能；（4）实验室、航空、军事、铁路等特殊场合。变频电源以其低损耗、高效率、电路简洁等显著优点而受到人们的青睐。近年来随着工业自动化产业的高速发展，人们对变频电源的需求与日剧增，变频电源的研发、生产已发展成为前景十分诱人的新兴产业。3阅读的主要参考文献及资料名称1聂汉平.电力电子技术【M】.湖北：华中科

7、技大学出版社，2007.2丁道宏.电力电子技术【M】.北京：航空工业出版社，2002.3王兆安.电力电子技术【M】.北京：机械工业出版社，2009.4王树.变频调速系统设计与应用【M】.北京：机械工业出版社，2005.4国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向4.1国内现状（1） 国产高压变频器功率越做越大，目前国内最大能做到8000kw（2） 与发达国家的技术差距在缩小，具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中（3） 已经研制出具有瞬时掉电再恢复，故障再恢复等功能的变频器（4） 部分厂家已经开发出四象限运行的高压变频器（5） 矢量控制的高压变频器已经在应用（6） 具有研发能力和产业规模的企业逐年

8、增加 4.2国外现状高压变频器国外主流供应厂商主要有西门子，罗宾康，罗克韦尔（AB）及ABB等。以西门子为代表的国外品牌占据大量和为大型工程配套的高端市场。国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实现了全数字化。矢量控制功能和完善的工艺水平是国外品牌的一大特点。技术开发起步早，并具有相当大的产业化规模；能够提供特大功率的变频器，目前已超过20000kw；具备成熟的变频器用功率器件生产技术，如IGBT, IGCT, SGCT等；创新技术，新工艺层出不穷，并大量和快速地运用于产品中，采用输入多脉波整流，输出H桥逆变叠加多电平输出，逆变单元使用通用模块，无需输入，输出滤波器即

9、可以控制高压异步电机与同步高压电机；采用输入多脉波整流，输出E桥逆变叠加多电平输出，逆变单元使用高压模块，需输入，输出滤波器即可以控制高压异步电机与高压同步电机。大功率交-交变频调速技术：法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kw的电气传动设备用于船舶推进系统。大功率无换向器电机变频调速技术：ABB公司提供了单机容量为6万kw的设备用于抽水蓄能电站。中功率变频调速技术：西门子公司Simovert A电流型晶闸管变频调速设备（102600kw）和Simovert P GTO PWM变频调速设备（100900kw)。小功率交流变频调速技术：日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kw。4.3变频器的

10、发展趋势 变频器技术是强弱电混合，机电一体的）综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流，逆变），又要处理信息的收集，变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬，软件开发问题。（1）实现高水平的控制。（2）开发清洁电能的变频器。（3）缩小装置的尺寸。（4）高速度的数字控制。4.4变频电源正朝着以下几个方向发展：（1）高频化电气设备的变压器、电容和电感的体积、重量与供电频率的平方根战反比，当我们把频率提高，设备的体积、重量将显著下降。因此提高电子器件工作频率能带

11、来显著的节能、节水、节约成本的经济效益。（2）模块化由于频率的不断提高，导致引线寄生电感、寄生电容的影响越发严重，产生过电压、过电流毛刺等问题。为增强系统的可靠性，许多厂商开发了用户专用功率模块，将一台整机以集成芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再由传统的引线连接，以达到优化的效果。（3）数字化随着数字信号处理技术的日趋完善，基于数字技术的电力电子技术逐渐取代了原来基于模拟电路的技术，并显示出其优势：便于计算机处理控制、减小杂散信号的干扰、避免模拟信号的畸变失真，也便于自诊断、容错技术的植入。（4）绿色化许多功率电子节电设备，常常容易形成对电网的污染，向电网注入严重的高次谐波电流，从而

12、降低总功率因子，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。因此电源系统的绿色化不仅是要显著节电，减少对环境的污染，还应规定该电源不能(或少)对电网产生污染，国际电工委员会(IEC)对此已制定了一系列标准，如IEC555、IECl000、IEC917等。5主要研究内容，需重点研究的关键问题及解决思路5.1本文研究内容设计一个电源，使其输出正弦电源频率1550Hz; 电压10100v; 功率100w5.2关键问题及解决思路5.2.1主电路首先明确交流电的概念：是指电压方向改变的电压由于工频电是220v,50Hz的正弦交流电，因此首先面对的问题是变频和调压。虽然交交变频原理简单，能量变换直接，

13、效率高，但其主电路复杂，可控器件多，触发驱动电路就会复杂，只适合大容量场合应用，故选择交直交变频。我们首先用一个整流电路得到直流电源，再将直流电逆变为交流电，这样解决了变频问题。我们采用可控整流，根据需要调整控制角来改变直流电压。这样输出了一个方波脉冲的交流电，通过调压改变脉冲的幅值，通过逆变器改变脉冲的频率（PAM）。但由于此种方式之下输出波形是矩形波，有很大的谐波成分。为此我们要在此基础之上改善输出波形。我们用一连串很窄的矩形脉冲代替一个宽的矩形脉冲，由于中间存在没有脉冲的间隔，因此平均电压降低了。脉冲窄而间隔大，平均电压就低些，脉冲宽而间隔小，平均电压就高些。利用调压能力构造一个正弦交流

14、正半周和负半周，实现波形改善。在输出波形的每个半周中，将占空比由小变大再由大变小就行，改变最大电压时的脉冲宽度，就改变了平均电压的幅值实现了调压。改变脉冲宽度变化的快慢就改变了输出频率实现了变频。至于正负半波的转换，依靠两组反并联器件完成。5.2.2控制电路上述脉冲的实现（采用SPWM控制） SPWM波形（Sinusodial PWM）就是脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。产生SPWM波的原理是:用一组等腰三角形与一个正弦波进行比较，其相交的时刻（即交点）作为开关管“开”或“关”的时刻，这组等腰三角形成为载波， 图2 SPWM波形成原理而正弦波成为调制波，如图所示。正弦波的频

15、率和幅值是可控制的，改变正弦波的频率，就可以改变电源输出电压的频率，改变正弦波的幅值，也改变了正弦波与载波的交点，使得输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变电源输出电压的大小。6完成毕业设计(论文)所必须具备的工作条件（如工具书、计算机辅助设计、某类市场调研、实验设备和实验环境条件等）及解决的办法(1) 逆变实验装置(2) 电子元件及控制线路板(3)大量变频的书及文献7工作的主要阶段、进度与时间安排3.264.1 开题 查阅收集资料4.24.8 研究本课题任务 整理分析资料并完成开题报告4.94.15 了解变频电源基础知识 4.164.22 确定本设计方案 引言及方案论证部分4.234.29 电

16、路设计4.305.6 电路设计5.75.13 电路设计5.145.20 电路设计5.215.27 计算机绘图5.286.3 撰写论文6.46.10 完成论文6.116.17 答辩准备及答辩8指导教师审查意见评审意见：指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分（注：此页不够，请转反面） 评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕

17、业论文(设计)评阅教师评语（注：此页不够，请转反面）长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定变频电源的控制与设计【摘要】全数字化控制技术是正弦电源的发展趋势，与模拟正弦电源相比，它具有硬件电路简单，载波频率高，调试方便和设计周期短等优点。本文利用微处理器作为控制器，结合专用的SPWM集成电路，设计三相SPWM变频电源。 系统主电路形式采用AC-DC-AC结构，逆变部分选用IGBT单元模块加上并联缓冲电路。输入采用三相全波不可控整流电路，将三相工频电整流成脉动的直流电（），省去了同步信号为锯齿波的触发电路，简化了电路的设计与控制，提高了系统的功率因数。将上述产生的脉动直流电作为电源，为三相桥式

18、SPWM逆变电路供电，使之逆变成三相交流电。系统控制电路由 MCS-51系列的 8051 单片机和SA4828 三相 SPWM 产生器及少量的扩展外围芯片构成，通过向相应的控制寄存器写控制字就可实现变频电源的全数字化控制。【关键词】 SPWM；AC-DC-AC；IGBT；8051单片机；SA4828；变频电源The control and design of inverter power supply【Abstract】 Full digital control technology is the development trend of sinusoidal power supply, co

19、mpared with analog sinusoidal power supply, it has a simple hardware circuit, high carrier frequency, debugging convenient and the advantages of short design cycle. In this paper, by using a microprocessor as a controller, combined with the SPWM application specific integrated circuit, design of thr

20、ee-phase SPWM inverter.The main circuit of the system uses the AC-DC-AC structure, the inverter part selects IGBT unit module and parallel buffer circuit. The input uses three-phase full wave uncontrolled rectifying circuit, improve the power factor of the system. System control circuit is composed

21、of 8051 chip microprocessor of MCS-51 series and SA4828 three-phase SPWM generator and a few peripheral chips, the system realizes the full digital control of variable frequency power supply.【Key words】SPWM; AC-DC-AC; IGBT; 8051; SA4828; variable frequency power supply 致 谢变频电源的控制与设计1绪论1.1前言随着电力

22、工业的发展，越来越多的用电设备对电源的性能提出了更高的要求，迫切需要输出电压稳定但频率可以连续调节的三相电源。变频器电源主要用于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器，将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波，用于驱动交流异步电动机实现无级调速。变频变压电源，是将市电通过功率变换电路转变为所需要的电压和频率的一种电源，如今已在国民经济的各行各业中得到了广泛的应用，比如：（1） 各种进口设备。各国的

23、工频电形式不同，如美国采用120V60Hz交流电，同本采用110V60Hz交流，台湾110V60Hz，英国240V50Hz，这使得进口设备在国内运行必须通过变频变压供电；（2） 交流电机调速。交流电机变频调速具有调速平滑、调速范围宽、效率高、特性好、结构简单、机械特性硬、保护功能齐全、运行平稳安全可靠、在生产过程中能获得最佳速度参数等优点，是理想的调速方式。且有数据表明，交流电机用于风机、水泵全额运行时，采用变频调速能节电30，因此这也是国家重点推广的技术；（3） 风力发电。直驱型风力发电机组的发电机轴直接连接到风轮上，其转子转速随风速而改变，所产生的交流电频率也随之变化。需采用大功率电力电子

24、变流器，将其整流为直流电，再逆变成与电网频率相同的交流电输出。通过中间电力电子环节，可对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率的利用风能；（4） 实验室、航空、军事、铁路等特殊场合。变频电源以其低损耗、高效率、电路简洁等显著优点而受到人们的青睐。近年来随着工业自动化产业的高速发展，人们对变频电源的需求与日剧增，变频电源的研发、生产已发展成为前景十分诱人的新兴产业。1.2选题背景1.2.1本课题研究的目的和意义人类已经进入工业经济时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期。电源是向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。电源技术是一种涉及功率半导体器件，综合电力变换技术，现

25、代电子技术，自动控制技术等多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论，材料科学，电机工程，微电子技术等许多领域密切相关。在现代通信，电子仪器，计算机，工业自动化，电力工程，国防及某些高新技术中发挥着重要作用。当代许多高新技术均与电源的电压，电流，频率，相位和波形等基本参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，特别是能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力的支持。因此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度的节约电能，降低材料消耗以及提高生产效率提供

26、重要的手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响。电源如今已是非常重要的基础科技和产业，从日常生活到尖端科技，都离不开电源技术的参与和支持，电源技术也正是在这种环境中一步步发展起来的。有资料表明，受资金，技术，能源价格的影响，我国能源利用效率比发达国家低很多。由此可见，在我国电源系统将有巨大的市场潜能。在电力电子技术，计算机技术以及自动能够控制技术迅猛发展的今天，电源技术正面临着一场历史性的革命。1.2.2 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向国内现状（1） 国产高压变频器功率越做越大，目前国内最大能做到8000kw（2） 与发达国家的技术差距在缩小，具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中（

27、3） 已经研制出具有瞬时掉电再恢复等功能的变频器（4） 部分厂家已经开发出四象限运行的高压变频器（5） 矢量控制的高压变频器已经在应用（6） 具有研发能力和产业规模的企业逐年增加 国外现状高压变频器国外主流供应厂商主要有西门子，罗宾康，罗克韦尔（AB）及ABB等。以西门子为代表的国外品牌占据大量和为大型工程配套的高端市场。国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实现了全数字化。矢量控制功能和完善的工艺水平是国外品牌的一大特点。技术开发起步早，并具有相当大的产业化规模；能够提供特大功率的变频器，目前已超过20000kw；具备成熟的变频器用功率器件生产技术，如IGBT, I

28、GCT, SGCT等；创新技术，新工艺层出不穷，并大量和快速地运用于产品中，采用输入多脉波整流，输出H桥逆变叠加多电平输出，逆变单元使用通用模块，无需输入，输出滤波器即可以控制高压异步电机与同步高压电机；采用输入多脉波整流，输出E桥逆变叠加多电平输出，逆变单元使用高压模块，需输入，输出滤波器即可以控制高压异步电机与高压同步电机。大功率交-交变频调速技术：法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kw的电气传动设备用于船舶推进系统。大功率无换向器电机变频调速技术：ABB公司提供了单机容量为6万kw的设备用于抽水蓄能电站。中功率变频调速技术：西门子公司Simovert A电流型晶闸管变频调速设备（1026

29、00kw）和Simovert P GTO PWM变频调速设备（100900kw).小功率交流变频调速技术：日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kw。变频器的发展趋势 变频器技术是强弱电混合，机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流，逆变），又要处理信息的收集，变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略的硬，软件开发问题。（1） 实现高水平的控制。（2） 开发清洁电能的变频器。（3） 缩小装置的尺寸。（4） 高速度的数字控制。变频电源正朝着以下几个

30、方向发展：（1）高频化电气设备的变压器、电容和电感的体积、重量与供电频率的平方根成反比，当我们把频率提高，设备的体积、重量将显著下降。因此提高电子器件工作频率能带来显著的节能、节水、节约成本的经济效益。（2）模块化由于频率的不断提高，导致引线寄生电感、寄生电容的影响越发严重，产生过电压、过电流毛刺等问题。为增强系统的可靠性，许多厂商开发了用户专用功率模块，将一台整机以集成芯片的形式安装到一个模块中，使器件之间不再由传统的引线连接，以达到优化的效果。(3)数字化 随着数字信号处理技术的日趋完善，基于数字技术的电力电子技术逐渐取代 了原来基于模拟电路的技术，并显示出其优势：便于计算机处理控制、减少

31、杂散信 号的干扰、避免模拟信号的畸变失真，也便于自诊断、容错技术的植入。(4)绿色化许多功率电子节电设备，常常容易形成对电网的污染，向电网注入严重的搞次谐波电流从而降低总功率因子，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。因此电源系统的绿色化不仅是要显著节能，减少对环境的污染，还应规定该电源不能（或少）对电网产生污染，国际电工委员会（IEC）对此已经制定了一系列标准，如IEC555、IEC1000、IEC917等。1.3本文概述本文设计了一种全数字化变频电源，输入电路采用三相全波不可控整流电路，提高了系统的功率因数，逆变电路由绝缘栅双极晶体管(IGBT)组成，控制电路采用MCS-51系列

32、的8051单片机作为主控制器。利用MITEL（加拿大敏迪网络公司）公司生产的增强型三相脉冲调制波发生器SA4828来生成三相SPWM波，电压反馈显示电路采用A/D转换芯片ADC0809作为接口芯片。在此变频电源系统中，通过软件实现对整个系统的控制，利用单片机先将SA4828复位，再利用数据的输入模块，输入系统的初始化参数以及各种控制参数，即可得到需要的SPWM波形，以控制逆变器的工作，并且在工作状态下，利用单片机不断查询输出状态，随时调整SPWM的输出，以满足工作的要求。2 系统原理分析2.1变频电源的方案论证变频器通常有主电路、控制电路组成。主电路包括整流电路、逆变电路和直流中间电路，其中整

33、流电路将交流电变换成直流电；直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波；逆变电路将中间环节输出的直流电转换为频率和电压都可调的交流电（varible voltage varible frequency）。控制电路包括主控制电路、信号检测电路、开关器件驱动电路、外部接口电路以及保护电路，其功能是将检测电路得到的各种信号送到运算电路，使运算电路能够根据驱动要求为变频器主电路提供必要的驱动信号。变频器的基本结构如下图所示。整流电路逆变电路ACDCAC控制电路中间环节运行指令图1 变频器基本结构（1） 交交变频原理简单，能量变换直接，效率高，但其主电路复杂，可控器件多，触发驱动电路就会复杂，只适合大容量

34、场合应用。（2） 交流-直流-交流变频器是目前被广为应用的变频器。它先将恒压恒频的交流电通过整流器变换成直流电，再通过逆变器将直流电变成可控交流电的间接型变频电路。2.2交流-直流-交流变频器的基本原理按照控制方式的不同，交流-直流-交流变频器可分为以下四种方式1。（1） 采用可控整流调压、逆变器调频的方式，其结构框图如图。在该装置中，调压和调频分别在两个环节上完成，要求两者在控制电路中协调配合，器件结构简单，控制方便。其缺点是在整流环节采用了晶闸管整流器，当电压调的较低时，电网端功率因数较低。此时逆变器通常也是由晶闸管组成的，每个周期换相6次，因此输出的谐波较大。这类控制方式现在采用较少。逆

35、变器可控整流器ACDC AC中间直流环节 调压调频图2 可控整流器调压、逆变器调频的结构图（2） 采用不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频的控制方式，其结构图如图。该装置中有三个环节，整流器由二极管组成，只整流不调压；调压环节由斩波器单独进行，用脉宽调制方式，这种方法克服了功率因数较低的缺点。但由于系统输出逆变环节不变，所以仍有较大的谐波。不可控整流逆变器斩波器ACDC AC调压调频图3 不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频的结构框图（3） 采用不可控整流器整流、PWM逆变器同时调压调频的控制方式，其结构框图如图所示。这种方法较好地解决输入功率因数较低和输出谐波大的问题。PWM逆变器采

36、用全控式电力电子开关器件，因此输出的谐波大小取决于PWM的开关频率及控制方式。不可控整流器PWM逆变器ACDCAC 中间直流环节 调压调频图4 不可控整流器整流、脉宽调制逆变器调压、调频的结构框图（4） 采用PWM可控整流、PWM逆变器调压调频的控制方式，其结构图如图所示。由于计算机技术的不断发展，全数字系统使PWM控制非常容易，例如TMS320F240有12路PWM接口，可以方便地设计双PWM变频器，不仅在逆变环节采用PWM控制，其整流部分也采用PWM可控整流。因此，可以控制整个系统对电网的谐波污染非常低，同时具有较高的功率因数。不仅如此，通过PWM控制还可以使系统进行再生制动。PWM逆变器

37、PWM可控整流器 AC DC AC中间直流环节 VVVF调压调频图5 PWM整流器整流、PWM逆变器调压调频的结构框图在交流直流交流变频器中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出的电压波形是矩形波或阶梯波，这类变频器称为电压型变频器。考虑到本设计容量不是很高，尽可能提高功率因数，尽可能减少谐波，尽可能使设计电路简化，本设计采用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器调压、调频的电压型变频器。2.3 正弦脉宽调制（SPWM）原理PWM(Pluse Width Modulation)控制1就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽

38、度进行调制，来等效地获得所需要波形。SPWM波形(Sinusoidal PWM)就是脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦渡等效的PWM波形。 产生SPWM波的原理是：用一组等腰三角波与一个正弦渡进行比较，其相交的时刻(即交点)作为开关管“开”或“关”的时刻，这组等腰三角形波称为载波，而正弦波称为调制波，如图6所示。正弦波的频率和幅值是可控制的，改变正弦波的频率，就可以改变电源输出电压的频率，改变正弦波的幅值，也就改变了正弦波与载波的交点，使输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变电源输出电压的大小。图6 SPWM原理图根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性系统上时，其输出响应基本相同，

39、且脉冲越窄，输出的差异越小。换句话说，如果把各输出波形用付立叶变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。它表明：惯性系统的 输出响应主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉冲的形状无关。依据上述原理，将N等分的正弦曲线的每一等分曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等幅而不等宽的矩形脉冲波替代，且使矩形脉冲的对称线与相应的正弦等分的中线重合。显然，各个矩形波宽度是不同的，它们的宽度大小将按正弦规律变化。实用中人们常用正弦波与三角波相交的方法来确定各段矩形脉冲的宽度。三角波是上下宽度按线性变化的对称波形，如果任何一条光滑的曲线与其相交，并令该曲线值大于三角波时输出高电平，

40、小于三角波时输出低电平，这样就能得到一组等幅的、脉冲宽度正比于该函数值的矩形脉冲。如果使正弦波与三角波相交，则得到一组矩形脉冲，其幅值一定，而宽度按正弦规律变化，这当中我们称正弦波为调制波，三角波为载波。2.3.1 单相桥式双极性SPWM模式1 设调制信号为正弦波，载波信号为三角波。调制电路按要求产生两路驱动信号、，其中分别接入开关管T1、T4的栅极。与反相，分别接入载波开关管T2、T3的栅极，开关管控制规律为：图7 单相桥式PWM逆变电路 若Ur>Ut，T1、T4导通，T2、T3截止，输出电压为. 若Ut>Ur，T2、T3导通，T1、T4截止，输出电压为-.若不考虑开关管的开关时

41、间，则输出电压的波形如图6所示。 图8 双极性SPWM模式调制原理 调制波幅值与载波幅值之比称为调制度，用M表示: (1)一般来说，。2.3.2 三相桥式SPWM模式1在SPWM变换器中，使用最多的是三相桥式逆变器，如图9所示。三相桥式逆变器一般都采用双极性控制方式。U、V、W三相的SPWM控制公用一个三角载波，若用三相对称正弦信号、与三角载波进行调制，则可获得三相桥式逆变器开关管的驱动信号，U、V、W各相开关管工作规律相同，三相输出电压对称。现以U相为例来说明：图9 双极性SPWM模式调制原理当时，给上桥臂开关管T1以导通信号，给下桥臂开关管T4以关断信号，则U相相对于直流电源中点N的电位为

42、；反之，当时，给上桥臂开关管T1以关断信号，给下桥臂开关管T4以导通信号，则U相相对于直流电源中点N的电位为。T1和T4的驱动信号始终是互补的。V、W两相对直流电源中点N的电位同理可得到，其图形如图10b)、c)、d)所示。由于感性负载电流的方向和大小的影响，控制过程中，当给T1(T4)加导通信号时，可能是T1（T4）导通，也可能是D1(D4)续流导通。三相桥式SPWM逆变电路的电压波形如图10所示，可以看出各项的SPWM的波形只有两种电平。其中负载中点N与直流电源假想中点N之间的电压为 (2)负载为三相对称负载，则有 =0，可得 (3)输出线电压可由相电压算出，如U、V线电压为，其波形如图1

43、0e)所示。同一相上、下两个臂的驱动信号是互补的，但实际上为了防止上、下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加导通信号时，应延迟一段时间，使同一相上、下两个臂开关管同时关断时间，这个延迟时间也称为“死区时间”。死区时间的长短取决于开关管的关断时间，它的存在将会给输出的SPWM波形带来影响，使其偏离正弦波。若不考虑死区时间的影响，三相SPWM逆变器输出波形如图10所示:a) 调制波形；b)、c)、d)相电压输出波形；e) 线电压输出波形； f)中点电压波形图10 三相SPWM逆变器输出3硬件设计3.1主电路设计主电路的设计通常在整个电源的设计过程中具有最为重要的地位，一旦完成设计，不易轻易改变，因

44、此设计时应对各方面考虑周全，避免返工，造成时间和经费的浪费。三相变频电源系统的原理图如图 114 所示。在主电路中，市电经过适当降压后，进入整流电路，整流电路输出的直流经大电容滤波后，变得比较平滑， 然后供给逆变电路，在逆变部分， 通过 SPWM 信号对 IGBT 的通断控制， 实现输出交流电频率的变化。SPWM 信号是通过单片微机 8051 和集成芯片 SA4828 配合控制产生的。控制电路中，单片机不但用来完成对 SA4828 的初始化、输出脉宽和频率的控制，还要处理采样数据以形成闭环控制，完成对保护信号的逻辑检测。由于 51 系列单片机都是地址、数据复用总线模式，故将 MUX、RS 引线

45、连到高电平。SETTRIP 用来快速关断 SPWM 输出，当其有效时，TRIP 端输出高电平，指示灯亮。图11 单片机和SA4828控制的变频电源设计图系统主电路采用交-直-交电压型结构实现恒压变频控制，输入端接交流变压器起隔离变压作用，变压后经三相桥式不可控电路整流，可以高入端的功率因数，且也不需要控制驱动电路，结构简单。中间电路一般采用电容进行滤波，以高整流效果。逆变部分采用三相桥式电路，在中小功率的变频电路中采用 IGBT 作为主要电力电子开关，逆变部分是主电路的核心和关键，为了保护六个电力电子开关 IGBT，在每个 IGBT 两端并联 RCD 阻容吸收电路，考虑到变频电源负载的多样性，

46、因此在每个 IGBT两端并联一个电力二极管续流。3.2控制电路设计3.2.1SA4828芯片介绍5控制电路采用 MCS-51 系列的 8051 单片机作为主控制器； 利用 MITEL 公司（加拿大敏迪网络公司）生产的增强型三相脉冲调制波发生器 SA4828 两者配合来生成三相 SPWM 波，控制逆变器六个 IGBT 的通断。SA4828 采用 28 脚的 DIP 和 SOIC封装。其引脚如图 12 所示，可归纳为如下三类信号引脚。图12 SA4828引脚排列图（1） 与单片机的接口信号引脚 AD0-AD7，,和ALE可直接与地址/ 数据复用的单片机相连。此时，总线选择信号MUX和地址/ 数据引

47、脚RS都接+5V高电平。（2） 输入信号引脚 为片选信号；CLK为时钟信号，可选用有源晶振为芯片提供时基，晶振最高频率为24.576MHz；为复位信号；SETTRIP为关断信号，高电平时可快速关断全部SPWM信号。（3） 输出信号引脚 RPHT，YPHT和BPHT控制三相逆变桥的3个上桥臂的开关管；RPHB，YPHB和BPHB控制三相逆变桥的3个下桥臂的开关管。他们是标准的TTL信号，有12mA的驱动能力，可直接驱动光耦。ZPPR输出调制波的频率；WSS输出采样波形；为封锁状态，当SETTRIP有效时，该引脚为低电平，表明输出已被封锁，可接到单片机的中断引脚，以便CPU接到输出关断信号，执行必

48、要的中断服务程序，也可接一只发光二极管显示当前状态。SA4828具有很强的适用性，对于采用数据地址复用结构的处理器，和采用数据总线和地址总线分离（哈佛总线）结构的处理器，都不需增加外围电路，只需通过数据总线，SA4828就可直接与它们通讯。SA4828中的可编程48位初始化寄存器和控制寄存器设定和控制PWM的各种信息。初始化寄存器用于设定一些与电源有关并在系统运行过程中不可改变的基本参数。控制寄存器中的参数可在运行中实时改变，以控制输出脉宽调制波形的状态，实现对逆变器运行状态的实时控制。芯片内集成了6个8位暂存器（R0-R5）和两个虚拟寄存器（R14、R15）。微处理器先将数据写入暂存器，然后

49、通对R14的写操作，将数据写入初始化寄存器，完成对电源频率范围、载波范围、脉冲延迟时间、幅值控制方式、波形及看门狗定时器时间的设置。控制寄存器控制系统运行过程中的PWM输出，如软件复位、看门狗使能、计数器清零、禁止输出、正反转、及幅值控制等。对其控制的方法也是先将数据写入暂存器，然后R15的写操作将数据写入控制寄存器中。3.2.2控制原理专用产生三相SPWM的集成芯片与微机配合使用能把三路8位数字量转换成三路脉宽调制信号，形成三相波，驱动三相功率开关器件。变频电源工作时，将SA4828的引脚25,24,23接+5V，引脚16接地，引脚10接到8051的XTAL2，使8051的时钟与SA4828

50、的时钟保持同步，8051的P0的8个I/ O口与SA4828的AD0-AD7相连，为数据总线，SA4828的六路输出口（引脚20、13，引脚18、14，引脚17、15）接到驱动模块的的输入端（接光耦合器发光二极管的阴极），以输出SPWM 脉冲。SA4828的SET TRIP接制外部故障电路的输出端，一旦故障出现，该端口将对SA4828的六路输出进行封锁。将SA4828的22脚与8051的INTO相连，当保护电路中有任一故障出现，SA4828被封锁时，将进入8051的INTO中断服务程序，进行软件封锁和故障显示及报警。首先由键盘输入给定的电压和频率，单片机把它换算成变频电源将要输出的电压和频率的

51、控制字，写入到SA4828的控制寄存器，启动SA4828 。从RPHT BPHB 的6个引脚输出相应频率和电压的SPWM 控制信号，经驱动电路隔离后，分别控制6个IGBT 的导通与截止，最后在三个输出端上产生对称的三相SPWM 电压，供给三相负载。利用电压频率反馈控制系统，可以提高控制的精度。IGBT的故障检测信号接到SA4828的SET TRIP 端，一旦IGBT 发生过流、过热、短路或欠压等情况，将立即切断SA4828的6路输出信号，使IGBT 得以保护。正常工作后，根据需要对SA4828控制数据进行修改，实现系统的反馈与实时控制。调压时，输出电压经有效值变换器取样后，进行A/ D转换成数

52、字量，再在单片机中与设定值比较，经调节，得到修正值，输入到SA4828幅度控制寄存器从而达到闭环控制调整输出电压幅值。调频时，单片机根据用户设定直接修改SA4828频率控制寄存器的控制字，以改变电源输出频率，无需构成闭环。4系统的软件设计4.1系统流程软件设计是整个逆变控制的核心，它决定着逆变器的输出特性。该系统软件设计由三部分组成：主程序、初始化程序和中断服务程序。主程序是整个控制系统的核心和灵魂，只有通过主程序才能有机地调用系统中各个子程序，使他们形成一个联系紧密的整体，有条不紊的完成各种各样的操作命令。图13给出了本系统的主程序流程图。单片机首先初始化SA4828，打开中断系统。传送控制

53、参数后，判断SA4828有没有保护动作，允许输出，则开始输出SPWM控制信号，逆变器开始工作。工作过程中，单片机不断的处理检测反馈回来的信号，控制SA4828调整输出的SPWM控制信号，控制系统的输出状态，以满足系统的性能要求。在系统正常工作过程中，不断更新看门狗定时器。防止其溢出而中断SPWM控制信号的输出。初始化程序，实现键盘处理、刷新处理与下位机和其他程序主要完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等，其流程图如图14所示：中断程序处理的都是需要立即处理的故障，比如过压、欠压、IGBT故障等。这些故障信号通过或门连接到SA4828的SET TRIP 端上，只要有一个故障发生，就会使SET TRIP 端为高电平，启动SA4828内部的故障保护动作，瞬时封锁SPWM脉冲输出，同