毕业设计论文（三相正弦变频发电装置）.doc

三相正弦波变频模拟装置电子信息工程系 电子信息工程2班姓名：廖建波 学号：240799202 指导教师：杨盛国教授摘要：本设计模拟装置是由正弦波与三角波通过比较器产生的SVPWM波通过6个IR2110驱动和12个MOS开关管逆变构成的三相电路，并由单片机控制频率，频率40Hz60Hz可调；并利用单片机模数转换采集的电压值汇馈给FPGA，再通过FPGA进行数据处理，并加以对SVPWM波的控制，来实现对输出电压的实时控制，切尔，进一步对输出功率的跟踪。关键字：三相 正弦变频 SVPWM FPGA 逆变一、绪论1.1前言 随着电力电子技术的快速发展，将使电源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率。变频电源随即出现，并被广泛运用于各个领域，是变频调速的核心所在。主要还是用于交流电机的变频调速，其再电气传动系统中占据的地位也日趋重要，已获得巨大的节能效果。该题目是设计一个新型工业用的三相正弦变频发电装置。1.2题目背景及研究意义电力电子技术就是施用电力半导体器件及电子技术对电能进行变换和控制的技术。它以实现“高效率用电和高品质用电”为目标,是一门综合了电力半导体器件、电力变换技术、现代电子技术、AUTO控制技术等许多学科的交织学科。随着科学技术的成长,电力电子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。目前,它已逐步成长成为一门包罗更多学科的综合性技术学科,并在为现代通讯、电子摄谱仪、计算机工业AUTO化、电网优化、电力工程、国防及某些高新技术供给高质量、高效率、高可靠性的电能方面起着关键的效用。电力电子技术的成长主要是两个方面:一是电力电子半导体器件的成长,因为电力电子器件是电力电子技术的基础和源头,电力电子器件的机能的提高,增进了电力电子技术的应用,提高了电力电子装置的功率,减小了体积。另一方面是电力电子技术在不同应用领域详细控制技术的成长。尤其是功率变换技术的成长与应用。功率变换技术是电力电子技术中最重要、最基本的共性技术。为了满足高效、高能量密度、高精度、快速相应、宽调节范围、低谐波掉真和低成本的要求,功率变换技术从不控、半控强迫换流技术成长到普遍采用PWM控制和采用自关断器件的换流技术。1.3国内外研究现状及发展方向 由于我国市电频率固定为50Hz，因而对于一些要求频率大于或小于50Hz的应用场合，则必须设计一个能改变频率的变频电源系统。目前最常用的就是三相正弦变频发电装置。70年代出现了通用变频器的系列场频，可将工频电源转变为频率连续可调的变频电源，这就为交流电机的变频调速创造了有利的条件。这些变频器在频率设定后都有软启动功能，频率会以一定的速率从零上升设定的频率，而且此上升速率可以在很大的范围任意调整，这对同步电动机而言就是解决了启动问题。八十年代初期，日本东芝公司最先将交流变频调速技术用于空调器中。至1997年，其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调，96年引进生产线生产变频空调器，逐渐形成变频空调开发生产热点。1.4本文研究的主要内容 设计并制作一个三相正弦波变频发电模拟装置，其示意图如图1所示。用直流稳压电源供电，US=1260V中的任意一区间电压，输出相压220V，输出频率为50Hz；T为三相工频隔离变压器，变比自定，将uF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RLA=RLB =RLC=11004400。（11W44W3）图1 三相正弦波变频发电模拟装置示意图 (1)输出频率范围为50Hz的三相对称交流电，相位差1200误差小于30，各相电压有效值之差小于5V；(2)输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真；(3)当输入电压变化值为10%时，或负载电流有效值为0.050.2A三相对称交流电时，输出相电压有效值应保持在220V5%以内；(4)具有过流保护（输出电流有效值达0.3A时动作）、负载缺相保护及负载不对称保护（三相电流中任意两相电流之差大于0.05A时动作）功能，保护时自动切断输入电源；(5)具有输入欠压保护功能，动作电压20%；(6)本变换器的效率50%。二、方案设计和系统整体框架系统包括光伏电池、DC-AC变换电路、控制、反馈、测量和显示六个部分。IR2110驱动开关管的逆变电路是核心部分，控制部分利用闭环反馈法实现输出电压的稳定，采用反馈电压经过乘法器来调节SPWM波的占空比实现电压的峰值控制，采用频率跟踪法和沿触发同步跟踪法实现频率和相位的跟踪功能。当系统检测到输入欠压或输出过流动作时，通过控制继电器切断光伏电池输出，当故障解除后，系统利用试触法实现自动恢复正常工作状态的功能。体统基本框图如图1所示。 图1 系统基本原理框图二、系统方案论证（1）SPWM控制波实现方案方案一:模拟调制法。用硬件电路产生正弦波和三角波，其中正弦波作为调制信号，三角波作为载波，两路信号经模拟比较器比较后输出SPWM波形。如图2： 图2方案二：数字采样法，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，利用VHDL语言在Quartus II软件平台上生成正弦波和三角波，再通过数字比较器产生所需要的波形。如图3：图3方案一电路简单，响应速度快，但参数漂移大，集成度低，波形易受外界噪声干扰，设计不灵活，且需要很复杂的硬件来控制逆变器功率器件的死区。方案二可靠性高，可重复编程，响应快，精度高，控制简单，故选用方案二。（2）DC-AC主回路与器件选择方案一：采用半桥逆变电路，原理图如图1。其电路简单，使用器件少，开关较少。但是有直通问题，可靠性低。方案二：采用全桥逆变电路。原理图如图2。整个电路容易达到大功率，且损耗低、效率高、工作频率高、驱动容易、可靠性大大提高，我们选用方案二。 图4 半桥逆变电路图 图5全桥逆变电路图（3）MOSFET驱动电路方案方案一：采用MOSFET栅极驱动控制专用集成电路芯片IR2110。该芯片为8引脚封装，可驱动同桥臂的两个MOSFET，内部自举工作，允许在600V电压下直接工作，栅极驱动电压范围宽（1020V）,施密特逻辑输入，输入电平与TTL及COMS电平兼容，死区时间内置，输入、输出同相，低边输出死区时间调整后与输入反相，最高可达40KHZ。方案二：利用分立元件驱动MOSFET。直接用MOS管驱动功率MOSFET，他们可以共用一组电源，栅极电压小于10V时，功率MOSFET将处于电阻区，不需要外接电阻，电路非常简单。比较上述两种方案，方案一采用了MOSFET专用的集成电路，可以说性能极其优越，但由于经验不足，我们没能把预先设计的IR2110驱动电路调试成功。考虑方案二电路简单，易于实现控制，我们最终采用了方案二。三、电路与程序设计1、硬件主要部分（3）系统DC-AC逆变桥设计由此系统知MOSFET管漏源两端的最大电压为60V，直流母线上的最大电流为3A。故我们选用N沟道功率MOSFET管IRF530，它具有开关速度快、导通电阻小、栅极电容小和无二次击穿等显著特点。其耐压100V，漏极最大电流28A，导通电阻为0.077，栅极电容为1700PF，充分满足题目要求。另外选用IR2110作为半桥驱动芯片，它具有自举浮动电源，最大驱动电流2A，驱动电压10-20V,能驱动的最大直流母线电压为500V,最大工作频率500KHz，具有电源欠压保护关断逻辑和低压延时封锁功能。VD1、VD2采用肖特基二极管，加快充放电速度，并采用RC缓冲吸收回路对MOSFET管进行保护，逆变器主回路A相电路图如图3所示。B相、C相与A相电路基本上一致。如下图6： 图63、保护电路采用单片机实时监控输入电压和输出电流的值，在输入电压降低到Ud=（250.5）V或输出电流上升到IO=0.3A时启动控制程序切断继电器使光伏电池输出开路，从而实现输入欠压保护和输出过流保护功能，采用试触法实现欠压、过流故障排除后，装置自动恢复正常状态的功能。其电路如图7所示： 图7（二）、软件主要部分1、SVPWM的产生 利用FPGA 图形法，并在Sin_rom和Saw_row中存储正弦波和三角波的采样点，并通过计数器为它们提供时钟信号，最后在末端通过一个比较器进行幅值比较，当正弦波的幅值大于三角波的幅值时，比较器就会产生一个高电平，否则，相反。在输出端口对比较后的数据进行处理输入驱动桥，控制开关管开关。框图和原理图如图8所示: 图82、单片机控制 利用带有A/D的单片机STC125A16S2进行电压、电流数据转换处理，并在LCD1602上显示三相的电压值、电流值；利用单片机产生可控40Hz60Hz的时钟信号并发送到FPGA，同时将采样回来的电压值经过串口通信发送到FPGA，由FPGA控制处理数据，来调控SVPWM宽度，调整电压的峰值，程序框图如下；部分主程序如附录。 五、总结针对静止补偿器主电路,需要产生出三个相位彼此互差120 的SPWM脉冲信号。而通过一个正弦函数表来发出三相正弦信号,不仅需要考虑三个正弦信号的起始相位,而且需要三个计数器分别来控制查找正弦函数表。Abstract: This design simulation device is a sine wave through the comparison with the triangle of SVPWM wave IR2110 driven by 6 and 12 MOS switch tube convertor constitute the three-phase circuit, and the frequency of single-chip microcomputer control, frequency adjustable 40Hz - 60Hz, Frequency-field microcontroller and collected voltage to collect feedback on FPGA, again through FPGA and data processing of SVPWM wave, the control of the output voltage of the real-time control, cher, further to power output tracking.Key words：Three-phase Sine frequency SVPWM FPGA Inverter附录：1、 SVPWM波原理图2、 部分主程序：LCD显示程序：uchar ua,ub,uc,ia,ib,ic;void dis_main()/显示主界面LCD_INIT();keyscan();position(4,0);wrstring(Welcome!); position(0,1); wrstring(Made BY FJDXYGXY); void dis_f()/显示、调节频率LCD_INIT();position(5,0);wrstring(f= Hz);position(0,1);wrstring(intr:add-3,dec-4);while(!(key=16)keyscan();if(key=3) delay(500);keyscan();if(key=3)f+;if(f60) f=60;key=2;if(key=4)delay(500);keyscan();if(key=4)f-;if(f= 0x80);void LCD_WRITE_COM(uchar LCD_COM) /写命令RS = 0;RW = 0;EN = 0;IO = LCD_COM;delay(1);EN = 1;delay(3);EN = 0;void LCD_WRITE_DATA(uchar LCD_DATA)/写数据RS = 1;RW = 0;EN = 0;IO= LCD_DATA;delay(1);EN = 1;delay(3);EN = 0;void LCD_INIT() /初始化delay(15);LCD_WRITE_COM(0x38);delay(5);LCD_WRITE_COM(0x38);delay(5);LCD_WRITE_COM(0x38);LCD_WRITE_COM(0X38);LCD_READ_SIGN();LCD_WRITE_COM(0X08);LCD_READ_SIGN();LCD_WRITE_COM(0X01);LCD_READ_SIGN();LCD_WRITE_COM(0X06);LCD_READ_SIGN();LCD_WRITE_COM(0X0C);LCD_READ_SIGN();LCD_WRITE_COM(0X80);LCD_READ_SIGN();void position(uchar x,uchar y) /y=行；0=第一行；1=第二行 uchar position; if(y&0x01) position=0xc0+(x&0x0f); else position=0x80+(x&0x0f); LCD_WRITE_COM(position);void wrchar(uchar dat) LCD_WRITE_DATA(dat);void wrstring(uchar *str) register i=0; while(stri!=0) LCD_WRITE_DATA(stri); i+; 3、键盘部分：#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define IO P0sbit RS = P34;sbit RW = P35;sbit EN = P36;void delay(unsigned int time)/延时unsigned int tmp1, tmp2;tmp1 = time;while(tmp1-)tmp2 = 100;while(tmp2-);void LCD_READ_SIGN()/读状态unsigned char temp;RS = 0;RW = 1;EN = 0;delay(1);EN = 1;delay(2);temp = IO;while(temp = 0x80);void LCD_WRITE_COM(uchar LCD_COM) /写命令RS = 0;RW = 0;EN = 0;IO = LCD_COM;delay(1);EN = 1;delay(3);EN = 0;void LCD_WRITE_DATA(uchar LCD_DATA)/写数据RS = 1;RW = 0;EN = 0;IO= LCD_DATA;delay(1);EN = 1;delay(3);EN = 0;void LCD_INIT() /初始化delay(15);LCD_WRITE_COM(0x38);delay(5);LCD_WRITE_COM(0x38);delay(5);LCD_WRITE_COM(0x38);LCD_WRITE_COM(0X38);LCD_READ_SIGN();LCD_WRITE_COM(0X08);LCD_READ_SIGN();LCD_WRITE_COM(0X01);LCD_READ_S