（通信与信息系统专业论文）基于fpga的三相正弦变频电源的设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 文章主要研究设计一种基于f p g a 的三相正弦变频电源，将电压为2 2 0 v ，频率 为5 0 h z 的交流电，经过整流、滤波后，逆变成幅值、频率在一定范围内可调的交 流电，供给其他电子设备使用。 文章的内容主要包括硬件设计部分和控制系统软件设计两大部分。硬件设计部 分主要有整流、斩波和逆变各个功能模块电路、驱动电路的设计以及参数选择等。 在控制系统软件设计方面，采用f p g a 自上而下的设计方法，对其控制系统进行了 功能划分，利用d d s 技术产生标准正弦波和三角波，高速比较模块将输出的三角波 和正弦波的幅值进行比较，产生所需要的s p w m 波形，针对仿真和实验中的毛刺现 象和死区问题，分析其产生机理，给出常用的解决措施，改进了系统性能。 。关键词：f p g a ，s p w m ，变频电源，d d s a b s t r a c t t h i sa r t i c a le m p h a s i z e so ns t u d y i n ga n dd e s i g n i n gak i n do ft h r e e p h a s es i n u s o i d a l i n v e r t e rp o w e rs u p p l yb a s e do nf p g a ，i n v e r t i n ga l t e r n a t i n gc u r r e n tw i mv o l t a g eo f2 2 0 va n d f r e q u e n c yo f5 0 h zt oo n ew i ma d j u s t a b l es c o p ea n df r e q u e n c yi nac e r t a i ne x t e n t ，w h i c hw i l l b es u p p l i e df o rt h eu s a g eo fo t h e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t t h em a i nc o n t e n to ft h i sa r t i c l ec o n t a i n sh a r d w a r ed e s i g na n dc o n t r o ls y s t e md e s i g n h a r d w a r ed e s i g nm a i n l yc o v e r si n v e r t i n g ，c o m m u t i n g ，b u c ka n de v e r yf u n c t i o nm o d u l e e l e c t r o e i r c u i ti n v e r t i n ga n de l e c t r o c i r c u i td r i v i n ga n ds oo n i nt h ea s p e c to fc o n t r o l l i n g s y s t e ms o f t w a r ed e s i g n ，t h ew a yo ft o p - d o w nf p g a i su s e dt od i v i d et h e i rc o n t r o l l i n gs y s t e m f u n c t i o n a l l y , d d st e c h n i q u ei su s e dt oe n g e n d e rs t a n d a r ds i n ew a v ea n dt r i a n g l ew a v e ，t h e n t h eh i 曲s p e e dc o m p a r i n gm o d u l ew i l lc o m p a r et h es c o p ea n dd e f e r e n tt r i a n g l ew a v ea n ds i n e w a v e , p r o d u c i n gt h en e e d e ds p w mw a v es h a p e ，w h i c hw i l la n a l y z ei t sp r o d u c i n gm e c h a n i s m i nv i e wo fi nt h es t i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a lb u r rp h e n o m e n o na n dt h ed e a da r e a q u e s t i o n ，a n do f f e ra l lu s a ls o l u t i o nw a y , i m p r o v i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c e w a n gj u a n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f w e ny a f e n g k e yw o r d s ：f p g a ，s p w m ，a r i a b l ef r e q u e n c ys u p p l y , d d s 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景i 1 2 课题的技术背景2 1 3 变频电源的发展方向3 1 4 论文要求及主要工作4 第二章变频电源的结构及主电路研究5 2 1 变频电源的结构5 2 1 1 各功率器件的介绍：6 2 1 2 各个电路模块的简单介绍6 2 2 变频电源的控制策略7 2 2 1 概述7 2 2 2p w m 控制的基本原理8 2 2 3 产生s p w m 波形的方法9 2 2 3 1 产生s p w m 的基本方法9 2 2 3 2p w m 控制分类。l o 第三章变频主电路的设计1 2 3 1 交一直一交变频主电路系统结构1 2 3 2a c d c 电路的设计1 2 3 2 1 整流环节。1 3 3 2 2 滤波环节1 5 3 2 3 整流及滤波电路的硬件设计1 8 3 3d c d c 电路1 9 3 3 1 d c d c 电路的方案选择一1 9 3 3 2i g b t 驱动电路的硬件设计2 0 3 3 2 1i g b t 驱动的基本要求2 0 3 3 2 2i g b t 驱动电路方案2 l 3 4d c a c 电路2 4 3 4 1 电压型三相桥式逆变电路2 4 3 4 2 逆变及驱动电路的硬件设计2 8 第四章基于f p g a 的控制芯片设计3 0 4 1f p g a 概述。3 0 4 1 1f p g a 的介绍3 0 i t 华北电力大学硕士学位论文 4 1 2 f p g a 的应用3l 4 1 3f p g a 的器件特征3 2 4 1 4c y c l o n e 系列f p g a 。3 4 4 2f p g a 开发环境及设计语言：3 5 4 2 1 开发环境q u a r t u si i 简介3 5 4 2 2v h d l 硬件设计语言。3 6 4 2 2 1v h d l 语言特点3 7 4 2 2 2v h d l 语言的描述方式3 7 4 3 控制系统的设计。3 8 4 3 1 基于d d s 的标准正弦波发生器模块3 9 4 3 2 基于d d s 的三角波发生器模块4 0 4 3 3 分频模块的实现4 0 4 3 4s p w m 波形产生模块4 l 4 3 4 1 产生原理4 l 4 3 4 2 毛刺产生原因4 2 4 3 4 2 消除毛刺的方法：4 2 4 3 5 死区延时模块的设计和仿真4 4 4 3 6 应用q u a r t u si i 对系统进行配置和下载4 6 第五章总结4 8 5 1 实验结果4 8 5 2 存在的问题4 9 5 3 结论和展望4 9 参考文献5l 致 射5 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 4 附录。5 5 i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种 类也越来越多，它与人们的工作、生活、学习的关系日益密切，任何电子设备都 离不开可靠的电源。然而，许多行业的用电设备却不是直接使用公用交流电网提 供的交流电作为电源，为了得到各自所需的电能形式，就需要通过各种形式对其 进行变换【l 】。它们的幅值、频率、稳定度及其变化方式因用电设备的不同而不尽 相同，如通信电源、医用电源、充电器等【2 】，它们所使用的电能都是通过整流和 逆变等对原始电能进行变换后得到的【3 1 。采用逆变技术，可使所设计的电源具有 许多方面的优越性： 1 可方便地调节输出电压或电流的幅度和频率。通过控制主电路可以控制逆 变电路的工作频率和输出时间的比例，从而使输出电压或电流的频率和幅值按照 人们的意愿或设备工作的需求灵活地改变【4 1 。 2 可将蓄电池中的直流电转换成交流电或其他形式的直流电，这样就不会因 为交流电网停电或剧烈变化而影响正常的工作、生活。 3 可显著地减小用电设备的体积和重量，节省资源。在许多的用电设备中， 变压器和电抗器在很大程度上决定了其体积和重量，假如将变压器绕组中所加电 压的频率大幅度提高，则变压器绕组的匝数和有效面积的乘积就会明显减小，变 压器的体积和重量也就随之减小了。 4 采用逆变技术的电源还具有高效节能的优点，具体表现在几个方面： ( 1 ) 在许多使用交流电动机的场合，当其负载变化时，一般的传统方法是 调节电动机的通电时间所占比例来使电动机频繁地制动、起动。而电动机的起动、 制动消耗的能量往往很大，如果使用变频电源来调节电动机做功的量，就会节约 很大一部分能量。 ( 2 ) 传统的、采用工频变压器的整流式电源设备，因为其电流谐波成分和 相移角都比较大，其功率因数一般在0 5 0 8 之间。在逆变电源中，如果采用功率 因数校正技术，可以使输入电流的谐波成分变得很小，从而使功率因数约为1 ， 节能的效果非常明显。 ( 3 ) 采用逆变技术的电源，其变压器的体积和重量大大减小了，也即减小 了铁心横面积和线圈匝数。变压器本身的损耗主要有原、副边铜耗和铁芯损耗， 铁芯横面积和线圈匝数的减小也就大大降低了铜耗和铁耗。因此，变压器的损耗 变得比工频时小得多，也就达到了节能的目的。 华北电力大学硕士学位论文 5 动态响应快、控制性能好、电气性能指标好。由于逆变电路的调节周期短， 工作频率高，这就使得电源设备的动态响应或者说动态特性比较好，表现在对电 网波动的适应能力比较强、负载效应好、启动冲击电流小、超调量小、恢复时间 短、纹波小。 6 电源故障保护快。因为逆变器的工作频率高控制速度快，所以对保护 信号的反应比较快，增加了系统的可靠性。 另外，变频电源可模拟世界各国的电网电压和工作频率，输出正弦波。由于 世界各国电网指标的不统一，出口电器厂商需要模拟不同国家的电网状况，为用 户在产品设计开发、生产线测试以及产品检测、过高压低压模拟测试等应用中提 供可靠的、高稳定度频率的电压；进口原装设备、原装电器的用户也需要对我国 的电网进行变压、变频以保证进口设备、电器的正常运转【5 1 。 变频电源还可以用于制造或出口贸易商对出口电器产品的用电检测、调试及 做为生产线和各种仪器的供电电源，广泛应用于家电制造业、电机、电子制造业、 i t 产业、电脑设备、实验室等。 1 2 课题的技术背景 电源技术主要研究如何利用电力电子技术对功率进行变化和控制，它广泛运 用现代逆变技术、电磁技术、电子技术和计算机技术等学科的理论，具有较强的 综合性【6 1 。 电力电子技术对我国的工业自动化、交通运输、城市供电、节能和环保等的 发展起到了巨大的推动作用。在电力电子技术中，逆变技术又是最主要、最核心 的技术【2 】，它主要应用于各种逆变电源、变频电源、开关电源、u p s 电源、交流 稳压电源、电力系统的无功补偿、电力有源滤波器、变频调整器、电动汽车、电 气火车、燃料电池静置式发电站等。现代逆变技术是电源技术的基础，它是研究 现代逆变电路的理论和应用设计的基础，是建立在现代控制技术、半导体变流技 术、电力电子技术、脉宽调制技术( p w m ) 【j 7 1 、磁性材料等学科基础之上的一门 实用技术。 随着电力电子全控型开关器件的出现和发展，脉宽调制技术在电力电子变流 技术中得到了广泛的应用，如直流开关电源( d c d c 变换) 、交一交变频( a c a c 变 换) 、交一直一交变频系统、u p s 电源( d c a c 变换) 、高功率因数整流( 功率因数校 正p f c 等【鄙) 等电力电子技术的各个应用领域，大多都采用p w m 控制技术。p w m 控制最基本的实现途径是通过对载波和控制波的模拟电路调制来产生，如采用三 角波做载波( 或锯齿波) 和直流( 或正弦波) 做控制信号，然后送比较器进行比较产生 p w m 波。这种方法在模拟控制技术中被广泛采用，并出现过许多产生p w m 波的 2 华北电力大学硕士学位论文 控制芯片，如用于开关电源的t l 4 9 4 、s g 3 5 2 5 、u c 3 8 4 2 等。随着数字控制技术 的发展，又出现了许多数字式p w m 集成芯片，比如用于变频调速系统的三相p w m 发生器h e f 4 7 5 3 、s l e 4 5 2 0 、m a 8 1 8 等。但与迅速发展的微机控制技术相比，这 些方法有电路复杂、调制方式不够灵活等缺点，而采用软件计算的实时控制策略 已经越来越受到人们的青睐，并出现了许多不同的p w m 波的计算方法，如采样 s p w m 法、谐波注入p w m 法、均值p w m 法、等面积p w m 法等。另外，还有将 逆变器和负载作为整体建立p w m 控制策略的方法，如电动机变频调速系统常用 的基于电动机气隙磁通轨迹最圆的磁通轨迹法p w m 控制、基于电动机电磁转矩 自调整的p w m 控制、基于状态方程和输出反馈信号推算的无差拍p w m 控制等。 1 3 变频电源的发展方向 电力电子技术的飞速发展和各行各业对逆变器控制性能要求的提高，逆变电源 也得到了深入的发展，目前，变频电源正朝着以下几个方向发展【9 】： 1 、高频化。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体 积重量与供电频率的平方根成反比。当我们把频率从工频5 0 h z 提高到2 0 k h z ，提 高4 0 0 倍，用电设备的体积重量大约会下降至工频设计的5 1 0 。随着功率电子器 件工作频率上限的逐步提高，许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来了 显著节能、节约材料的经济效益，技术含量的价值体现的更完善。 2 、模块化。模块化有两方面的含义，一是指功率器件的模块化，二是指电源 单元的模块化。我们常见的器件模块，包括开关器件和与之反并联的续流二极管， 实质上都属于“标准 功率模块( s p m ) 。近些年来，一些公司把开关器件的驱动保 护电路也装到功率模块中，构成了“智能化”功率模块( i p m ) ，这样不但缩小了整 机的体积，而且更方便了整机的设计制造。实际上由于频率的不断提高，导致了引 线寄生电感、寄生电容的不良影响愈加严重，对器件造成电应力( 表现为过电压、 过电流毛刺) 更加严重。为了提高系统的可靠性，制造商开发了“用户专用 功率 模块( a s p m ) ，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式集中在一个模块中， 这样元器件之间不再有传统的引线连接，达到完美的境地。 3 、数字化。在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。 在六、七十年代，电力电子技术是完全建立在模拟电路基础上的。随着技术的发展， 现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显 示出越来越多便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干 扰( 提高抗干扰能力) 、便于软件包调试和遥感遥测遥调的优点，也便于自诊断、容 错等技术的植入。 4 、绿色化。电源系统的绿色化有两方面的含义，首先是显著节电，这意味着 华北电力大学硕士学位论文 发电容量的节约，因为发电是造成环境污染的一方面原因，所以节电就可以减少对 环境的污染；其次这些电源不能( 或少) 对电网产生污染，国际电工委员会( i e c ) 对此 制定了一系列标准，如i e c 5 5 5 、i e c 9 1 7 、i e c l 0 0 0 等。事实上，许多电子节电设备， 往往会变成对电网的污染源，向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因子下降， 使电网电压耦合许多尖峰毛刺，甚至出现缺角和畸变。2 0 世纪末，随着各种有源滤 波器和有源补偿器的诞生，出现了许多修正功率因子的方法。这些为2 l 世纪批量 生产各种绿色电源产品奠定了基础。 1 4 论文要求及主要工作 本文主要是设计一个正弦波变频电源，此变频电源的要求如下： 1 输出线电压有效值是3 6 v ，最大负载电流有效值为3 a ，负载为阻性负载。 2 输出电压波形尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真。 3 当输入电压为1 9 8 2 4 2 v ，负载电流有效值为0 5 3 a 时，输出线电压有效值 应保持在3 6 v ，误差的绝对值小于5 。 4 具有过流保护( 输出电流有效值达3 6 a 时作) 、负载缺相保护及负载不对称 保护( 三相电流中任两相电流之差大于o 5 a 时动作) 功能，保护时自动切断输入 交流电源。 本课题利用f p g a 的特点和优势，在电力电子变频调速技术领域中，应用 f p g a 来实现基于s p w m 技术的三相正弦变频电源的设计，主要研究变频电源的 原理，目前常用的实现方案，着重研究逆变器部分。 论文设计和研究内容： 第一章绪论。简述课题的背景和主要研究内容。 第二章变频电源主电路的研究。文章介绍了变频电源的拓扑结构，逆变的主 要原理和控制策略。 第三章各个功能模块( 整流，斩波，逆变) 电路的设计，以及各个模块选择 电路设计、器件选择及驱动电路的设计。 第四章f p g a 数字系统的设计。研究数字系统设计理论，f p g a 的设计流程， 开发工具及v h d l 硬件描述语言。研究基于f p g a 的变频控制系统的设计过程。 按照f p g a 的设计流程，对每个模块的设计使用硬件描述语言v h d l 完成系统的 描述，然后使用q u a r t u s i i 中的编译器进行系统综合。综合后，调用系统仿真工具 进行波形仿真及调试。 第五章系统的f p g a 实现，并给出了实验结果。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章变频电源的结构及主电路研究 2 1 变频电源的结构 从结构上看，变频器可分为直接变频和间接变频两类。直接变频又称交交变 频，是一种将工频交流电直接变换为频率可控的交流电，中间没有直流环节的变 频形式；另一种间接变频又称为交直交变频，是将工频交流电先经过整流器整流 成直流，再通过逆变器将直流变换成频率可变的交流的变频形式，所以这种变频 方式又被称为有直流环节的变频。 交交变频器一般使用的开关器件是晶闸管，利用电网电压有自动过零并变负 的特点，将晶闸管直接接在交流电源上，使晶闸管能自然关断。其过程与可控整 流器效果相同，不需要附加换流元件，方法简单，而且运行效果比较理想。而且， 交交变频器在低频时输出波形接近正弦波，且为一次变流，具有较高的效率，还 能实现四象限运行。但是因为这种方法使用晶闸管数量太多，主回路比较复杂， 且输出频率受电源频率的限制，一般不能高于电网频率的1 2 ，所以交交变频器 在交流异步电机调速方面主要用于低速大功率传动，特别是起动转矩要求高的场 厶 口。 文章研究的变频电源主要是经过整流，斩波，逆变三个主要功能模块实现， 其核心部分就是逆变开关电路，或者叫逆变电路，逆变的直接功能是将直流电变 换成交流电。通过电力电子开关器件的导通与关断，完成逆变的功能。电力电子 开关器件的通断，需要一定的脉冲来驱动，这些脉冲可以通过改变一个电压信号 来调节，产生和调节脉冲信号的电路通常称为控制电路或者控制回路。变频变压 电源的构成，除了逆变电路和控制电路之外，还要有保护电路、辅助电源、输入 电路、输出电路等，基本的结构框架和关系如图2 1 所示。 图2 - 1 变频电源系统方框图 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1 1 各功率器件的介绍 以功率器件为核心的现代电力电子装置，在整台装置中通常不超过总价值的 2 0 一3 0 ，但是，它对提高装置的各项技术指标和技术性能，却起着十分重要的作 用。一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在截止状态时能 承受比较高的电压；在导通状态时，具有大电流和很低的压降；在开关转换时，具 有短的开、关时间，能承受高的d i d t 和d u d t ，以及具有全控功能。 在逆变器采用p w m 方案的情况下，采用不可控整流是一种较好的方案。因为与 晶闸管整流器相比，这种方案网侧功率因数比较高，而且不必设置相应的控制电路， 控制比较简单，而且成本也较低。因此a c d c 电路电力电子器件选用电力二极管。 另外一些器件中，g t r 和g t 0 是双极型元件，它们具有阻断电压高、导通电流 大的特点，但是它们的开关速度慢，要求的驱动电流大，控制电路比较复杂。m o s f e t 开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单，选其 为d c a c 电路的开关器件。绝缘栅双极晶体管i g b t 是由m o s f e t 和g t r 技术结合而 成的复合型开关器件，同时包含两者的优点，即i g b t 具有开关速度快、输入阻抗 高、驱动电路简单、热稳定性好、导通电流大的优点，又有g t r 的载流量大、阻断 电压高等优点，结合本文设计的具体需要，选取其为d c d c 的开关器件【l o 】【l l 】。 2 1 2 各个电路模块的简单介绍 1 a c - d c 逆变电源主回路输入可以是直流电或交流电。当输入是交流电时，除了在交流 进线侧考虑电磁干扰滤波处理外，还需要整流和滤波，以获得合适的直流电；当输 入是直流电时；一般来自直流电源、蓄电池、直流发电机等。如果输入的直流电波 动比较大时，可以增加电容滤波电路或者通过电压预调整电路来稳压等。本系统的 主回路是幅值为2 2 0 v ，频率5 0 h z 的交流电，通过一个隔离变压器后，经电力二极 管构成的单相不可控整流，电容滤波输出一个不太稳定的直流电压。 2 d c d c d c d c 是将不稳定的、纹波较大的直流电压转换成稳定的纹波较小的直流电 压。本文采用i g b t 开关器件组成降压型开关直流稳压电路，使用e x b 8 4 1 集成芯 片作为i g b t 的驱动电路，采用具有高隔离电压的光耦合器作为信号隔离，整机可 靠性好，且具有内部保护电路。 3 d c - a c d c a c 部分是变频变压电源的主体部分，主要由各种开关器件组成。m o s f e ，r 6 华北电力大学硕士学位论文 开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单，所以 本设计采用p o w e rm o s f e t 开关器件组成电压型全桥式逆变电路，使用芯片 i r 2 1 1 1 来驱动。驱动芯片采用自举式浮充驱动方式，结合浮充电容和快恢复二极管， 可以在驱动电源的条件下实现同一桥臂上两个开关管的驱动，节省了驱动电源数 目。 ； 逆变器n 2 1 是电力电子装置中的重要组成部分，是不间断电源、交流电气传动、 电子设备、仪器仪表还、家用电器和通信设备等许多设备的核心，因而其研究工作 倍受人们的关注，研究的焦点是如何方便地调节逆变电源的输出电压和频率，并降 低谐波含量，改善输出波形。 4 控制器 控制器是系统的控制指挥中心，起着指挥、控制和协调的作用，是整个系统正 常运行的关键结构。控制电路的功能是按要求调节并产生一系列控制脉冲来控制逆 变开关管的导通和关断，从而配合逆变电路完成逆变功能。 本设计采用的是基于f p g a 的控制系统。利用软硬件相结合的方法产生p w m 波，实现变频变压的性能要求的。 2 2 变频电源的控制策略 2 2 1 概述 随着全控型开关器件的出现并广泛应用，脉宽调制技术( p w m ) 现在已经成 为电力电子技术中非常重要的控制策略，p w m 的产生与实现方法也日渐丰富。归 纳起来，p w m 的实现方法大致可分为载波比较法、采样法、空间矢量法、谐波消 除法等。采用p w m 控制策略，可以方便地调节逆变电源的输出电压的大小，且有 效的降低逆变电源的输出谐波含量。 载波比较法一般多用于模拟控制电路中，它是利用高频载波与控制波在比较器 中进行比较，从而产生一个脉冲频率与载波频率相等、脉冲宽度受控制波调制的 p w m 波【l3 1 。通常，高频载波通常有锯齿波和三角载波两种，一般锯齿波载波只用 于直流开关电源中，很少用于逆变电源的控制中，在逆变电源的控制中常采用对称 三角载波。而控制波的波形根据具体控制对象和目标可以有所不同，但在逆变电源 中，仍以正弦波为主导。 采样法常用于数字控制技术中，其基本原理来源于载波比较法，但为了实现数 字控制，必须将连续变化的正弦波控制信号通过采样来离散化处理，使载波和控制 波均处理成为数值量后再进行计算比较，产生p w m 波。根据采样点的设置不同， 采样法又分为在三角形载波顶点和底点均采样的非对称规则采样s p w m 法、在三 7 华北电力大学硕士学位论文 角形载波底点采样的对称规则采样s p w m 法。 2 2 2p w m 控制的基本原理 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过 对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效所需要的波形。p w m 脉宽调制是利用相当 于基波分量的信号波对三角载波进行调制，达到调节输出脉冲宽度的一种方法，波 形可分为等幅p w m 波和不等幅p w m 波两种。当各脉冲的幅值相等，而宽度是按 照正弦规律变化的p w m 波形称为s p w m 波形。 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有 惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。这里说的效果基本相同， 是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低 频段非常接近，仅在高频段略有差异。此原理称之为面积等效原理，它是控制技术 的重要理论基础。 例如图2 2 a 、b 、c 所示的三个窄脉冲形状不同，其中图2 2a 为矩形脉冲，图 2 2b 为三角型脉冲，图2 2c 为正弦半波脉冲，但它们的面积即冲量都等于1 ，当 它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图 2 2d 的单位脉冲函数6 ( t ) 时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数【1 4 】。 f ( a ) 矩形脉冲( b ) 三角型脉冲( c ) 正弦半波脉冲( d ) 单位脉冲函数 图2 - 2 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 把图2 3 a 的正弦半波分成n 等份，就可以把正弦半波看成是由n 个彼此相连 的脉冲序列所组成的波形。要求这些脉冲宽度相等，都等于7 c n ，但幅值不相等， 且各脉冲的顶部是曲线，而不是水平直线，各脉冲的幅值是按正弦规律变化的。如 果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中 点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积冲量相 等，就得到图2 3 b 所示的脉冲序列，这就是p w m 波形。可以看出，各脉冲的幅值 ( a ) 正弦波n 等分( b ) 矩形脉冲序列图 2 - 3 用p w m 波代替正弦半波 2 2 3 产生s p w m 波形的方法 2 2 3 1 产生s p w m 的基本方法 1 等面积法 该方案实际上就是s p w m 法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的 矩形脉冲序列去代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存在微 机中，通过查表的方式生成p w m 信号去控制开关器件的通断，来达到预期的目的。 由于此方法是以s p w m 控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件 的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但等面积法有计算繁琐，数据占用内 存大，无法实时控制的缺点。 2 硬件调制法 硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望 的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所需要 的波形。一般采用等腰三角形作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是 p w m 波形。这种方法实现简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发 生电路也可以通过其它方法生成，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关 器件的通断进行控制，就可以生成s p w m 波。 3 软件生成法 由于微机技术的发展使得用软件生成s p w m 波形变得比较容易，软件生成法 9 橡& 华北电力大学硕士学位论文 也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法， 即自然采样法和规则采样法。 ( 1 )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。其优点是所得波形最接近正弦波。： ( 2 ) 规则采样法 规则采样法通常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 s p w m 法。当三角波只在其顶点( 或底点) 位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与 三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期即采样周期内的位置是对称的，这种 方法称为对称规则采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时， 由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期( 此时为采样周期的两倍) 内的位置一般并不对称，这种方法称为非对称规则采样。 4 低次谐波消去法 低次谐波消去法是以消去波形中某些主要的低次谐波为目的，其原理是对输出 电压波形按傅氏级数展开，表示为u ( c o t ) = a s i n ( n o a t ) 。首先确定基波分量a l 的值， 再令两个不同的a n = o 。，就可以建立三个方程，联立求解得a l ，a 2 ，a 3 。这样就可 以消去两个频率的谐波。该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波，但是，谐 波的幅值可能会相当大，而且也存在计算复杂的缺点。该方法一般只使用于同步调 制方式中。 本文采用了硬件调制法得到所需要的s p w m 波形。此方法简单容易实现，波 形最接近理想的正弦波，唯一的缺点是可能会出现干扰，可以通过软件编程等方法 来滤除干扰。 2 2 3 2p w m 控制分类 p w m 控制分为单极性控制和双极性控制两大类，在单极性电路中，输出电压 只能在0 到+ u 或0 到u 之间变化，没有极性的交替，单极性调制是在输出的半个 周波内同一相的两个导电臂仅一个反复通断而另一个始终截止。如图2 4 所示： 在双极性调制的电路中，输出电压的变化是在+ v 到v 之问变化，变化幅度比 单极性大一倍，双极性调制在输出的半个周波内同一相的两个导电臂互补交替通 断，如图2 5 所示： 单极性调制的工作特点：每半个周期内，逆变桥同一桥臂的两个逆变器件中， 只有一个器件按脉冲系列的规律时通时断地工作，另一个完全截止；而在另半个周 期内，两个器件的工作情况正好相反，流经负载的便是正、负交替的交变电流。双 极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉 1 0 华北电力大学硕士学位论文 冲系列的规律交替地开通和关断，而流过负载的是按线电压规律变化的交变电流。 根据以上分析可以看出，单极性s p w m 调制方法与双极性s p w m 调制方法相 比，在单极性s p w m 调制方法下，开关管的工作频率为较低( 调制波频率) ，而本设 计是针对高频进行设计，所以采用双极性较为合适。 u o u o u 0 u d 0 懒一 一 坩二 几几f ll - - lli iif i 几 一 w _ t 单极性调制 一、八八八八一 v t 删m 二 r w 1 图2 5 双极性调制 华北电力大学硕士学位论文 第三章变频主电路的设计 3 1 交一直一交变频主电路系统结构 i 交一直一交变频主电路的目的是将工频电先整流成直流电，再经过斩波电路获得 稳定的直流电压，最后经逆变器逆变，获得三相交流电。该电路主体包括三部分： a c d c 电路，d c d c 电路，d c a c 电路。变频主电路框图如下： 整流滤波电路 斩 波 及 驱 动 电 路 图3 - 1 变频主电路结构 将交流电变为直流电，即a c d c 变换，实现这一功能的变换电路一般称为整流 电路；将纹波较大、不稳定的直流电压转换成纹波较小、稳定的直流电压，是斩波 变换即d c d c 变换；将直流电变为交流电，是逆变电路即d c a c 变换，它的作用是 将稳定的直流电压变换成三相对称的稳幅、稳频的交流电压，实现这一功能的变换 电路，通常称为逆变器。逆变电路既可将固定的直流电压变换为固定幅值和频率的 交流电压，亦可将其变换为幅值和频率都可以调节的交流电压，后者常称为变频器。 3 2a c d c 电路的设计 在交直交变频电路中遇到的的第一个重要环节就是整流( a c d c ) 。它的作用 是将电网提供的交流电压( 通常为2 2 0 v ，5 0 h z ) 转换成幅值稳定的直流电压，同 时提供一定的直流电流。 由于所需的直流电压比起电网提供的交流电压在数值上相差较大，因此可以先 利用变压器降压得到比较合适的交流电压后再进行转换，这就是交流电压变换部分 存在的意义，本文因为最终得到3 6 v 的线电压，所以采用变压器将2 2 0 v 的电压降 1 2 华北电力大学硕士学位论文 低到6 0 v 。 整流部分的作用是将经过变压器降压后的交流电变成单方向的直流电。此时这 种直流电的幅值变换大，若直接作为电源去供给电子电路时，电路的工作状态也会 随之变化而影响电路的性能，所以还需要接滤波电路。滤波电路可以将整流出来的 脉动大的直流电中的交流成分滤掉，只留下直流成分，显然，需要利用的是截止频 率低于整流输出电压基波频率的低通滤波电路。这样，经过整流滤波后可以得到脉 动小的较平滑的直流电。同时在某些特定的情况下，还可以加上稳压电路，使输出 不受电网电压波动和负载变化的影响，得到基本上不受外界影响的、稳定的直流电。 3 2 1 整流环节 将工频交流输入电流变换成直流电流的变换称为整流。整流电路是电力电子电 路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，应用广泛，电路形式多样。 整流电路的分类有很多种，其主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、 半控、全控三种；按电路的结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为 单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双相，又分为单拍电路 和双拍电路。不同的电路具有不同的整流特性和不同的应用领域。并且在实际应用 中，整流电源的负载又有电阻、电感以及反电势等不同的性质，负载性质不同对整 流电源的要求和影响也不刚1 6 】。 衡量整流电路性能的优劣通常有两个重要的参数：一是整流输出电压的平均值 u o 们，它反映电路的转换关系；另一个是脉动系数，反映输出电压的脉动大小。 、是整流输出电压u 。在一个周期内的平均值，即 u ：去r ”a ( 刎) d ( 一矿) 22 ”与。d “、7 ( 3 - 1 ) s 为整流输出电压的基波峰值u 伽与平均值( 4 y ) 之比，即 s ：磐 ( 3 2 ) u d ( 彳y ) 对于半波整流电路： 输出电压的平均值 华北电力大学硕士学位论文 脉动系数 旷百x - 2 u 2 m 删耐) s ：旦盟= 丝鱼u ，：至1 5 7 【，d ( y ) 4 2 1 2 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 即半波整流后得到的直流电压平均值只有输入电压有效值的4 5 左右，若负载 取较大电流时，电压还会更低，电压利用率低；而电路输出的砜瞬时值脉动很大， 其基波峰值比平均值约大5 7 。 为了提高整流效率并且减少脉动，可以采取桥式全波整流【1 7 】。全波整流电路如 图3 2 所示： 计算可得 t 图3 2 全波整流电路 u o ( a r ) = 去陋咖c o t a ( c o t ) = 等删舢： p 5 ， = 昙童忸c o s c o t c o s 2 c o t a c 州= 争竽 p 6 ， 1 4 华北电力大学硕士学位论文 s = 睁等 ，等巩= 扣7 p 7 ， 由以上分析可知，半波整流电路输出到负载只有半个周期的正弦电压，桥式全 波整流正负半周都有电流按同一方向流过负载；与半波整流电路相比，若输入电压 u l 相同，全波整流电路输出电压平均值提高了一倍；若输出电流相同，则每个整流 管流过的电流减少一半；同时脉动系数也下降了很多；反向峰值则二者相同。所以 本文选取全波整流电路。 整流二极管的选择主要考虑三个参数，最大正向电压、最大正向平均电流和反 向恢复时间。设逆变器的效率是0 9 ，单相功率为3 6 x 3 = 1 0 8 v , 直流母线电压是4 4 v 则通过二极管的峰值电流为： l ：三压万p = 五i 压丽1 0 8 x3 = 5 - 7 8 a l i m ( 3 _ 8 ) 整流二极管的峰值电压为： u m a x ：2 x 6 0 x ( 1 + 1 0 ) 应：1 8 6 v( 3 9 ) 电源的工作频率为5 0 h z ，在选择参数时，一般电压取2 倍的裕量，电流取1 5 倍的裕量，通过以上的分析，本文选取整流桥d b r lb r i d g e l 。 3 2 2 滤波环节 经过整流后的输出电压与要求的平滑直流状态还相差甚远，因此还要考虑滤波 的措施。滤波电路包括有源滤波和无源滤波。由无源元件电阻、电感和电容组成的 滤波电路称为无源滤波电路。由放大电路和r c 网络组成的为有源滤波。 有源滤波的主要优点有： 1 由于不使用电感元件，因此体积小、重量轻，也不需要加磁屏蔽； 2 有源滤波电路中的集成运放可加电压串联负反馈，使输入阻抗高，输出阻抗 低，输入和输出之间具有良好的隔离，因此只要将几个低阶滤波电路串接起来，就 可以得到高阶滤波电路，一般不会像l c 无源滤波电路那样级间相互影响； 3 除了起滤波作用外，还可以将信号放大，而且放大倍数容易调节。 其主要缺点： 1 由于通用型集成运放的带宽通常较窄，因此有源滤波电路通常不宜用于高频 范围，一般使用频率在几十赫兹以下。当频率高于1 0 k h z 时，采用l c 无源滤波电 1 5 华北电力大学硕士学位论文 路可以获得较好的效果。 2 因为采