正弦交流电源变换器(原创)071311107.doc

目 录引 言2正弦交流电源变换器3一 设计任务3二对设计任务的分析3三.正弦交流电源变换器的电路组成4160Hz正弦振荡电路42SSPWM电路5四逆变器电路的集成7五. 提高逆变器的品质因数8六. 电路装配和调试8总结:9引 言电子综合设计辅导课程可以增进同学们对所学知识理解、掌握的深度，培养电子设计能力，提高实践应用能力。这就要求学生有足够的时间、精力、经费的投入，要开动学生的主观能动性。本课程的教学方法是立足于理论与实践的结合，改变传统教学中理论与实践分块处理手法，以具有一定功能的装置作为线索，反过来逆向寻求知识。学习理论知识就是为了实践，学以致用；实践过程中有理论分析，要能够把实践升华到理论。同时，强调创新意识的培养，学习中有思考，继承中有创新，脚踏实地，逐步获取完整知识和技能。电子综合课程设计是一门综合性极强的电子技术应用型设计课程，是通信学院为电类专业本科生开设的一门极具特色的设计性课程。电子综合课程设计的任务在于：训练学生综合应用各种电子技术知识，掌握一些小型电子系统的设计方法和制作过程的能力；培养学生们的科学性、系统性、及全面性的设计素质；在于开拓学生的设计思路，增强他们把理论知识与实践相结合的能力；还在于训练学生的小组组织能力和团队的分工合作精神（电子综合课程设计的教学特点是分小组进行，我们老师给我们是二人一组）。电子综合课程设计的目的是使学生在单元电路设计、系统电路分析、整机联调、计算机辅助设计和信息处理等方面的能力都有一个质的飞跃。培养和提高学生的科研素质、工程意识和创新精神。真正实现了理论和实际动手能力相结合的教学改革要求。通过本课程的实施，要求学生利用计算机进行理论设计（使用PSPICE、MC3和PROTEL等软件工具），并进行逻辑分析、仿真分析、交流分析、直流分析和瞬态分析及印制板图的热分析。从而设计出实用的电路，最后利用单片机开发装置、示波器、逻辑分析仪，频谱分析仪，PAL，GAL和EPGA等（现场可编程逻辑门陈列）编程器，信号源和布线板进行实际制做和调试，最后提供出样机和计算机WORD编辑的理论设计报告。正弦交流电源变换器 一 设计任务设计一个能够输出100V/60Hz的正弦交流电源变换器，其输入电源标准为220V/50Hz。该电源变换器的输出功率要求在300W以上，总谐波失真小于10%，输出电压中基本无直流成份。在输入电源电压波动10%以内的条件下，输出电压波动也要小于10%。二对设计任务的分析逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成在我们使用的电器设备中，有很多产品要出口到国外去，它们不同我们国家的220V/50Hz标准。在生产出口到这些国家的电气设备时，应当用他们国家的标准的电网进行检测。如110V/60Hz水泵电机的生产中，电压和频率对它都有影响。但由于我们现实的电网标准是220V/50Hz，无法直接转换成110V/60Hz标准。就是采用变压器降压，也只能改变电压值，而改变不了交流电源频率。因此，采用电子变频的方式，是从220V/50Hz电网中获取110V/60Hz的最简便方法。作为逆变电源的一般设计规律，先是将220V/50Hz交流电转换成所需的直流电压，再通过PWM调制的方式，输出正弦交流电压，如图1-1所示。PWM调制300V直流电压220V/50Hz交流电源DC-DC变换100V/60Hz交流输出图1-1 逆变电源的构成框图这里的PWM调制应当采用SPWM调制，其最高输出电压略低于供电电压。也就是图3-1中DC-DC变换之后的电压应当略高于输出正弦交流是的峰值电压。对于降压变换，采用全桥输出电路，可以控制输出正弦交流电的峰值接近于输入的直流电压，电压利用率高，但激励电路结构复杂。采用半桥电路输出，可以控制输出正弦交流电的峰值在输入直流电压值一半以下，电压利用率低，但激励方式比较简单。100V正弦交流电的峰值电压为141V，而220V正弦交流电的从220V峰值电压为311V，普通整流输出的直流电压约为300V，已经是141V的两倍以上了。因此，采用半桥电路输出就可以完成逆变要求。从220V变换至110V时，可以省去DC-DC变换环节，这样可简化电路结构。根据这一思想，将本设计的构成确定为如图3-2所示的框架。300V直流电压整流100V/60Hz交流电源220V/50Hz交流电源半桥激励PWM调制图1-2 电源变换器的构成框图三.正弦交流电源变换器的电路组成160Hz正弦振荡电路要产生60Hz正弦波的振荡器可以选择采用RC文氏振荡电路结构，如图1-3所示。其中的RW用作频率微调，R4、R6、R7构成了反馈放大电路，并且要满足R6 : R4 : R5=1:2:3，同还要满足2R4R5+R6的情况下振荡器才会起振并对信号进行发大，并且电路中要求R1=R2。在电路组成完后应该在即成放大器的8管脚处加一个15V的直流电压。最终使振荡信号输出的峰峰值控制在5.0V。在电路中元件的取值计算如下：振荡频率若C2取为0.1F，R3可取为24k，RW可取为4.7k。根据关系式以及计算，可以得到。当voPP=5.0V时，R6=0.22R5，R4=0.61R5。图1-3 RC文氏振荡电路2SSPWM电路选用TL494，是因为他的振荡器能产生线度较好的锯齿波，SPWM调制就利用脉宽调制器TL494完成。为了减小激励电路的开关损耗，用二块TL494联用实现SSPWM功能，半桥式电路激励，每一块TL494的输出各激励一个功率管，并且是高电平激励，即正激励方式。1）锯齿波产生电路该电路的主要功能是振荡产生锯齿波，60Hz交流信号经过隔直流后从TL494的1端口输入，由2端口来设置电压比较的基准。这样，当1端口输入的正弦信号电压往负峰值变化时，3端口的电平降低，输出脉冲宽度增大。鉴于TL494内部脉宽比较器的三角波电压变化范围为0.2V3.6V，2端口的静态电位设置为3.5V，分压电阻阻值比仍为37。电路构造是应该要按以下电阻比值进行搭配，其中R12 : R15=2:1, R13 : R16=7:3。还要给该电路输入15V直流电源，其输入端口是TL494的“11”、“12”管脚输入。可以通过改变电阻R16的阻值的大小来改变输出锯齿波的宽带。其电路构造如所示： 图14 锯齿波产生电路2）反向调制电路 设计该电路的主要功能是将TL494“5”端口输出的锯齿波反向输入。其中应在集成放大器的“8”端口输入15V直流电源。若两三锯齿波同相位，就会出现同时形成正脉冲，使得两个功率管同时导通。要避免这种情况出现，需要将其中一个波形移相，最理想的是移相180。因此为了不使两个功率管同时导通，设置了该电路模块。图16 反向调制电路3）调制信号的正、负半周分别调制TL494的调制特征是：第3端口电平越高，输出脉冲宽度越窄。所谓TL494送出脉冲是指其内部的输出管导通。采用射极输出时，就是正脉冲。芯片内部有5V基准电压输出。对于正、负半周分别调制，可能先将振荡器送来的60Hz正弦波信号分作二路：一路信号直接输送至某一块TL494误差放大器的同相端，如第1端口，负责负半周的调制，其使得信号电平往峰值变化时，输出到功率管栅极的脉冲宽度加宽；另一路输送至另一块TL494误差放大器的反相端，如第2端口，负责其正半周的调制，也使得信号电平往峰值变化时，输出到功率管栅极的脉冲宽度加宽。要实现调制信号正、负半周分开调制，还需要直流电平参与控制。R27R25R24R26输入（b）（a）图17 正半周期调制（b）（a）R15R14R16R13图18 负半周期调制对于正半周的调制，如图9所示。60Hz交流信号经过隔直流后从TL494的2端口输入，由1端口来设置电压比较的基准。这样，当2端口输入的正弦信号电压往正峰值变化时，3端口的电平降低，输出脉冲宽度增大。在TL494中，送入脉宽比较器的三角波电压变化范围为0.2V3.6V，1端口的静态电位设置为3.5V，分压电阻阻值比为1.53.5=37。如果将正弦波信号输入的峰值控制在1.0V，则通过误差放大器将1.0V正弦信号放大至3.4V，反馈电阻与分压电阻的比为3.41。图19 TL494内部结构4）反馈电平对脉冲宽度的调整逆变器的输出已经经过电容隔直流，无直流成份，需要自动控制的是交流分量的幅度。60Hz正弦振荡电路采用模拟式实现，其幅度难以实时调整。以上的处理方式中有一个特征可以利用，就是送入脉冲比较器的正弦信号均叠加在3.5V直流电位上，而且调制规律是统一的，都是幅度往峰值变化，脉冲宽度增大。因此，可以将这二个直流电位设置电路合二为一，对逆变器输出的交流信号幅度取样后转成直流量，反馈至这一直流电位上，微调其直流电位值，改变SPWM信号的占空比，从而实现输出电压的自动调整。5）输出滤波电路实验使用的是一可以直接滤波的模块，由于要的得到的信号的波形频率较低可以使用低通滤波器。四逆变器电路的集成根据以上各单元电路的设计，组合成完整无缺的逆变电路时，应该严格考虑各连接处的电平与相位关系。主调制器直接驱动激励电路，所有会造成延迟的电路都加入至从调制器电路中，通过光电耦合至上激励管，便于增大延迟量，留出足够的死区时间。图1-17 半桥式逆变器总电路五. 提高逆变器的品质因数因为有逆变电路进行隔离，最后的输出负载不再对交流电网构成直接影响。但逆变器前端的整流电路会影响到取电的品质因数。六. 电路装配和调试 1: 在该电路的的调试中首先要测试的是产生60HZ正弦信号的RC文氏振荡电路。在测试中要给该振荡电路输入15V的直流电压，由实验室稳压电源提供。在LM358的输出端口“1”管脚处用示波器进行信号检测输出波形为正弦信号，峰峰值为7.2V,波形频率为58.8HZ。2:其次测试的是由TL494构成的锯齿波振荡器，测试该模块时需要在“11”、“12”端口输入15V直流电源。在“5”端口用示波器检测输出的锯齿波波形，其峰峰值为