三相500w逆变电源

精品文档 1欢迎下载 电力电子应用课程设计电力电子应用课程设计 课题 三相 500W 逆变器的设计 班级班级 学号学号 姓名姓名 专业专业 系别系别 指导教师指导教师 淮阴工学院电气工程系淮阴工学院电气工程系 20162016 年年 3 3 月月 精品文档 2欢迎下载 一 基本背景一 基本背景 1 三相逆变器的应用背景 国内外研究现状及生产需求状况 随着各行各业自动化水平及控制技术的 发展和其对操作性能要求的提高 许多行业的用电设备 如通信电源 电弧焊 电源 电动机变频调速器等 都不是直接使用交流电网作为电源 而是通过形 式对其进行变换而得到各自所需的电能形式 它们所使用的电能大都是通过整 流和逆变组合电路对原始电能进行变换后得到的 逆变电源输出波形质量包括 稳态精度高 动态性能好以及负载适应性强 这种结构简单动静态性能优良和 负载适应性强的 逆变电源 一直是研究者在逆变电源方面追求的目标 当今世界逆变电源应用非常广泛 需求量逐年递增 逆变电源技术的核心 部分是逆变器和其控制部分 逆变器是将直流变为定频定压或调频调压交流电 的变换器 传统方法是利用晶闸管组成的方波逆变电路实现 但由于其含有较 大成分低次谐波等缺点 近十余年来 由于电力电子技术的迅速发展 全控型 快速半导体器件 BJT IGBT GTO 等的发展和 PWM 的控制技术的日趋完善 使 SPWM 逆变器得以迅速发展并广泛使用 PWM 控制技术是利用半导体开关器件的 导通与关断把直流电压变成电压脉冲列 并通过控制电压脉冲宽度和周期以达 到变压目的或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种 控制技术 SPWM 控制技术又有许多种 并且还在不断发展中 精品文档 3欢迎下载 2 三相逆变器研究设计的意义 正因为逆变电源技术的核心部分是逆变器和其控制部分 所以选择逆变器的设 计作为研究课题可以慢慢跨入逆变电源的行业中去深入发展 众所周知 虽然 自关断器件的产生简化了逆变主电路 但它的开关频率和功率仍受一定的限制 于是逆变电源输出波形正弦度仍不是很理想 虽然在控制方法上已经趋于成熟 但有些控制方法实现起来仍很困难 随着开关频率的提高 会引起开关损耗的 增加 逆变效率和直流利用率的降低 因此 对逆变电源技术进行深入地研究 有很大的现实意义 二 任务书要求二 任务书要求 2 1 设计目的 图 1 出了三相逆变器主电路 通过本课题的分析设计 可以加深学生对三 相逆变电路的认识和理解 要求学生掌握三相逆变电路基本工作原理 功率器 件 LC 滤波器的参数设计并学会分析该电路的各种工作模态 要求学生熟悉三 相逆变器的 SPWM 调制方案 并且学会用模拟电路或单片机实现三相逆变器的驱 动信号的输出 熟悉桥式逆变器的驱动电路 建立硬件电路并进行开关调试 输入 800V DC 输出 220V 50HZ 2 2 设计任务 1 给出符合输入输出要求的电路方案 给出各个模块的基本框图 并能设计其 主要参数 2 根据输入输出的参数指标 计算功率电路中半导体器件电压电流等级 并给 出所选器件的型号 设计变换器的脉冲变压器及滤波电容 3 给出控制电路的设计方案 能够输出频率和占空比可调的脉冲源 4 应用 protel 软件作出线路图 建立硬件电路并调试 精品文档 4欢迎下载 U V W N d U Z C L 图 1 三相逆变器主电路 三 基本原理三 基本原理 3 1 三相电压型逆变电路工作原理 逆变电路根据直流侧电源的性质的不同可分为两种 直流侧是电压源的称 为电压型逆变电路 直流侧是电流源的称为电流型逆变电路 在本文中 我们 主要讨论三相电压型逆变电路的基本构成 工作原理和特性 图 3 1 为其电路 3 1 三相电压型逆变电路 下面 我们讨论一下三相全桥电压型逆变电路 在图 3 2 所示电路中 电路的直流侧通常只有一个电容器就可以了 但为了方 便分析 画作串联的两个电容器并标出假想中点 N 和单相半桥 全桥逆变电 路相同 三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是 180 导电方式 即每个 精品文档 5欢迎下载 桥臂的导电角度为 180 同一相 即同一半桥 上下两个臂交替导电 各相开 始导电的角度以此相差 120 这样 在任一瞬间 将有三个桥臂同时导通 可 能是上面一个臂下面两个臂 也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通 因为 每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行 因此也被称为纵向换流 3 2 控制电路的设计 3 2 1 SPWM 控制的基本原理 如图 3 3 a 所示 我们将一个正弦波半波电压分成 N 等分 并把正弦曲 线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替 且矩 形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合 得到如图 3 3 b 所示得脉冲列 这 就 SPWM 波形 正弦波得另外半波可以用相同得办法来等效 可以看出 该 PWM 波形的脉冲宽度是按正弦规律变化 称为 SPWM 波形 图 3 3 SPWM 波形 根据采样控制理论 脉冲频率越高 SPWM 波形便越接近正弦波 逆变器的 输出电压为 SPWM 波形时 其低次谐波得到很好地抑制和消除 高次谐波又能很 容易滤去 从而可得到崎变率极低的正弦波输出电压 SPWM 控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制 使输出端得到一 系列幅值相等而宽度不相等的脉冲 用这些脉冲来代替正弦波或者其他所需要 的波形 从理论上讲 在给出了正弦半波频率 幅值和半个周期内的脉冲数后 脉 冲波形的宽度和间隔便可以准确计算出来 然后按照计算的结果控制电路中各 开关器件的通断 就可以得到所需要的波形 但在实际应用中 人们常采用正 弦波与等腰三角波相交的办法来确定各矩形脉冲的宽度 精品文档 6欢迎下载 等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称 当它与任何一个光滑 曲线相交时 即得到一组等幅而脉冲宽度正比该曲线函数值的矩形脉冲 这种 方法称为调制方法 希望输出的信号为调制信号 把接受调制的三角波称为载 波 当调制信号是正弦波时 所得到的便是 SPWM 波形 当调制信号不是正弦波 时 也能得到与调制信号等效的 PWM 波形 3 3 2 单极性和双极性 SPWM 控制方式 单极性是指载波和调制波始终保持同极性的关系 在调制波信号的一个周 期里 同一桥臂的上下两个功率管工作状态相互切换 分别工作在正弦调制波 的半个周期 单极性 SPWM 调制原理图如图 3 4 所示 图 3 4 单极性调制原理图 双极性 SPWM 的载波极性随时间而正负变化 和调制波的极性变化没有关系 载波信号的一个周期里 同一桥臂的上下两个功率管互相切换 在调制波的半 个周期里始终处于按正弦脉宽调制规律互补开关的工作状态 双极性 SPWM 调制原理图如图 3 5 所示 精品文档 7欢迎下载 图 3 5 双极性调至原理图 四 系统硬件设计四 系统硬件设计 4 1 系统总体介绍 本次设计的目的是研制一种输入为 800V 的直流稳定电压 输出为 220V 50Hz 的交流稳定电压 输出功率较大的三相稳压电源 考虑到所设计的 系统为大功率电源 所以我们在这考虑使用 SPWM 逆变技术 下图为所设计的系 统框图 直流输入 全桥逆变 输出滤波 交流输出 控制电路 驱动电路 该系统的工作原理是输入 800V 的直流电压 然后经 SPWM 全桥逆变 变成 220V 的 SPWM 电压 再经输出滤波电路滤波为 220V 50Hz 正弦波交流电压输出 另外 系统中 CPU 根据输出采样电压值来控制 SPWM 波发生器输出的 SPWM 波形 参数 SPWM 发生器产生的 SPWM 波经四个驱动隔离电路去驱动逆变电路 从而 精品文档 8欢迎下载 把整流滤波后得到的直流电逆变成稳定交流电 4 控制电路原理图 SA4828 与单片机接口的原理图如图 3 11 所示 采用 ARM 单片机编程具体程 序如下 include stm32f10 x h include pwm h include adc h include dma h include delay h u32 pin 1800 float zhan 精品文档 9欢迎下载 float adcy float adcx float temp0 float temp1 Private typedef GPIO InitTypeDef GPIO InitStructure TIM TimeBaseInitTypeDef TIM TimeBaseStructure TIM OCInitTypeDef TIM OCInitStructure TIM BDTRInitTypeDef TIM BDTRInitStructure NVIC InitTypeDef NVIC InitStructure Private define Private macro Private variables u16 TimerPeriod 3600 u16 DutyFactor 50 Private function prototypes Private functions 精品文档 10欢迎下载 void RCC Configure void void GPIO Configure void void PWM Configure void brief Main program param None retval None void RCC Configure RCC APB2PeriphClockCmd RCC APB2Periph GPIOA RCC APB2Periph GPIOB RCC APB2Periph AFIO ENABLE RCC APB1PeriphClockCmd RCC APB1Periph TIM4 RCC APB1Periph TIM3 ENABLE void GPIO Configure GPIOA 配置 通道 PA 6 和 PA 7 为 输出引脚 GPIO InitStructure GPIO Pin GPIO Pin 6 GPIO Pin 7 GPIO InitStructure GPIO Mode GPIO Mode AF PP 精品文档 11欢迎下载 GPIO InitStructure GPIO Speed GPIO Speed 50MHz GPIO Init GPIOA GPIO InitStructure GPIO Pin GPIO Pin 0 GPIO Pin 1 GPIO InitStructure GPIO Mode GPIO Mode AF PP GPIO InitStructure GPIO Speed GPIO Speed 50MHz GPIO Init GPIOB void PWM Configure 通道 1 2 和 3 配置在 PWM 模式 TIM OCInitStructure TIM OCMode TIM OCMode PWM1 TIM OCInitStructure TIM OutputState TIM OutputState Enable TIM OCInitStructure TIM OutputNState TIM OutputNState Enable 互补输出使能 主要用于高级定时器 TIM OCInitStructure TIM Pulse DutyFactor 7200 100 设置占空比 TIM OCInitStructure TIM OCPolarity TIM OCPolarity High 这里的 4 行代码就是设置 PWM 的空闲电平 波形方式的 一开始自己一不小心 搞成了都高的死区 这里是都低电平的死区 TIM OCInitStructure TIM OCNPolarity TIM OCNPolarity High 互补输出端 TIM OCInitStructure TIM OCIdleState TIM OCIdleState Set 精品文档 12欢迎下载 TIM OCInitStructure TIM OCNIdleState TIM OCIdleState Reset TIM OC1Init TIM3 初始化通 道 1 TIM OC2Init TIM3 初始化通 道 2 TIM OC3Init TIM3 初始化通道 3 自动输出使能 中断 死区相关的设置 TIM BDTRInitStructure TIM OSSRState TIM OSSRState Enable TIM BDTRInitStructure TIM OSSIState TIM OSSIState Enable TIM BDTRInitStructure TIM LOCKLevel TIM LOCKLevel 1 TIM BDTRInitStructure TIM DeadTime 12 死区时间为 12 SYSTEMCLK ns TIM BDTRInitStructure TIM Break TIM Break Disable 关 闭外部 break 功能 当然在产品中最好加入这个保护 蛮好用的 TIM BDTRInitStructure TIM BreakPolarity TIM BreakPolarity High 中断时配置端口输出高电平 TIM BDTRInitStructure TIM AutomaticOutput TIM AutomaticOutput Enable 自动输出使能 TIM BDTRConfig TIM3 TIM CtrlPWMOutputs TIM3 ENABLE 主输出启用 PWM 输 出使能 精品文档 13欢迎下载 int main void u32 ad zhigh 500 u32 ad phigh 7200 u32 p high 3600 RCC Configure delay init 72 GPIO Configure TIM Configure 3600 PWM Configure NVIC Configure TIM Cmd TIM3 ENABLE TIM3 的计数器使能 TIM Cmd TIM4 ENABLE TIM4 的计数器使能 DMA INIT ADC INIT while 1 u32 n u32 Get Adcx Average Get Adcy Average u32 temp val 0 u32 temp val0 0 精品文档 14欢迎下载 u8 t i for t 0 t 20 t 占空比取平均值 temp val ADC ConvertedValue 0 delay us 1 Get Adcx Average temp val 20 temp val 0 for i 0 i 20 i 采样频率取平均值 temp val0 ADC ConvertedValue 1 delay us 10 Get Adcy Average temp val0 20 temp val0 0 adcx Get Adcx Average adcy Get Adcy Average temp0 adcx 4096 0 temp1 adcy 4096 0 7200 if ad zhigh 10 temp0 n temp1 if n 900 限制频率范围 temp1 900 if ad phigh 150 temp1 ad phigh temp1 精品文档 16欢迎下载 pin temp1 if pin p high 150 p high 150 pin 限制刷新动态 范围 TIM TimeBaseStructure TIM Period 1 自动重装载寄存器的 值 TIM TimeBaseStructure TIM Prescaler pin 1 时钟预分频数 TIM TimeBaseInit TIM4 p high pin delay ms 100 五五 仿真波形分析仿真波形分析 MATLAB 软件语言系统是当今流行的第四代计算机语言 由于它在科学计算 数据分析 系统建模与仿真 图形图像处理等不同领域的广泛应用以及自身的 独特优势 目前 MATLAB 受到个研究领域的推崇和关注 本文也采用 MATLAB 软件对研究结果进行仿真 以验证结果是否正确 5 1 建立仿真模型 建立仿真模型的步骤 1 建立主电路的仿真模型 2 构造控制部分 精品文档 17欢迎下载 3 完成波形观测及分析部分 最终完成仿真模型如下图所示 500W 三相逆变器主电路 A 相开环电路 精品文档 18欢迎下载 上图为电路开环输入时负载电压的波形 震荡较大 此时对负载电压进行傅里叶函数分析 可见 3 次谐波 5 次谐波等奇次波幅 度较大 上图为电路闭环输入时负载电压的波形 震荡较小 精品文档 19欢迎下载 此时对负载电压进行傅里叶函数分析 可见 3 次谐波 5 次谐波等奇次波幅 度较小 上图为正弦波与等腰三角波相交 取得脉冲波形 六 实验波形 精品文档 20欢迎下载 上图为输出电压 90V 的 IGBT 管漏极 源极之间的脉冲波形 上图为频率 28