三相正弦波变频电源设计

设计报告课题：三相正弦波变频电源设计日期：2014.08.09摘要：本系统通过STM32单片机软件程序控制、全桥式逆变电路以及负偏压驱动控制电路采用脉宽调制电压的方法实现变频调节。略去整流滤波电路使用学生电源直接提供输入信号，经过脉宽调制、LC滤波后转变为输出电压有效值180.5V，最大输出电流有效值为0.3-1.0A的三相正弦信号，其频率在10-200Hz可调。同时设计电路具有过流、过压保护功能，提高了系统的稳定性与安全性。关键字：STM32；全桥逆变；负偏压驱动；目录TOC\o"1-3"\h\u2005目录 3227711系统设计 4301161.1设计要求 4200661.1.1基本要求 4232751.1.2发挥部分 4182941.2方案论证及选择 420641.2.1逆变控制模块 4157481.2.2驱动电路 5229291.3系统框图 5106582单元电路设计 61162.1逆变电路模块 6194232.1.1电路原理图 6192392.1.2工作原理 6299892.1.3参数选择 6231272.2驱动电路模块 7125932.2.1电路原理图 7188232.2.2工作原理 8228542.2.2参数选择 8208562.3过流保护电路模块 875602.3.1电路原理图 8231892.3.2工作原理 9169313软件设计 9266304系统测试 9303755结论 1318456作品基本达到题目所有基本和扩展的功能和指标的要求。 1385096参考文献 1374437附录 1411957.1附录一：器件清单 14106967.2附录二：电路原理图 1579917.3附录三PCB图 161系统设计1.1设计要求1.1.1基本要求输出频率范围为20Hz~100Hz的三相对称交流电，各相电压有效误差的绝对值小于5%；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，三相基本对称；负载电流有效值为0.3~1.0A时，输出线电压有效值应保持在20V，误差的绝对值小于5%；具有过流保护（输出电流有效值达1.5A时动作）；效率不小于50%。1.1.2发挥部分设计制作具有测量、显示该变频电源输出电压、电流、频率，测量误差的绝对值小于5%；负载不对称保护（三相电流中任意两相电流只差大于0.3A时动作）功能，保护时自动切断输入交流电源。变频电源输出频率在50Hz以上时，输出电压的失真度小于5%；效率达80%以上。1.2方案论证及选择1.2.1逆变控制模块方案一：采用电流型三相桥式逆变电路。电流型逆变电路主要特点有：（1）直流测串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源；(2)

交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角。输出电压波形和相位因负载不同而不同。(3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。方案二：采用电压型三相桥式逆变电路。电压型逆变电路特点:（1）直流侧是电压源或并联打电容，直流侧电压基本无脉动，(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；（3）阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥式各臂并联反馈二极管。方案一适用于单机传动，加、减速频繁运行或需要经常反向的场合，方案二使用于向多机供电，不可逆传动或稳速系统以及对快速性要求不高的场合，本设计选择方案二。1.2.2驱动电路方案一：利用CMOS器件驱动，该方式驱动开关速度低，因此不选用本方案；方案二：利用光耦合器驱动，因其自身的速度不高，限制了使用频率，因此不采用本方案；方案三：利用MOSFET栅极驱动控制专用集成电路芯片IR2130。此方案可同时驱动6个MOS管，芯片性能好，体积小，满足要求，因此采用此方案。1.3系统框图根据设计指标要求，本系统由直流稳压电源提供30V的直流电为逆变电路提供电源。当有使用按键对输出电压的频率进行预置时，单片机STM32F103把所预置的数值送到LCD12864进行显示，同时通过内部的软件设计输出幅度相等、宽度按正弦规律变化的脉冲波，通过控制逆变电路的工作状态，LC振荡得到规则的正弦波。图图1系统总框图图图1系统总框图2单元电路设计2.1逆变电路模块2.1.1电路原理图图图2逆变电路模块原理图2.1.2工作原理三相逆变电路可由三个单相逆变电路组成。如图2所示，电路由6个MOSFET管IRF640组成该逆变电路的桥臂。桥中各臂在控制信号下轮流导通。它的基本工作方式为导电方式，即每个桥臂的导电角度为，同一相（即同一半桥）上下桥臂交替导电。各相开始导电的时间相差。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。2.1.3参数选择滤波电容的选择：因为输入直流为30V，输出电流为2A，所以滤波电容选择470uF/50V的电解电容。功率管的选择：由于功率开关器件决定逆变电源效率的重要因素，所以功率管的选择极为重要。考虑到输入开关管的电压约有30V，输出电流要求2A，IRF640的最大电流18A、最大电压100V满足设计要求。且开关速度快，导通压降小，所以功耗比较低。完全满足电路要求故选择IRF640电感的选择：SPWM调制下输出滤波电感的值一般是由电感电流的最大纹波所决定，一般可取该值为满功率输出时正弦电流峰值的15％。在单极性SPWM调制下，电感电流纹波可表达式为因此电感电流的最大纹波满足考虑开关管的饱和压降，输出滤波电感L满足在本问题中可求得电感值越大，电感中电流越平滑，实际电路中取电感值为5mH。2.2驱动电路模块图3驱动电路原理图2.2.1电路原理图图3驱动电路原理图2.2.2工作原理驱动电路如图3所示，IR2130为可同时驱动6个MOSFET管的栅极驱动器，用IR2130驱动MOS管需要通过自举来实现，图中D19、D20、D21、E14、E15、E23构成自举电路，C5、E16为滤波电容。构成放大电路。2.2.2参数选择因IR2130内部的三路驱动高压侧电力MOSFET管的输出是通过自举技术获得的，所以连接到固定电源的二极管其反向耐压必须大于驱动的电力MOSFET工作的主电路峰值母线电压，为防止自举电容两端电压的放电，对二极管，应选用高频快恢复二极管，因此选用UF107。为防止自举电容放电造成其两端电压低于欠压保护动作的门槛电压值，电容值应充分大，本电路选取10uF电容。2.3过流保护电路模块2.3.1电路原理图图图4过流保护电路2.3.2工作原理过流保护电路如图4所示，利用软件编程来控制该电路继电器的吸合，关断。根据采样电流信号随时监控电路中电流的情况，一旦发现电路中的电路超过设定的最大电流，继电器吸合进入保护状态。3软件设计3.1软件平台和开发工具本系统采用的开发平台是keiluVison4，开发工具为J-LINK。4系统测试测试方法及条件：测试三相输出：桥式回路输入Ud=30V，接入外部基准信号，在10Hz~200Hz范围内调节基准信号频率用双踪方式观察基准信号和输出信号是否同频同相，或用按键设输出频率，观察输出频率与设置的频率是否相同。同时观测三相正弦波的相位差是否为120°。验证过流保护：改变输入电压为设定电压的20%，看是否有欠压保护；改变负载电流,看是否有过流保护、负载不对称、负载缺相保护。效率测试：用万用表测量输入电压和输入电流根据计算输入功率，再测三相的输出电流和输出电压根据计算输出功率，由求出效率。测试结果及结果分析：三相波形：图图1f=200Hz时A相波形图图2f=100Hz时B相波形图图3f=100Hz时C相波形三、效率测试：频率/Hz测量量输入A相B相C相效率/η50电流/A0.250.460.460.4589.1%电压/V30.19.869.679.83功率/W7.5252.2682.2242.212200电流/A0.320.510.510.5183.4%电压/V30.210.8210.2210.57功率/W9.6642.7592.6062.695不同频率时的效率计算如下：波形如下：图图4f=50Hz时图5f=50Hz时图5f=50Hz时5结论作品基本达到题目所有基本和扩展的功能和指标的要求。（1）输出频率范围为10Hz～200Hz的三相对称交流电超出了基本频率范围。（2）输出电压波形接近正弦波，用示波器观察时无明显失真，三相基本对称。（3）负载电流有效值为0.3～1.0A时，输出线电压有效值应保持在18V左右，误差的绝对值小于5%；（4）具有过流保护(输出电流有效值达1.5A时动作)、负载缺相保护，保护时自动切断输入交流电源。（5）效率达到89%。6参考文献[1]清华大学电子学教研组编，童诗白、华成英主编：《模拟电子技术基础》(第四版)[M]北京:高等教育出版社，2006[2]清华大学电子学研组编，阎石主编：《数字电子技术基础》（第五版）[M]北京：高等教育出版社，2006[3]谢运祥、欧阳森编著．电力电子单片机控制技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，2007.1[4]王兆安，黄俊编著．电力电子技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，2010.77附录7.1附录