【正文】 三相正弦波變頻模擬裝置 電子信息工程系 電子信息工程 2 班 姓名：廖建波 學號： 240799202 指導教師：楊 盛 國教授 摘要 ： 本設(shè)計模擬裝置是由正弦波與三角波通過比較器產(chǎn)生的 SVPWM 波通過 6個 IR2110 驅(qū)動 和 12 個 MOS 開關(guān)管 逆變 構(gòu)成的三相電路，并由單片機控制 頻率，頻率 40Hz~60Hz 可調(diào)； 并利用單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換采集的電壓值匯饋給 FPGA，再通過 FPGA 進行數(shù)據(jù)處理，并加以對 SVPWM 波的控制，來實現(xiàn)對輸出電壓的實時控制，切爾，進一步對輸出功率的跟蹤。 關(guān)鍵字 ： 三相 正弦變頻 SVPWM FPGA 逆變 一、緒論 前言 隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展， 將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟、實用，實現(xiàn)高效率。變頻電源隨即出現(xiàn)，并被廣泛運用于各個領(lǐng)域，是變頻調(diào)速的核心所在。主要還是用于交流電機的變頻調(diào)速，其再電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位也日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。該題目是設(shè)計一個新型工業(yè)用的三相正弦變頻發(fā)電裝置。 題目背景及研究意義 電力電子技術(shù)就是施用電力半導體器件及電子技術(shù)對電能進行變換和控制的技術(shù)。它以實現(xiàn)“高效率用電和高品質(zhì)用電”為目標 ,是一門綜合了電力半導體器件、電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、 AUTO 控制技術(shù)等許多學科的交織學科。隨著科學技術(shù)的成長 ,電力電子技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前 ,它已逐步成長成為一門包羅更多學科的綜合性技術(shù)學科 ,并在為現(xiàn)代通訊、電子攝譜儀、計算機工業(yè) AUTO 化、電網(wǎng)優(yōu)化、電力工程、國防及某些高新技術(shù)供給高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電能方面起著關(guān)鍵的效用 。 電力電子技術(shù)的成長主要是兩個方面 :一是電力電子半導體器件的成長 ,因為電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)和源頭 ,電力電子器件的機能的提高 ,增進 了電力電子技術(shù)的應(yīng)用 ,提高了電力電子裝置的功率 ,減小了體積。另一方面是電力電子技術(shù)在不同應(yīng)用領(lǐng)域詳細控制技術(shù)的成長。尤其是功率變換技術(shù)的成長與應(yīng)用。功率變換技術(shù)是電力電子技術(shù)中最重要、最基本的共性技術(shù)。為了滿足高效、高能量密度、高精度、快速相應(yīng)、寬調(diào)節(jié)范圍、低諧波掉真和低成本的要求 ,功 率變換技術(shù)從不控、半控強迫換流技術(shù)成長到普遍采用 PWM 控制和采用自關(guān)斷器件的換流技術(shù)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 由于我國市電頻率固定為 50Hz，因而對于一些要求頻率大于或小于 50Hz的應(yīng)用場合，則必須設(shè)計一個 能改變頻率的變頻電源系統(tǒng)。目前最常用的就是三相正弦變頻發(fā)電裝置。 70 年代出現(xiàn)了通用變頻器的系列場頻，可將工頻電源轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率連續(xù)可調(diào)的變頻電源，這就為交流電機的變頻調(diào)速創(chuàng)造了有利的條件。這些變頻器在頻率設(shè)定后都有軟啟動功能，頻率會以一定的速率從零上升設(shè)定的頻率，而且此上升速率可以在很大的范圍任意調(diào)整，這對同步電動機而言就是解決了啟動問題。八十年代初期，日本東芝公司最先將交流變頻調(diào)速技術(shù)用于空調(diào)器中。至 1997 年，其占有率已達到日本家用空調(diào)的 70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內(nèi)于 90 年代初期開始研究 變頻空調(diào)， 96 年引進生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器，逐漸形成變頻空調(diào)開發(fā)生產(chǎn)熱點。 本文研究的主要內(nèi)容 設(shè)計并制作 一個 三相正弦波變頻 發(fā)電模擬 裝置，其 示意 圖 如圖 1 所示。 用直流穩(wěn)壓電源供電， US=12～ 60V中的任意一區(qū)間電壓，輸出相壓～ 220V，輸出 頻率為 50Hz； T為 三相 工頻隔離變壓器， 變比自定， 將 uF作為輸出電流的反饋信號 ；負載電阻 RLA=RLB =RLC=1100Ω ～ 4400Ω 。 （ 11W～ 44W 3） 圖 1 三相正弦波變頻 發(fā)電 模 擬 裝置示意 圖 (1)輸出頻率范圍為 50Hz的三相對稱交流電，相 位差 1200誤差 小于 177。 30，各相電壓有效值之差小于 5V； (2)輸出電壓波形應(yīng)盡量接近正弦波，用示波器觀察無明顯失真 ； (3)當輸入電壓 變化值為 10%時 ， 或 負載電流有效值為 ～ 電時，輸出相電壓有效值應(yīng)保持在 220V177。 5%以內(nèi)； (4)具有過流保護（輸出電流有效值達 時動作）、負載缺相保護及負載不對稱保護（三相電流中任意兩相電流之差大于 ）功能，保護時自動切 斷輸入電源 ； (5)具有輸 入 欠壓保護功能，動作電壓 20%； (6)本 變換器的效率 ? ≥ 50%。 二、 方案設(shè)計和系統(tǒng) 整體框架 系統(tǒng)包括 光伏電池、 DCAC 變換電路、控制、反饋、 測量和顯示 六 個部分。IR2110 驅(qū)動開關(guān)管的 逆變電路是核心部分，控制部分 利用閉環(huán)反饋 法實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，采用 反饋電壓經(jīng)過乘法器來 調(diào)節(jié) SPWM 波的占空 比實現(xiàn) 電壓的峰值控制，采用頻率跟蹤法和 沿觸發(fā)同步跟蹤法實現(xiàn)頻率和相位的跟蹤功能。當系統(tǒng)檢測到輸入欠壓或輸出過流動作時，通過控制繼電器切斷光伏電池輸出，當故障解除后，系統(tǒng)利用試觸法實現(xiàn)自動恢復(fù)正常工作狀態(tài)的功能。體統(tǒng) 基本 框圖如圖1 所示。 圖 1 系統(tǒng)基本 原理 框圖 二 、 系統(tǒng) 方案論證 （ 1） SPWM 控制波實現(xiàn)方案 方案一 :模擬調(diào)制法。用硬件電路產(chǎn)生正弦波和三角波，其中 正弦波作為調(diào)制信號，三角波作為載波，兩路信號經(jīng) 模擬 比較器比較后輸出 SPWM 波形。 如圖2： 圖 2 方案二：數(shù)字采樣法 ， 以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進 行 比較，在兩個波形的自然交點時刻控制開關(guān)器件的通斷， 利用 VHDL語言在 Quartus II 軟件平臺上生成正弦波和三 角波 ，再通過數(shù)字比較器產(chǎn)生所需要的波形 。 如圖 3： 圖 3 方案一電路簡單，響應(yīng)速度快，但參數(shù)漂移大，集成度低，波形易受外界噪聲干擾，設(shè)計不靈活，且需要很復(fù)雜的硬件來控制逆變器功率器件的死區(qū)。方案二可靠性高，可重復(fù)編程，響應(yīng)快，精度高，控制簡單，故選用方案二。 （ 2） DCAC 主回路與器件選擇 方案一：采用半橋逆變電路，原理圖如圖 1。其電路簡單，使用器件少，開關(guān)較少。但是有直通問題，可靠性低。 方案二：采用全橋逆變電路。原理圖如圖 2。整個電路容易達到大功率，且損耗低、效率高、工作頻率高、驅(qū)動容易、可靠性大 大提高， 我們 選用方案二。 圖 4 半橋逆變電路圖 圖 5 全橋逆變電路圖 （ 3） MOSFET 驅(qū)動電路方案 方案一：采用 MOSFET柵極驅(qū)動控制專用集成電路芯片 IR2110。該芯片為 8引腳封裝，可驅(qū)動同橋臂的兩個 MOSFET，內(nèi)部自舉工作，允許在 600V電壓下直接工作，柵極驅(qū)動電壓范圍寬（ 10～ 2