【正文】 頻電源的控制電路主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：控制電源、單片機(jī)、 PWM 脈沖信號產(chǎn)生電路等部分。當(dāng)各脈沖的幅值相等，而寬度是按照正弦規(guī)律變化的 PWM 波形稱為 SPWM 波形。 SPWM 波形生成方法的分析 SPWM 控制方式就是對逆變電路功率器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波。但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性，脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距，從而脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程， 計(jì)算繁瑣，難以實(shí)時(shí)控制，用查表法將占用大量內(nèi)存，調(diào)速范圍有限，一般不采用。 為 ： )s i n1(4)(2139。 c) 等效面積法 把一個(gè)正弦半波分為 N 等分，每一等分的正弦曲線玉橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相同的等高矩形脈沖代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)重合，這樣，由 N 個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所構(gòu)成的波形就與正弦半波等效。一般來說，采用微機(jī)處理器產(chǎn)生 SPWM 信號，可以使調(diào)制度大于 1。但又不是固定其中一個(gè)橋臂始終為低頻 (輸出基頻 )，另一個(gè)橋臂始終為高頻（載波頻率 )，而是每半個(gè)輸出電壓周期切換工作，即同一個(gè)橋臂在前半個(gè)周期工作在低頻， 而在后半周則工作在高頻，這。這就要求正弦調(diào)制波幅值不能超過三角載波的峰值，并用調(diào)制度描述這一關(guān)系： corrterVVM sin? （ 54） 式中： sinV —— 正弦調(diào)制波幅值； corrterV — — 三角載波的峰值。 不對稱規(guī)則采樣法采樣形成的階梯波比對稱規(guī)則采樣形成的階梯波更接近于正弦波，脈寬調(diào)制的結(jié)果更接近于自然采樣法，逆變器輸出電壓基波分量更大?？梢钥闯?，用 這種規(guī)則采樣法所得到的脈沖寬度 pt 和用自然采樣法所得到的脈沖 寬度非常接近。正弦波在不同相位角時(shí)其值不同，因而與三角波相交所得的脈沖寬度也不同。這種電路通常稱 PWM(Pulse Width Modulation)型逆變電路。 PWM 波形可分為等幅 PWM 波和不等幅 PWM 波兩種。電阻 R的作用是使柵極積累電荷泄放，其阻值可取 ? ；兩個(gè)反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管 V V2 是為了防止柵源電壓尖峰損壞 IGBT。 過壓保護(hù) IGBT 在由導(dǎo)通狀態(tài)關(guān)斷時(shí)，電流 I 突然變小，由于電路中的雜散電感將在IGBT 的 C、 E 端產(chǎn)生很高的浪涌尖峰電壓，加上 IGBT 的耐過壓能力較差，這樣會(huì)使 IGBT 擊穿。 IGBT 正常時(shí)，輸入信號經(jīng)光耦合接口電路，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)級功率放大后驅(qū)動(dòng) IGBT。 M57962L驅(qū)動(dòng)電路的簡介 在本系統(tǒng)的逆變裝置中，使用了日本三菱公司的驅(qū)動(dòng)模塊 M57962L，它由光電耦合器、接口電路、檢測電路、定時(shí)復(fù)位電路以及關(guān)斷電路等組成。在任何情況下，開通時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)該在 12V～ 20V 之間。在本系統(tǒng)的電路中采用電容濾波電路，將濾波電容 C 直接并聯(lián)在橋式整流電路后。在 ru 的正半周， V1 保持通態(tài)， V2 保持?jǐn)鄳B(tài)，當(dāng) ru cu 時(shí)使 V4 導(dǎo)通， V3 關(guān)斷， ou = dU ；當(dāng) ru cu 時(shí)使使 V4關(guān)斷， V3 導(dǎo)通， ou =0。由于負(fù)載電流比電壓滯后，因此在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。 IGBT 的額定電流 eI 是 25℃條件下的額定值： eI = 9 6 9 ???? I A。 IGBT 通過周期性的導(dǎo)通和關(guān)斷對電源的輸出進(jìn)行控制，從而得到所期望的電源的外特性和動(dòng)特性。 當(dāng) RC 的值選擇適當(dāng)，且整流內(nèi)阻較小時(shí)，整流輸出電壓約為 ～ 輸入電壓。 按 最 大 輸 入 電 壓 計(jì) 算 整 流 橋 二 極 管 耐 壓 值 ， 所 以%)51( a x ????? VU d V。據(jù)此即可確定 ? 。將 0)( ??di 代入上式中（ 15），得 RC??? ??? )tan ( （ 36） 電容被充電到 ???t 時(shí)， )s in (2 22 ?? ??? Uuu d ， VD1 和 VD4 關(guān)斷。 變頻電源的工作原理 本文設(shè)計(jì)的變頻電源是由 AC— DC— AC 部分組成的，即采用的是交 — 直 — 交方式，其主要工作原理如下：首先把 50HZ、 220V 的交流電通過整流、濾波電路轉(zhuǎn)換成直流電，然后再用單相橋式逆變電路把直流電轉(zhuǎn)換成單相交流電，在 逆變過程中逆變出的交流電的頻率是可以控制的，其具體算法主要采用 SPWM（正弦脈寬調(diào)制）。由于系統(tǒng)強(qiáng)電部分和弱點(diǎn)部分要實(shí)現(xiàn)電氣土的隔離，所以中間需要加上光耦隔離。 (b)整流電路。 交 — 直 — 交變頻裝置中，當(dāng)中間的直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí)，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個(gè)內(nèi)阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，而電流波形不規(guī)則，有許多毛刺。這種方法穩(wěn)定性好，精度高，又能很方便得控制頻率和幅值。采用 MOSFET 或 IGBT 時(shí)，開關(guān)頻率可達(dá)10kHz以上，輸出波形已 經(jīng)非常逼近正弦波，因而又稱為正弦波脈寬調(diào)制 (SPWM) 逆變器，成為目前最有發(fā)展前途的一種裝置形式。 如圖 a中所示的這種裝置，調(diào)壓和調(diào)頻在兩個(gè)環(huán)節(jié)上分別進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合，其結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。交 — 直 — 交變頻器基本上由整流器、濾波器和逆變器 3 大部分組成。 常用的交 — 交變壓變頻裝置輸出的每一相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。 逆變器有著廣泛的用途，它可用于各類交通工具，如汽車、各類艦船以及飛行器，在太陽能及風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域，逆變器有著不可替代的作用。 課題研究的意義 近年來，變頻電源已成為電源系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性指標(biāo)。因?yàn)橹挥腥菀撞僮鞯漠a(chǎn)品才能夠不斷獲得新的用戶，并進(jìn)一步擴(kuò)大市場，所以今后的新型變頻電源將更加容易操作。這些單片機(jī)的性能不能滿足實(shí)時(shí)信號處理的需要，因此這些制 動(dòng)單元的功能較少，而且其大部分功能由硬件電路實(shí)現(xiàn)，造成硬件電路復(fù)雜、維護(hù)工作量大、輸出電能質(zhì)量不夠高等缺點(diǎn)。三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動(dòng)直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無源逆變輸出電壓、頻率可調(diào) 的交流電給負(fù)載。就內(nèi)部結(jié)構(gòu)而 言， MOSFET 和 IGBT 都是功率集成器件，模塊化技術(shù)的應(yīng)用大大提高了電路功率密度和可靠性。工作頻率達(dá)到幾十千赫至數(shù)百千赫，低壓管甚至可達(dá)兆赫。 the closed loop control。畢業(yè)設(shè)計(jì) 單相變頻電源設(shè)計(jì) 專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 倪玲 班級 B 電氣 041 學(xué)號 0410610121 指導(dǎo)教師 陳榮 完成日期 2021 年 6 月 17 日 單相變頻電源設(shè)計(jì) 摘 要 ：隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變壓變頻電源已被廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域中，與此同時(shí)，系統(tǒng)對變壓變頻電源的輸出電壓波形質(zhì)量也提出了越來越高的要求。 frequencyvariable power supplier。比較而言，功率場效 應(yīng)晶體管 MOSFET 是一種電壓控制型自關(guān)斷器件，具有驅(qū)動(dòng)功率低、安全工作區(qū)寬 (幾乎不存在二次擊穿問題 )、漏極電流為負(fù)溫度特性 (易并聯(lián) )、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又是一種高頻器件，能夠在高頻硬開關(guān)環(huán)境中工作。 除了器件本身性能的不斷提高，器件模塊化和集成技術(shù)也相繼發(fā)展起來。 目前應(yīng)用最為廣泛的是通用變頻器，通用變頻器大都為電壓型交 — 直 — 交變頻器。 目前有些變頻器己經(jīng)有了能量回饋制動(dòng)單元，但這些制動(dòng)單元一般采用單片機(jī)控制，如 51 系列單片機(jī)。 隨著變頻電源市場的不斷擴(kuò)大，如何進(jìn)一步提高變頻電源的易操作性，使普通的技術(shù)人員甚至非技術(shù)人員也能很快地掌握變頻電源的使用技術(shù)已經(jīng)成為廠家必須考慮的問題。雖然因?yàn)閮r(jià)格和控制技術(shù)等方面的原因目前采用 PWM 整流電路的變頻電源尚未得到推廣，但是，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對環(huán)境問題的重視，不斷減少變頻電源對環(huán)境的影響，直至推出真正的無公害變頻電源。 小型逆變器還可利用汽車、輪船、便攜供電設(shè)備，在野外提供交流電源 。 A C A CV V V FC V C F~ 5 0 H Z交 — 交 變 壓 變 頻 圖 21 直接（交 — 交）變壓變頻裝置 這種裝置只有一個(gè)環(huán)節(jié)，就可以把恒頻恒壓 (CVCF)的交流電源變換成 VVVF電源，因此，稱之為直接（或交 — 交）變壓變頻裝置。 b）間接變壓變 頻裝置則是先將工頻交流電通過整流器變成直流電，再經(jīng)過逆變器將直流電變換成可控頻率的交流電，因此又稱為有中間直流環(huán)節(jié)的變壓變頻裝置，或交 — 直 — 交變壓變頻裝置。如圖 23所示。 PWM逆變器需要全控式電力電子器件，其輸出諧波減少的程度取決 PWM 的開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率則受器件的開關(guān)時(shí)間限制。 數(shù)字式是在微控制器的作用下，通過一定的方法，根據(jù)所設(shè)定的周期逐點(diǎn)輸出正弦波的每個(gè)樣值，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而形成連續(xù)平滑的波形。對于交一直一交變頻裝置，兩類變頻器的主要區(qū)別在于中間直流環(huán)節(jié)采用什么樣的濾波器。做為控制器的單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的大腦，它要完成對取樣反饋回來的電壓模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，決定 PWM 產(chǎn)生器 SG3525 輸出 PWM 控制信號的任務(wù)，并通過顯示電路顯示出系統(tǒng)的最新運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)單片機(jī)提供的輸出 PWM 控制波形的信息，產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號。控制電路包括單片機(jī)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、信號檢測電路以及顯示電路。 將 2u 代入并求解得 )c o s (2 2 ??? ?? tCUiC （ 33） 而負(fù)載電流為 )s i n(2 22 ?? ??? tRURuiR （ 34） 于是 )s i n(2)c os (2 22 ????? ?????? tRUtCUiii RCd （ 35） 設(shè) VD1 和 VD4 的導(dǎo)通角為 ? ，則當(dāng) 0?t? 時(shí)， VD1 和 VD4 關(guān)斷。前者等于該時(shí)刻 2u 導(dǎo)致的絕對值，而后者等于該時(shí)刻 du 與 RC? 的比值。依據(jù)輸入最高電壓時(shí)輸出最大電流的要求來確定其電壓與 電流等級，并預(yù)留 ～ 2 倍的電壓和2～ 3 倍的電流裕量。為解決以上問題，則應(yīng)根據(jù)負(fù)載電阻和輸出電流的大小來合理地選擇濾波電容 C的值 。在電壓控制型器件中， IGBT 具有優(yōu)良的性能，它集 MOSFET 和 IGBT 的優(yōu)點(diǎn)于一身：既有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定好和驅(qū)動(dòng)電路簡單的優(yōu)點(diǎn)，又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點(diǎn)，在此特選用 IGBT 作為功率管子。 b)IGBT 的額定電流 eI 電源的額定輸出電流 Ion為 1A，由此可知流過每個(gè) IGBT 的平均電流為 I=1A。 負(fù)載+V d cZ 1Z 2Z 3Z 4R 1R 2R 3R 4C 1C 2C 3C 4C fCDL fAB 圖 33 單相全橋正弦逆變電路 具體的控制規(guī)律如下：在輸出電壓 ou 的正半周，讓 V1 保持通態(tài)， V2 保 持?jǐn)鄳B(tài)， V3和 V4交替通斷。在 ru 和 cu 的交點(diǎn)時(shí)刻控制 IGBT 的通斷。濾波電路的主要任務(wù)是將整流后的單向脈動(dòng)直流電 壓中的紋波濾除掉，使其變成平滑的直流電。 4 功率器件的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路設(shè)計(jì) 對 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的主要要求如下： a)柵極驅(qū)動(dòng)電壓 IGBT開通時(shí)，正向柵極電壓的值足夠使 IGBT產(chǎn)生飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時(shí)也應(yīng)限制短路電流和它所帶來的功率應(yīng)力。為解決這個(gè)問題，目前市場上已推出了一些專用集成驅(qū)動(dòng)電路模塊，使得電路設(shè)計(jì)簡單、可靠。若過載或短路， IGBT 的集電極電位升高，經(jīng)外接二極管流入檢測電路的電流增加，柵極關(guān)斷電路動(dòng)作，切斷 IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)信號，同時(shí)在 8 腳輸出電平“過載 /短路”指示信號。產(chǎn)生 過流的原因大致有：晶體管或二極管損壞，控制與驅(qū)動(dòng)電路故障或干擾等引起誤動(dòng)、輸出線接錯(cuò)或絕緣損壞等形成短路、輸出端對地短路等。 除了上述 減少 CE 之間的過電壓之外，為防止柵極電荷積累或柵源電壓出現(xiàn)尖峰損壞 IGBT、可在 CE之間設(shè)置一些保護(hù)元件，電路如圖 44 所示。 SPWM 控制技術(shù) PWM( Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通 過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形。采用脈寬調(diào)制逆變電路，可同時(shí)解決調(diào)壓和改善波形的雙重任務(wù)。采樣法又有如下幾種： a) 自然采樣法 自然采樣法就是在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，從而生成 SPWM 波形，如圖 51 所示。 對稱規(guī)則采樣法 在采樣時(shí)，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)和三角波中點(diǎn)（負(fù)峰點(diǎn)）重合，即使每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對稱，使計(jì)算大為簡化，如圖 52所示，在三角波的負(fù)峰時(shí)刻 Dt 對正弦調(diào)制波采樣而得到 D 點(diǎn)，過 D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于 1和 2點(diǎn)，在 1點(diǎn)的時(shí)刻 1t 和 2點(diǎn)的時(shí)刻 2t 分別控制功率開關(guān)器件的通和