毕业设计单相变频电源设计-精品Word文档格式.doc
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正弦波脉宽调制（SPWM）；
变频电源；
闭环控制；
逆变
Designofthesingle-phasefrequency-variablepowersupply
Abstract:
Withthepoweroftherapiddevelopmentofelectronictechnology,variablevoltageandvariablefrequencypowersupplyhasbeenwidelyappliedinvariablefields,atthesametimethequalityoftheoutputvoltagewaveforminthevariablefrequencypoweralsomadeincreasingdemands.Theinverteroutputwaveformqualityrequirementsincludetwoaspects:
First,steady-statehighprecisionandtheotherisagooddynamicperformance.Therefore,theresearchanddevelopmentissimpleandhasanexcellentdynamicandstaticperformanceoftheinvertercontrolstrategy,whichhasbecomeapowerelectronicsresearchinthefieldofoneofthehotspots.
Thispaperintroducesthedesignofthemainelementsinthemaincircuitofthesingle-phasefrequency-variablepowersupply,adoptstheclosed-loopcontrolmethodwhichisbasedonpulsewidthmodulationICSG3525toimprovethequalityoftheoutputwaveforms.ThispaperdescribesthecharacteristicsofSG3525,analysestheformationprocessofmakinguseofsinepulsewidthmodulatingsignalsproducedbytheSG3525andthecontroltheoryofthesingle-phaseinverteronSG3525.Theexperimentalresultshowsthatthiscontrolmethodtoachievevariablevoltageandvariablefrequencyoutputofthepowerandthepowersupplyhasagoodapplicationprospectwiththeadvantagesofreliability,feasibilityandadaptability.
Keywords:
sinusoidalpulsewidthmodulation（SPWM）;
frequency-variablepowersupplier;
theclosed-loopcontrol;
inverter
目录
1绪论 5
1.1课题的研究背景 5
1.1.1电力电子技术的发展 5
1.1.2变频电源的发展 6
1.1.3变频技术的发展动向 6
1.2课题研究的意义 7
2系统方案论证与设计 8
2.1系统方案论证 8
2.1.1结构方式 8
2.1.2构成变频电源方式 10
2.1.3电压源型变频器和电流源型变频器 11
2.2系统结构组成 11
3变频主电路的设计 12
3.1电路构成 12
3.2变频电源的工作原理 12
3.2.1交—直部分 13
3.2.2直—交部分 16
3.3输出滤波电路设计 18
4功率器件的驱动和保护电路设计 19
4.1M57962L驱动电路的简介 19
4.1.1引脚排列及主要性能参数 20
4.1.2M57962L模块具有以下特点：
21
4.1.3M57962L工作原理 21
4.2IGBT保护电路 21
4.2.1过流保护 21
4.2.2过压保护 22
5逆变器控制系统的设计 23
5.1SPWM控制技术 23
5.1.1PWM调制法基本原理 23
5.1.2SPWM波形生成方法的分析 23
5.1.3SPWM的约束条件 26
5.1.4SPWM调制方法 26
5.2SPWM控制电路设计 27
5.2.1SG3525的电路组成及各部分功能 27
5.2.2SG3525应用电路 29
5．3单片机接口电路设计 30
5.3.1A/D转换接口电路设计 30
5.3.2D/A转换接口电路设计 33
6结束语 37
致谢 38
参考文献 39
附录 40
1绪论
1.1课题的研究背景
1.1.1电力电子技术的发展
1957年，美国研制出世界上第一只普通的（400Hz以下）反向阻断型可控硅，后称晶闸管。
它是一种半控型器件，用它组成的电路简称半控型电路，其基本特点是容量大，但电路结构复杂，开关频率低，功率密度和整机效率不高。
经过60年代的工艺完善和应用开发，到了70年代，晶闸管己形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。
在这期间，世界各国还研制出一系列的派生器件，如不对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、门极辅助关断晶闸管、光控晶闸管以及80年代迅速发展起来的可关断晶闸管。
70年代，晶体管进入工业应用领域，由于晶体管具有自关断能力且开关速度可达20KHz，是一种全控器件。
在PWM技术中一度得到了广泛的应用，并促使装置性能进一步提高和传统直流电源装置的革新，但因晶体管是一种电流控制型器件，开通增益有限，这对驱动电路的设计和能耗而言都是一个负担，另外还存在二次击穿、不易并联以及开关频率仍然偏低等问题。
比较而言，功率场效应晶体管MOSFET是一种电压控制型自关断器件，具有驱动功率低、安全工作区宽（几乎不存在二次击穿问题）、漏极电流为负温度特性（易并联）、输入阻抗高等优点，同时又是一种高频器件，能够在高频硬开关环境中工作。
工作频率达到几十千赫至数百千赫，低压管甚至可达兆赫。
功率场效应晶体管优点突出，但其导通电阻与耐压大小成正比，这就限制了它在高频、大功率领域的应用。
基于晶体管和功率场效应晶体管的优缺点，80年代电力电子器件最引人注目的成就之一就是开发出双极型复合器件。
研制复合器件的主要目的是实现器件的高压、大电流参数同动态参数之间的最合理的折中，使其兼有MOS器件和双极型器件的突出优点，即具有MOSFET的输入特性、开关频率和晶体管的输出特性、开关容量，从而产生出较为理想的高频、高压和天电流器件。
目前被认为最有发展前途的复合器件是绝缘栅双极型晶体管IGBT（InsulateGateBipolarTransistor）。
实际上它是一种用MOS门控制的晶体管。
鉴于IGBT优良的器件特性和不断提高的制造工艺，IGBT逐渐占领了电力电子器件市场。
除了器件本身性能的不断提高，器件模块化和集成技术也相继发展起来。
就内部结构而言，MOSFET和IGBT都是功率集成器件，模块化技术的应用大大提高了电路功率密度和可靠性。
随着集成技术的发展，功率模块逐渐向智能化方向发展，即模块内部除了主电路器件之外，还包括相应的各种接口电路、保护电路（过流、过压、过热保护等）和驱动电路，故也称智能功率模块或功率集成电路。
这是电力电子技术的一大进步，说明集成电路已从信息电子技已术领域扩展到功率电子技术领域。
尽管目前的IPM在功率等级上还很有限，但在各个应用领域中显示出显著的优点。
1.1.2变频电源的发展
随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能不断提高，而且应用范围也越来越广。
目前变频器不但在传统的传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎已经扩展到了工业生产的所有领域，并且在空调、洗衣机、电冰箱等家电产品中也得到了广泛应用。
采用变频技术可以节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量，因而在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益。
目前应用最为广泛的是通用变频器，通用变频器大都为电压型交—直—交变频器。
三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给负载。
这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。
但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。
因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。
由于二极管不可控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。
工程上对这种泵升能量的多种处理方法如前所述，基本上分为两类：
（1）以热能或其它形式消耗；
（2）通过能量回馈电路的技术处理使之回馈到交流电网或其它储能装置中。
显然，前一类方法比较简单，但如前所述，这类方法不仅浪费了能源，有时也会产生某些副作用，这对整个系统的可靠性不利；
后一类能量回馈制动技术虽然结构较为复杂，但提高了能源的利用率，尤其是对频繁起、制动或长期带势能性负载下放的系统，在有效制动的同时会产生显著的节电效果，将相应的能量回送到电网中。
目前有些变频器己经有了能量回馈制动单元，但这些制动单元一般采用单片机控制，如51系列单片机。
这些单片机的性能不能满足实时信号处理的需要，因此这些制动单元的功能较少，而且其大部分功能由硬件电路实现，造成硬件电路复杂、维护工作量大、输出电能质量不够高等缺点。
DSP芯片（数字信号处理器）和ARM（嵌入式技术）的出现将完善和解决这些工程问题提到议事日程之上，为应用于能量回馈电路的新技术发展提供了广阔的前景。
1.1.3变频技术的发展动向
变频电源进入实用期已超过了1/4个世纪，在此期间，作为变频技术基础的电力电子技术和微电子技术都经历了飞跃性的发展，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频电源的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地为实现变频电源的进一步小型化而做着新的努力。
从技术方面来看，随着变频电源市场的进一步扩大，今后变频技术将会随着有关的技术发展，在下面几个方面也会有进一步的提高：
a）大容量和小体积化；
b）高性能和多功能化；
c）易操作性的提高；
d）寿命和可靠性增加；
e）无公害化。
大容量和小体积化将会随着电力半导体器件的发展而不断得到发展。
近年来，采用电压驱动的电力半导体器件IGBT发展很快，并在迅速进入传统上使用BJT和功率MOSFET的各种领域。
此外，以IGBT为开关器件的IPM和单片功率IC芯片将功率开关器件和驱动电路，保护电路等集成在同一封装内，具有高性能和可靠性好的优点，所以随着它们在大电流化和高耐压化方面的发展，必将在中小功率的变频电源中得到更加广泛的应用。
随着变频电源市场的不断扩大，如何进一步提高变频电源的易操作性，使普通的技术人员甚至非技术人员也能很快地掌握变频电源的使用技术已经成为厂家必须考虑的问题。
因为只有容易操作的产品才能够不断获得新的用户，并进一步扩大市场，所以今后的新型变频电源将更加容易操作。
随着半导体技术的发展和电力电子技术的发展，变频电源中所使用的各种元器件的寿命和可靠性都在不断提高，这些都将使变频电源本身的寿命和可靠性进一步增加。
在变频电源推广应用的初期，噪声问题曾经是一个比较大的问题。
随着IGBT的低噪声变频电源的出现，这个问题已经基本上得到了解决。
但是，随着噪声问题的解决，人们的目光又转向了变频电源对周围环境的其他影响并在不断探索新的解决办法。
例如，对于采用了二极管整流电路和电压形PWM逆变电路的变频电源来说，变频电源本身造成的高次谐波将给电源电压和电流带来畸变，并影响接于同一电源的其他设备。
但是,通过在变频电源中采用PWM整流电路，就可以基本上解决这个问题。
虽然因为价格和控制技术等方面的原因目前采用PWM整流电路的变频电源尚未得到推广，但是，随着变频技术的发展和人们对环境问题的重视，不断减少变频电源对环境的影响，直至推出真正的无公害变频电源。
1.2课题研究的意义
近年来，变频电源已成为电源系统的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标。
变频电源自问世以来引起了国内外电源界的普遍关注，现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。
传统的体积大，笨重，效率低的变频电源已不能满足要求，现代变频电源以其低损耗、高效率、电路简洁最佳的性能指标等显著优点受到青睐，并广泛应用于电气传动、计算机、电子设备。
仪器仪表、通信设备和家用电器中。
然由于用电对象具有多样性、新颖性和复杂性，且要具备适应各种不同负载的能力，各种用电设备对电源提出了越来越高的要求，因此要针对一些中小功率的电气设备设计出适宜的可调节其频率和电压的电源显得越发重要。
变频电源主要由整流滤波电路、开关稳压电路、逆变电路、电流电压检测电路及控制器电路等部分组成。
其中逆变器部分很重要，有了逆变器，就可利用直流电（蓄电池、开关电源、燃料电池等）转换成交流电为电器提供稳定可靠的用电保障，如笔记本电脑、手机、手持PC、数码相机以及各类仪器等；
逆变器还可与发电机配套使用，能有效地节约燃料、减少噪音；
在风能、太阳能领域，逆变器更是必不可少。
小型逆变器还可利用汽车、轮船、便携供电设备，在野外提供交流电源。
逆变器有着广泛的用途，它可用于各类交通工具，如汽车、各类舰船以及飞行器，在太阳能及风能发电领域，逆变器有着不可替代的作用。
变频逆变电源应用广泛，应用该电源可以实现从三相交流电到单相交流电的转换，为设备提供电源，其变频功能还可以改变单相交流电的输出变频频率，可以很方便的用于一些中小功率的单相电机进行变频调速等。
许多电子设备、电器设备需要为其提供频率、电压均要变化的电源，如：
变频调速系统、大功率信号源等，这类电源均称为变频变压交流电源。
在实际运行中，这些电源需要随机改变电源电压、频率，或者电源电压和频率之间按照一定规律进行变化，以使负载或者对象按照一定的规律运转。
因此，研究变频电源设计与实现具有实际的意义。
2系统方案论证与设计
2.1系统方案论证
2.1.1结构方式
从结构上看，静止式变压变频装置有直接和间接两种结构方式。
a）直接变压变频装置的结构如图所示。
图2-1直接（交—交）变压变频装置
这种装置只有一个环节，就可以把恒频恒压（CVCF）的交流电源变换成VVVF电源，因此，称之为直接（或交—交）变压变频装置。
常用的交—交变压变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。
正、反向两组按一定周期互相切换，在负载上就获得交变的输出电压。
的幅值决定于各组整流装置的控制角，的频率决定于两组整流装置的切换频率。
如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，要得到正弦波，就必须在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。
交—交变压变频装置虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，但所用的器件数量更多，总设备相当庞大。
这种装置受输出谐波电流和脉动转矩的限制，最高输出频率不超过电网频率的1/3～1/2。
鉴于这类装置的器件数量多而输出频率低，一般只用于低转速、大容量的调速系统。
b）间接变压变频装置则是先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率的交流电，因此又称为有中间直流环节的变压变频装置，或交—直—交变压变频装置。
交—直—交变频器基本上由整流器、滤波器和逆变器3大部分组成。
图2-2间接（交—直—交）变压变频装置
先用可控硅整流器将交流电压整成电压可调的直流电压。
中间经过大电容或大电感进行滤波，统称为直流环节。
然后采用开关器件令它们轮流切换导通，则在负载上得到频率可调的交流电压Vo。
Vo的幅值由由整流器输出电压决定，Vo的频率由逆变器开关器件切换的频率决定，并且不受电源频率的限制。
为了提高电网侧的功率因数。
前级整流器也可采用不可控整流来获得，然后再经斩波器或有脉宽调制功能的逆变器来实现调压。
如图2-3所示。
如图a中所示的这种装置，调压和调频在两个环节上分别进行，两者要在控制电路上协调配合，其结构简单，控制方便。
但是，由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得比较低时，电网端功率因数较低。
而输出环节多用晶闸管组成的三相六拍逆变器，每周换相六次，输出谐波较大。
如图b所示的装置中，整流环节采用二极管不控整流器，只整流不调压，再单独设置斩波器，用脉宽调压。
这样虽然多了一个环节，但调压时输入功率因数不变，克服了图a装置的缺点，不过输出信号中仍有较大的谐波。
如图c所示的装置中，用不控整流，则输入功率因数不变；
用PWM逆变，
则输出谐波可以减少。
这样，如图a所示的装置的两个缺点都消除了。
PWM逆变器需要全控式电力电子器件，其输出谐波减少的程度取决PWM的开关频率，而开关频率则受器件的开关时间限制。
采用MOSFET或IGBT时，开关频率可达10kHz以上，输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称为正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器，成为目前最有发展前途的一种装置形式。
图2-3间接变压变频装置的不同结构形式
a）可控整流调压、逆变调压
b）不可控整流、斩波器调压、逆变器调频
c）不可控整流、PWM逆变器调压调频
因此，为了提高通用性，系统选用AC-DC-AC变换电路（即交—直—交变压变频装置）。
2.1.2构成变频电源方式
总体来讲，实现变频电源的方案主要有两种：
模拟式和数字式。
模拟式是采用反馈振荡电路，利用自激振荡和选频作用，通过正反馈机制建立连续的正弦波输出。
频率的调节用电位器实现。
这种方法构成的电路简单，成本低，而且频率连续可调。
但是波形精度低，稳定性差，谐波成分较大且不易与微机接口。
数字式是在微控制器的作用下，通过一定的方法，根据所设定的周期逐点输出正弦波的每个样值，再通过数模转换，从而形成连续平滑的波形。
这种方法稳定性好，精度高，又能很方便得控制频率和幅值。
图2-4交—直—交变换器结构图
在交—直—交变换器这种结构中，无论作为变频调速器还是逆变电源，逆变技术在整个系统占有重要的地位。
传统的逆变电源技术采用的模拟电路控制，在早期的现实条件下，模拟电路控制技术满足了一定的要求，但是模拟电路存在一些固有的缺点：
（a）因采用大量的分立元件，导致系统的成本偏高，可靠性下降。
（b）器件热漂移问题的存在，导致系统输出性能变差。
（c）产品升级换代困难。
在80年代初期，为了提高逆变电源的通信功能及显示功能，逆变电源的设计中采用了微处理器，但是，由于微处理器的速度有限，通常只具有给定正弦波的发生、控制逆变电源的开关及实现保护显示等功能，逆变电源的核心—逆变器的控制仍然需要模拟电路的参与。
2.1.3电压源型变频器和电流源型变频器
无论是交—直—交变频还是交—交变频，从变频电源的性质上看，又可以分为电压源型变频器和电流源型变频器两大类。
对于交一直一交变频装置，两类变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。
交—直—交变频装置中，当中间的直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，而电流波形不规则，有许多毛刺。
这类变频器称为电压源型变频器。
电压型源变频器中的逆变开关器件都应反并联一个快速二极管，称为续流二极管，这是为滞后的负载电流提供反馈到电源的通路。
一般的交—交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压源型变频器。
当中间的直流环节采用大电感滤波时，直流电流比较平直，从逆变器输入端来看，直流电呈高阻抗，对负载来说基本上是个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫电流源型变频器。
a）电压源型b）电流源型
图2-5电压源型和电流源型交—直—交变频装置
2.2系统结构组成
基于以上的分析比较，结合本课题的实际应用，设计的变频电源系统构成如图2-6所示。
（a）单片机。
做为控制器的单片机是整个控制系统的大脑，它要完成对取样反馈回来的电压模拟信号转换成数字信号，决定PWM产生器SG3525输出PWM控制信号的任务，并通过显示电路显示出系统的最新运行状态。
（b）整流电路。
采用二极管单相不可控整流桥，将交流电转变成直流电。
（c）滤波电路。
二极管不可控单相整流电路输出的直流电含有纹波，通过大电容将带有纹波的电压波形滤得比较平滑。
（d）逆变电路。
采用全桥PWM逆变电路，将直流电逆变成负载需频率和电压的交流电。
（e）隔离驱动电路。
根据单片机提供的输出PWM控制波形的信息，产生相应的驱动信号。
由于系统强电部分和弱点部分要实现电气土的隔离，所以中间需要加上光耦隔离。
（f）输出滤波电路。
逆变器输出的是高频PWM脉冲，需要滤波后才能得到负载需要的正弦波形。
设计时采用LC滤波器。
（g）检测电路主要是检测输出的电压值并传回单片机。
图2-6系统结构框图
3变频主电路的设计
3.1电路构成
变频电源由主电路和控制电路两大部分组成。
主电路包括二极管整流滤波电路、IGBT（绝缘栅双极晶体管）逆变器，以及输出滤波电路等。
控制电路包括单片机系统、驱动保护电路、信号检测电路以及显示电路。
3.2变频电源的工作原理
本文设计的变频电源是由AC—DC—AC部分组成的，即采用的是交—直—交方式，其主要工作原理如下：
首先把50HZ、220
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