畢業(yè)設(shè)計(jì)單相變頻電源設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。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。 ~ 5 0 H ZA C恒 壓 恒 頻（ C V C F ）整流逆 變D C中 間 直 流環(huán) 節(jié)A C變 壓 變 頻（ V V V F ） 圖 22 間接（交 — 直 — 交）變壓變頻裝置 先用可控硅整流器將交流電壓整成電壓可調(diào)的直流電壓 dV 。中間經(jīng)過(guò)大電容或大電感進(jìn)行濾波，統(tǒng)稱為直流環(huán)節(jié)。然后采用開(kāi)關(guān)器件令它們輪流切換導(dǎo)通，則在負(fù)載上 得到頻率可調(diào)的交流電壓 Vo。 Vo 的幅值由由整流器輸出電壓決定，Vo 的頻率由逆變器開(kāi)關(guān)器件切換的頻率決定，并且不受電源頻率的限制。為了提高電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。前級(jí)整流器也可采用不可控整流來(lái)獲得，然后再經(jīng)斬波器或有脈寬調(diào)制功能的逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。如圖 23所示。 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(jiǎn)單，控制方便。但是，由于輸入環(huán)節(jié)采用晶閘管可控整流器，當(dāng)電壓調(diào)得比較低時(shí)，電網(wǎng)端功率因數(shù)較低。而輸出環(huán)節(jié)多用晶閘管組成的三相六拍逆變器，每周換相六次，輸出諧波較大 。 如圖 b所示的裝置中，整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流器，只整流不調(diào)壓，再單獨(dú)設(shè)置斬波器，用脈寬調(diào)壓。這樣雖然多了一個(gè)環(huán)節(jié)，但調(diào)壓時(shí)輸入功率因數(shù)不變，克服了圖 a 裝置的缺點(diǎn)，不過(guò)輸出信號(hào)中仍有較大的諧波。 如圖 c 所示的裝置中，用不控整流，則輸入功率因數(shù)不變；用 PWM 逆變， 則輸出諧波可以減少。這樣，如圖 a 所示的裝置的兩個(gè)缺點(diǎn)都消除了。 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(kāi)關(guān)頻率，而開(kāi)關(guān)頻率則受器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間限制。采用 MOSFET 或 IGBT 時(shí)，開(kāi)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。 A CA CA CD CA CA CA CD CD CD C可 控 整 流 逆 變不 控 整 流不 控 整 流P W M 逆變 器逆 變斬 波 器調(diào) 頻調(diào) 壓a )b )調(diào) 壓 調(diào) 頻 圖 23 間接變壓變頻裝置的不同結(jié)構(gòu)形式 a)可控整流調(diào)壓、逆變調(diào)壓 b)不可控整流、斬波器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻 c)不可控整流、 PWM 逆變器調(diào)壓調(diào)頻 因此，為了提高通用性，系統(tǒng)選用 ACDCAC 變換電路（即交 — 直 — 交變壓變頻裝置）。 構(gòu)成變頻電源方式 總體來(lái)講，實(shí)現(xiàn)變頻電源的方案主要有兩種：模擬式和數(shù)字式。 模擬式是采用 反饋振蕩電路，利用自激振蕩和選頻作用，通過(guò)正反饋機(jī)制建立連續(xù)的正弦波輸出。頻率的調(diào)節(jié)用電位器實(shí)現(xiàn)。這種方法構(gòu)成的電路簡(jiǎn)單，成本低，而且頻率連續(xù)可調(diào)。但是波形精度低，穩(wěn)定性差，諧波成分較大且不易與微機(jī)接口。 數(shù)字式是在微控制器的作用下，通過(guò)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(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而形成連續(xù)平滑的波形。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。 A C A C整 流直 流 環(huán) 節(jié)逆 變 圖 24 交 — 直 — 交變換器結(jié)構(gòu)圖 在交 — 直 — 交變換器這種結(jié)構(gòu)中 ，無(wú)論作為變頻調(diào)速器還是逆變電源，逆變技術(shù)在整個(gè)系統(tǒng)占有重要的地位。傳統(tǒng)的逆變電源技術(shù)采用的模擬電路控制，在早期的現(xiàn)實(shí)條件下，模擬電路控制技術(shù)滿足了一定的要求，但是模擬電路存在一些固有的缺點(diǎn)： (a) 因采用大量的分立元件，導(dǎo)致系統(tǒng)的成本偏高，可靠性下降。 (b) 器件熱漂移問(wèn)題的存在，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出性能變差。 (c) 產(chǎn)品升級(jí)換代困難。 在 80 年代初期，為了提高逆變電源的通信功能及顯示功能，逆變電源的設(shè)計(jì)中采用了微處理器，但是，由于微處理器的速度有限，通常只具有給定正弦波的發(fā)生、控制逆變電源的開(kāi)關(guān)及實(shí)現(xiàn)保護(hù) 顯示等功能，逆變電源的核心 — 逆變器的控制仍然需要模擬電路的參與。 電壓源型變頻器和電流源型變頻器 無(wú)論是交 — 直 — 交變頻還是交 — 交變頻，從變頻電源的性質(zhì)上看，又可以分為電壓源型變頻器和電流源型變頻器兩大類。對(duì)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。 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。這類變頻器稱為電壓源型變頻器。電壓型源變頻 器中的逆變開(kāi)關(guān)器件都應(yīng)反并聯(lián)一個(gè)快速二極管，稱為續(xù)流二極管，這是為滯后的負(fù)載電流提供反饋到電源的通路。一般的交 — 交變壓變頻裝置雖然沒(méi)有濾波電容，但供電電源的低阻抗使它具有電壓源的性質(zhì)，也屬于電壓源型變頻器。當(dāng)中間的直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時(shí)，直流電流比較平直，從逆變器輸入端來(lái)看，直流電呈高阻抗，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)基本上是個(gè)電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類變頻裝置叫電流源型變頻器。 逆 變 器逆 變 器+C dU dL dI d+U d a) 電壓源型 b)電流源型 圖 25 電壓源型和電流源型交 — 直 — 交變頻裝置 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 基于以上的分析比較，結(jié)合本課題的實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)的變頻電源系統(tǒng)構(gòu)成如圖 26所示。 (a)單片機(jī)。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(duì)取樣反饋回來(lái)的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，決定 PWM 產(chǎn)生器 SG3525 輸出 PWM 控制信號(hào)的任務(wù)，并通過(guò)顯示電路顯示出系統(tǒng)的最新運(yùn)行狀態(tài)。 (b)整流電路。采用二極管單相不可控整流橋，將交流電轉(zhuǎn)變成直流電。 (c)濾波電路。二極管不可控單相整流電路輸出的直流電含有紋波，通過(guò)大電容將帶有紋波的電壓波形濾得比 較平滑。 (d)逆變電路。采用全橋 PWM 逆變電路，將直流電逆變成負(fù)載需頻率和電壓的交流電。 (e)隔離驅(qū)動(dòng)電路。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(hào)。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。 (f)輸出濾波電路。逆變器輸出的是高頻 PWM 脈沖，需要濾波后才能得到負(fù)載需要的正弦波形。設(shè)計(jì)時(shí)采用 LC濾波器。 (g)檢測(cè)電路主要是檢測(cè)輸出的電壓值并傳回單片機(jī)。 脈 寬 調(diào) 制器S G 3 5 2 5單 片 機(jī)整 流 電 路 濾 波 電 路 逆 變 電 路輸 出 濾 波負(fù) 載檢 測(cè)保 護(hù) 信 號(hào)隔 離顯 示 圖 26 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 3 變頻主電路的設(shè)計(jì) 電路構(gòu)成 變頻電源由主電路和控制電路兩大部分組成。主電路包括二極管整流濾波電路、 IGBT(絕緣柵雙極晶體管 )逆變器，以及輸出濾波電路等。控制電路包括單片機(jī)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、信號(hào)檢測(cè)電路以及顯示電路。 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(guò)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(guò)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）。 交 — 直部分 近年來(lái)，在交 — 直 — 交變頻器、不間斷電源、開(kāi)關(guān)電源等應(yīng)用場(chǎng)合中，由于大多數(shù)逆變器（特別是 SPWM 逆變器）本身可以調(diào)壓，所以大都采用不可控整流電路經(jīng)電容濾波后提供直流電源，供后級(jí)的逆變器、斬波器等使用。該電路適用于小功率單相交流輸入的場(chǎng)合，所以本系統(tǒng)中將采用電容濾波的單相不可控整流電路， 電容濾波的不可控橋式整流電路及輸入特性波形圖如圖 31 所示。 1u 2uV D 1 V D 2V D 3 V D 4cR2i Rici 22 iuu d2i du??2?? 2u t?o a)電路 b)波形 圖 31 電容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形 工作原理及波形分析 假設(shè)該電路已工作于穩(wěn)態(tài)，同時(shí)由于實(shí)際中作為負(fù)載的后級(jí)電路穩(wěn)態(tài)時(shí)消耗的直流平均電流是一定的，所以分析中以電阻 R作為負(fù)載。 該電路的基本工作過(guò)程是，在 u2正半周過(guò)零點(diǎn)至ω t = 0 期間，因 2u du ，故二極管均不導(dǎo)通，此階段電容 C 向 R 放電，提供負(fù)載所需電流，同時(shí) du 按指數(shù)規(guī)律下降。至ω t = 0 之后， 2u 將要超過(guò) du ，使得 VD1和 VD4開(kāi)通， du =2u ，交流電源向電容充電，同時(shí)向負(fù)載 R 供電。 設(shè) VD1 和 VD4 導(dǎo)通的時(shí)刻與 u2 過(guò)零點(diǎn)相距 ? 角，則 u2 如下式所示 )sin (2 22 ?? ?? tUu （ 31） 在 VD1 和 VD4 導(dǎo)通期間，以下方程成立 ?sin2)0( 2Uu d ? 201)0( udtiCutCd ?? ? （ 32） 式中， )0(du 為 VD1 、 VD4 開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)刻直 流側(cè)電壓值。 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。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。電容開(kāi)始以時(shí)間常數(shù) RC 按指數(shù)函數(shù)放電，當(dāng) ???t ，即放電經(jīng)過(guò) ??? 角時(shí)， du 降至開(kāi)始充電時(shí)的初值 ?sin2 2U ，另一對(duì)二極管 VD2 和 VD3 導(dǎo)通，此后 2u 又向 C充電，與 2u 正半周的情況一樣，由于二極管導(dǎo)通后 2u 開(kāi)始向 C充電時(shí)的 du 與二極管關(guān)斷后 C 放電結(jié)束時(shí)的 du 相等，故有下式成立 ??? ? ?? s i n2)s i n(2 22 UeU RC ?? ?? （ 37） 注意到 ??? 為第 2 象限的角，由上兩式可得 )a r c t a n (RC???? ??? （ 38） ??? ??? ? s i n1)()a r c t a n(2 ???? RCRC RC eeRCRC （ 39） 在 RC? 已知時(shí)，即可由式 (19)求出 ? ，進(jìn)而可以由（ 18）求出 ? 。顯然 ?和 ? 僅由乘積 RC? 決定。 二極管 VD1 和 VD4 關(guān)斷的時(shí)刻，即 t? 達(dá)到 ? 的時(shí)刻，還可用另一種方法確定。顯然，在 2u 達(dá)到峰值之前， VD1 和 VD4 是不會(huì)關(guān)斷的。 2u 過(guò)了峰值之后， 2u 和電容電壓 du 都開(kāi)始下降。 VD1 和 VD4 的關(guān)斷時(shí)刻，從物理意義上講，就是兩個(gè)電壓下降速度相等的時(shí)刻，一個(gè)是電源電壓的下降速度 )(/2 tddu ? ，另一個(gè)是假設(shè)二極管 VD1 和 VD4 關(guān)斷而電容開(kāi)始單獨(dú)向電阻放電時(shí)電壓的下降速度pd tddu )(/ ?（下標(biāo)表示假設(shè)）。前者等于該時(shí)刻 2u 導(dǎo)致的絕對(duì)值，而后者等于該時(shí)刻 du 與 RC? 的比值。據(jù)此即可確定 ? 。 主要參數(shù)關(guān)系 a)輸出的電壓平均值 空載時(shí)， R=? ，放電時(shí)間常數(shù)為無(wú) 窮大，輸出 電壓最大， 22Uud ? 。 整流電壓平均值 du 可根據(jù)前述波形及有關(guān)計(jì)算公式推導(dǎo)得出，但推導(dǎo)繁瑣，故此外直接給出 du 與輸出到負(fù)載的電流平均值 IR 之間的關(guān)系如圖 32 所示。空載時(shí)， 22Uud ? 。重載時(shí)， R 很小，電容放電很快，幾乎失去貯能作用，隨負(fù)載加重 du 逐漸趨近于 ，即趨近于接近電阻負(fù)載時(shí)的特性。 通常在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)負(fù)載的情況選擇電容 C 值，使 RC? T25~3， T 為交流電源的周期，此時(shí)輸出電壓為 UU