設(shè)計報告課題：三相正弦波變頻電源設(shè)計日期：2014.08.09摘要：本系統(tǒng)通過STM32單片機(jī)軟件程序控制、全橋式逆變電路以及負(fù)偏壓驅(qū)動控制電路采用脈寬調(diào)制電壓的方法實現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)。略去整流濾波電路使用學(xué)生電源直接提供輸入信號，經(jīng)過脈寬調(diào)制、LC濾波后轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭妷河行е?80.5V，最大輸出電流有效值為0.3-1.0A的三相正弦信號，其頻率在10-200Hz可調(diào)。同時設(shè)計電路具有過流、過壓保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。關(guān)鍵字：STM32；全橋逆變；負(fù)偏壓驅(qū)動；目錄TOC\o"1-3"\h\u2005目錄 3227711系統(tǒng)設(shè)計 4301161.1設(shè)計要求 4200661.1.1基本要求 4232751.1.2發(fā)揮部分 4182941.2方案論證及選擇 420641.2.1逆變控制模塊 4157481.2.2驅(qū)動電路 5229291.3系統(tǒng)框圖 5106582單元電路設(shè)計 61162.1逆變電路模塊 6194232.1.1電路原理圖 6192392.1.2工作原理 6299892.1.3參數(shù)選擇 6231272.2驅(qū)動電路模塊 7125932.2.1電路原理圖 7188232.2.2工作原理 8228542.2.2參數(shù)選擇 8208562.3過流保護(hù)電路模塊 875602.3.1電路原理圖 8231892.3.2工作原理 9169313軟件設(shè)計 9266304系統(tǒng)測試 9303755結(jié)論 1318456作品基本達(dá)到題目所有基本和擴(kuò)展的功能和指標(biāo)的要求。 1385096參考文獻(xiàn) 1374437附錄 1411957.1附錄一：器件清單 14106967.2附錄二：電路原理圖 1579917.3附錄三PCB圖 161系統(tǒng)設(shè)計1.1設(shè)計要求1.1.1基本要求輸出頻率范圍為20Hz~100Hz的三相對稱交流電，各相電壓有效誤差的絕對值小于5%；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，三相基本對稱；負(fù)載電流有效值為0.3~1.0A時，輸出線電壓有效值應(yīng)保持在20V，誤差的絕對值小于5%；具有過流保護(hù)（輸出電流有效值達(dá)1.5A時動作）；效率不小于50%。1.1.2發(fā)揮部分設(shè)計制作具有測量、顯示該變頻電源輸出電壓、電流、頻率，測量誤差的絕對值小于5%；負(fù)載不對稱保護(hù)（三相電流中任意兩相電流只差大于0.3A時動作）功能，保護(hù)時自動切斷輸入交流電源。變頻電源輸出頻率在50Hz以上時，輸出電壓的失真度小于5%；效率達(dá)80%以上。1.2方案論證及選擇1.2.1逆變控制模塊方案一：采用電流型三相橋式逆變電路。電流型逆變電路主要特點(diǎn)有：（1）直流測串大電感，電流基本無脈動，相當(dāng)于電流源；(2)

交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角。輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。(3)直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。方案二：采用電壓型三相橋式逆變電路。電壓型逆變電路特點(diǎn):（1）直流側(cè)是電壓源或并聯(lián)打電容，直流側(cè)電壓基本無脈動，(2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同；（3）阻感負(fù)載時需提供無功。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋式各臂并聯(lián)反饋二極管。方案一適用于單機(jī)傳動，加、減速頻繁運(yùn)行或需要經(jīng)常反向的場合，方案二使用于向多機(jī)供電，不可逆?zhèn)鲃踊蚍€(wěn)速系統(tǒng)以及對快速性要求不高的場合，本設(shè)計選擇方案二。1.2.2驅(qū)動電路方案一：利用CMOS器件驅(qū)動，該方式驅(qū)動開關(guān)速度低，因此不選用本方案；方案二：利用光耦合器驅(qū)動，因其自身的速度不高，限制了使用頻率，因此不采用本方案；方案三：利用MOSFET柵極驅(qū)動控制專用集成電路芯片IR2130。此方案可同時驅(qū)動6個MOS管，芯片性能好，體積小，滿足要求，因此采用此方案。1.3系統(tǒng)框圖根據(jù)設(shè)計指標(biāo)要求，本系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓電源提供30V的直流電為逆變電路提供電源。當(dāng)有使用按鍵對輸出電壓的頻率進(jìn)行預(yù)置時，單片機(jī)STM32F103把所預(yù)置的數(shù)值送到LCD12864進(jìn)行顯示，同時通過內(nèi)部的軟件設(shè)計輸出幅度相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖波，通過控制逆變電路的工作狀態(tài)，LC振蕩得到規(guī)則的正弦波。圖圖1系統(tǒng)總框圖圖圖1系統(tǒng)總框圖2單元電路設(shè)計2.1逆變電路模塊2.1.1電路原理圖圖圖2逆變電路模塊原理圖2.1.2工作原理三相逆變電路可由三個單相逆變電路組成。如圖2所示，電路由6個MOSFET管IRF640組成該逆變電路的橋臂。橋中各臂在控制信號下輪流導(dǎo)通。它的基本工作方式為導(dǎo)電方式，即每個橋臂的導(dǎo)電角度為，同一相（即同一半橋）上下橋臂交替導(dǎo)電。各相開始導(dǎo)電的時間相差。這樣，在任一瞬間，將有三個橋臂同時導(dǎo)通。2.1.3參數(shù)選擇濾波電容的選擇：因為輸入直流為30V，輸出電流為2A，所以濾波電容選擇470uF/50V的電解電容。功率管的選擇：由于功率開關(guān)器件決定逆變電源效率的重要因素，所以功率管的選擇極為重要。考慮到輸入開關(guān)管的電壓約有30V，輸出電流要求2A，IRF640的最大電流18A、最大電壓100V滿足設(shè)計要求。且開關(guān)速度快，導(dǎo)通壓降小，所以功耗比較低。完全滿足電路要求故選擇IRF640電感的選擇：SPWM調(diào)制下輸出濾波電感的值一般是由電感電流的最大紋波所決定，一般可取該值為滿功率輸出時正弦電流峰值的15％。在單極性SPWM調(diào)制下，電感電流紋波可表達(dá)式為因此電感電流的最大紋波滿足考慮開關(guān)管的飽和壓降，輸出濾波電感L滿足在本問題中可求得電感值越大，電感中電流越平滑，實際電路中取電感值為5mH。2.2驅(qū)動電路模塊圖3驅(qū)動電路原理圖2.2.1電路原理圖圖3驅(qū)動電路原理圖2.2.2工作原理驅(qū)動電路如圖3所示，IR2130為可同時驅(qū)動6個MOSFET管的柵極驅(qū)動器，用IR2130驅(qū)動MOS管需要通過自舉來實現(xiàn)，圖中D19、D20、D21、E14、E15、E23構(gòu)成自舉電路，C5、E16為濾波電容。構(gòu)成放大電路。2.2.2參數(shù)選擇因IR2130內(nèi)部的三路驅(qū)動高壓側(cè)電力MOSFET管的輸出是通過自舉技術(shù)獲得的，所以連接到固定電源的二極管其反向耐壓必須大于驅(qū)動的電力MOSFET工作的主電路峰值母線電壓，為防止自舉電容兩端電壓的放電，對二極管，應(yīng)選用高頻快恢復(fù)二極管，因此選用UF107。為防止自舉電容放電造成其兩端電壓低于欠壓保護(hù)動作的門檻電壓值，電容值應(yīng)充分大，本電路選取10uF電容。2.3過流保護(hù)電路模塊2.3.1電路原理圖圖圖4過流保護(hù)電路2.3.2工作原理過流保護(hù)電路如圖4所示，利用軟件編程來控制該電路繼電器的吸合，關(guān)斷。根據(jù)采樣電流信號隨時監(jiān)控電路中電流的情況，一旦發(fā)現(xiàn)電路中的電路超過設(shè)定的最大電流，繼電器吸合進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。3軟件設(shè)計3.1軟件平臺和開發(fā)工具本系統(tǒng)采用的開發(fā)平臺是keiluVison4，開發(fā)工具為J-LINK。4系統(tǒng)測試測試方法及條件：測試三相輸出：橋式回路輸入Ud=30V，接入外部基準(zhǔn)信號，在10Hz~200Hz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)信號頻率用雙蹤方式觀察基準(zhǔn)信號和輸出信號是否同頻同相，或用按鍵設(shè)輸出頻率，觀察輸出頻率與設(shè)置的頻率是否相同。同時觀測三相正弦波的相位差是否為120°。驗證過流保護(hù)：改變輸入電壓為設(shè)定電壓的20%，看是否有欠壓保護(hù)；改變負(fù)載電流,看是否有過流保護(hù)、負(fù)載不對稱、負(fù)載缺相保護(hù)。效率測試：用萬用表測量輸入電壓和輸入電流根據(jù)計算輸入功率，再測三相的輸出電流和輸出電壓根據(jù)計算輸出功率，由求出效率。測試結(jié)果及結(jié)果分析：三相波形：圖圖1f=200Hz時A相波形圖圖2f=100Hz時B相波形圖圖3f=100Hz時C相波形三、效率測試：頻率/Hz測量量輸入A相B相C相效率/η50電流/A0.250.460.460.4589.1%電壓/V30.19.869.679.83功率/W7.5252.2682.2242.212200電流/A0.320.510.510.5183.4%電壓/V30.210.8210.2210.57功率/W9.6642.7592.6062.695不同頻率時的效率計算如下：波形如下：圖圖4f=50Hz時圖5f=50Hz時圖5f=50Hz時5結(jié)論作品基本達(dá)到題目所有基本和擴(kuò)展的功能和指標(biāo)的要求。（1）輸出頻率范圍為10Hz～200Hz的三相對稱交流電超出了基本頻率范圍。（2）輸出電壓波形接近正弦波，用示波器觀察時無明顯失真，三相基本對稱。（3）負(fù)載電流有效值為0.3～1.0A時，輸出線電壓有效值應(yīng)保持在18V左右，誤差的絕對值小于5%；（4）具有過流保護(hù)(輸出電流有效值達(dá)1.5A時動作)、負(fù)載缺相保護(hù)，保護(hù)時自動切斷輸入交流電源。（5）效率達(dá)到89%。6參考文獻(xiàn)[1]清華大學(xué)電子學(xué)教研組編，童詩白、華成英主編：《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》(第四版)[M]北京:高等教育出版社，2006[2]清華大學(xué)電子學(xué)研組編，閻石主編：《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第五版）[M]北京：高等教育出版社，2006[3]謝運(yùn)祥、歐陽森編著．電力電子單片機(jī)控制技術(shù)［Ｍ］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.1[4]王兆安，黃俊編著．電力電子技術(shù)［Ｍ］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.77附錄7.1附錄