三相正弦波变频电源
摘要:本
设计
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由整流滤波电路、DC-AC变换器、检测模块和单片机控制及显示模块4个模块电路构成。系统以英飞凌单片机XE164FN为控制核心,采用规则采样法和DDS实现频率可变的三相交流电SPWM信号输出,实现DC-AC转换,输出频率范围为20~100HZ,输出线电压有效值为36V,最大负载电流有效值为3A。采用互感器对电压、电流进行采样以及反馈,实现了对输出线有效值的控制以及缺相和过流保护,并实时显示电压、电流、频率、功率等。
关键字:变频电源 三相正弦波 逆变 正弦脉宽调制
一.方案论证与比较
1.1 三相逆变主拓扑方案
方案一:采用三个独立的单相逆变器经过一定的连接方式组成三相逆变,该系统可以三相运行,也可以单相独立运行,灵活性较高。
方案二:如图1所示,采用三相三桥臂逆变电路拓扑,同一桥臂上、下两个开关管互补通、断,输出的电压经滤波后得到三相交流电。
方案的选择:采用方案一所用元器件比较多,适用于高压大容量的逆变器。方案二所用元器件少,电路简单,满足题目要求,故本设计采用方案二。
1.2 SPWM(正弦脉宽调制)波产生方案
根据题目的要求将交流电经整流后,经过逆变从而产生三相正弦波电源。而实现三相正弦波变频电源的关键在于逆变过程。对于小功率逆变电路一般都采用PWM技术,为了实现正弦波变频电源,本设计采用了SPWM技术。实现SPWM有以下几种方案。
方案一: 采用对称规则采样法。规则采样法一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法。
方案二: 采用自然采样法。以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波。
方案的选择:方案二由于计算繁琐,不适用于数字控制器实现。而对于现在的控制器来说,软件可以生成一个较大的正弦表,使得计算变得简单,减轻单片机的工作量,故本设计采用方案一。
1.3 测量有效值电路方案
方案一:信号经互感器及调理电路处理后直接连接到A/D器件,单片机控制A/D器件首先进行等间隔采样,并将采集到的数据存到RAM中,然后处理采集到的数据,可在程序中判断信号的周期,根据连续信号的离散化公式,做乘除法运算,得到信号的有效值。
方案二:信号经互感器之后先经过真有效值转换芯片AD637,AD637输出信号的有效值模拟电平,然后通过A/D采集送到单片机,直接计算输出电压、电流有效值。
方案三:信号经互感器之后利用峰值检测电路保持为峰值送入单片机,再用正弦波幅值和有效值的关系通过软件计算出有效值。
方案的选择:方案一计算复杂,占用大量单片机资源,给单片机造成很大的负担,且精度不高。方案二需要用到真有效值转换芯片AD637,价格昂贵,成本太高。方案三电路较为复杂,但成本低,精度可以做到很高,故采用方案三。
二.系统总体设计方案和实现框图
2.1 系统总体设计方案
将市电通过隔离变压器输入到交流变频电源系统。隔离变压器的输出经过由整流桥后,产生全波整流信号,全波整流信号经过滤波生成直流电,实现AC-DC的转换。三相逆变器在单片机产生的三相SPWM脉冲的控制下产生三相交流电。逆变器的输出交流电的频率等于SPWM脉冲的基波频率,通过控制 DDS模块的可控分频比
,实现对调制正弦波频率的控制。逆变器输出的三相交流电经过缓冲吸收和LC滤波电路,生成三相正弦交流电。利用互感器对输出的相电压、相电流进行采样,并利用过零检测电路结合单片机的捕获端口实现频率的测量。系统根据采样值计算各相交流电的电压有效值、电流有效值,交流电的功率,并进行控制和显示。系统根据得到的各相交流电的有效值,采用PI算法,通过改变调制比控制SPWM脉冲的占空比,实现输出线电压的稳定。
2.2 系统实现框图
图 1 系统框架图
三.理论分析与计算
3.1 SPWM逆变电源的谐波分析
在调
制度
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一定,并且三相共用一个载波信号的情况下,对输出线电压进行频谱分析,可以发现输出线电压的谐波角频率为:
式中,
为奇数时,
=1,2……;
为偶数时,
;
;
=0,1,2……;
;
=1,2…。
由式(3-1)可知输出线电压的频谱没有载波频率
的整数倍次谐波分量谐波中幅值较高的谐波分量是
和
。
从上述分析可知:SPWM波形中所含的谐波主要是角频率为
、
及其附近的谐波。由于本设计采用的是异步调制方式,
,所以PWM波形中所含的主要谐波分量的频率比基波分量的频率高很多,谐波分量很容易被滤出。
3.2 三相交流电电压、电流有效值和功率的计算
对于负载端采用Y形连接组成的三相电路,每相交变电压信号输入端相对于Y形连接公共点的电压称为相电压
,该输电线称为火线,采样三相四线制的交变电路有三条火线,各相电压信号间的相位差为
,火线之间的电压称为线电压
。假设输电线上输送的交变电压信号是
标准
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的正弦信号,则
分别表示相电压和线电压的有效值。
因此当线电压的有效值
,各相相电压的有效值
,每相中的电流称为相电流
,火线中的电流成为线电流
,在Y形连接中相电流等于线电流
=
。
每相负载的功率为
=
其中
分别表示相电流的有效值、每相中电流和电压的相位差,由于Y形负载要求负载严格对称,因此每相中电流和电压的相位差都是相等的。所以三相的总功率为
当Y形负载为纯阻性负载时,每相中电流和电压都是同相的,即
,所以当Y为形纯阻性负载时,三相的总功率为
由于AD采样得到的是正弦信号的幅值
、
,由
,
即可得到有效值。
四.软件设计
4.1 单片机主程序
流程
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单片机产生SPWM波形主程序程序流程图如下图所示(图3-1)
图 2 程序流程图
4.2 SPWM波产生算法
SPWM波的产生,首先存入单片机的1000点正弦表,读取正弦表每两个点之间的时间间隔既可决定输出正弦波的频率,而正弦表两个点之间时间间隔由定时器T12决定。对于不同频率计算出正弦表中每两点对应的计数值n,作为T12的周期值,同时将周期数进行累加,在T12周期中断时,将累加值取出作为递增角度偏移,并将查表所得正弦值作为比较值赋给比较寄存器。通过外部按键可改变n,即可改变输出正弦波频率,进而实现变频的功能。
4.3 测量系统软件设计
测量系统软件主程序分为键盘扫描,SPWM产生,数据计算,测量显示几个部分。
五.测试仪器与测试方法
5.1 测量仪器
1.交流调压器:0~250V交流可调; 2.Tektronix TDS1002示波器;
3.FLUKE数字万用表; 4.滑线式变阻器3个;
5.失真度测试仪。
5.2 测试方法及数据
1)变频电源输出频率范围各相电压有效值之差的测试
(1)测试方法
将调压器的输出调到200V,将负载三相电阻的阻值都调整到30Ω。改变系统的输出频率,将示波器和交流电压表分别接到变频电源某一相的输出端,调节示波器,观察波形是否对称,记录各相的输出的频率值,同时调节交流电压表,记录各相相电压有效值。测量的频率点在20HZ-100HZ之间时, 10HZ一个测量步进。
(2)测试数据及结果分析
表格 1 各相相电压
频率/Hz
20
30
40
50
60
70
80
90
100
A相电压/V
20.79
20.81
20.80
20.87
20.69
20.80
20.80
20.82
20.81
B相电压/V
20.70
20.74
20.63
20.80
20.84
20.67
20.86
20.64
20.67
C相电压/V
20.64
20.69
20.72
20.81
20.71
20.70
20.67
20.84
20.74
最大相电压差/V
0.15
0.12
0.17
0.07
0.15
0.13
0.19
0.20
0.14
数据表明本变频电源系统的输出频率范围为20Hz-100Hz,在该频段范围内可以实现变频电源输出频率的精确设定最大偏差1%。各相电压的最大偏差为0.2V。
2)输出线电压有效值误差测量
(1)测试方法
.变频电源的输出频率保持在50HZ,改变调压器使输入电压在198V~242V之间变化,在负载端用交流电压表并联在任意两个负载的输入端,测量这两相的线电压有效值。
. 变频电源的输出频率保持在50HZ,保持调压器使输入电压在220V,改变负载的电阻值,用交流电流表测量负载电流值,使负载电流从0.5A开始每隔0.5A一个电流步进,直到负载电流达到3A。每调节一次负载电流值,在负载端用交流电压表并联在任意两个负载臂的输入端,测量这两相的线电压有效值。
表格 2 AB相间线电压
输出电流/Hz
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
AB相间线电压/V
36.01
36.02
35.99
35.97
/
/
输入电压/V
198
208
218
228
238
248
AB相间线电压/V
36.02
35.98
36.01
36.00
35.97
36.01
(2)测量数据及结果分析
可知输出负载电流1.5A恒定,和频率50HZ恒定,输入电压在198V-242V之间变化时,输出线电压的有效值保持在36V,最大偏差为0.083%。
可知输入电压保持220V恒定,输出电压的频率50HZ不变,输出负载电流在0.5A-2A变化时,输出线电压的有效值保持在36V,最大偏差为0.083%。
3)变频电源输出电压、电流、频率和功率的测量
(1)测量方法
改变自耦调压器的输入电压值,改变变频电源的输出频率。在各相的负载输入端分别用交流电压表,交流电流表测量该相的电压、电流有效值,用示波器测量相电压的输出频率,与系统测量的电压有效值、电流有效值、频率值对比。功率的测量是建立在电压有效值、电流有效值测量的基础上,每相的功率等于该相电流与电压的有效值之积,变频电源的总功率等于三相各相的功率之和。
表格 3 输出电压、电流、频率和功率测量
电压/V
电流/A
频率/Hz
功率/W
显示值
35.99
1.51
50.01
94.13
实际值
35.87
1.46
49.99
90.71
误差绝对值/%
0.335
3.42
0.04
3.77
(2)测量数据及结果分析
分析可知,变频电源系统能准确测量该变频电源的输出电压、电流、频率和功率,并且显示值和测量值之间的误差绝对值小于5%。
4)相电压失真度测量
(1)测量方法
将变频电源的输出经过适当的衰减后接到失真度测试仪,在同一输出电压下,改变输出频率,用失真度测试仪测量各相相电压的失真度。改变输出电压,再按照上述方法测量几组数据。
(2)测量数据及结果分析
表格 4 相电压失真度
频率/Hz
50
60
70
80
90
100
相电压失真度/%
0.14
1.2
2.4
3.2
3.5
4.1
根据测量数据可知,相电压失真度的最大值出现在100Hz时,为4.3%。
附录
电路图
图 3 主拓扑电路图
图 4 开关管驱动电路图
图 5 采样电路图