電力35組三相變頻電源設(shè)計(jì)報(bào)告

1、三相正弦波變頻電源摘要：本設(shè)計(jì)由整流濾波電路、DC-AC變換器、檢測(cè)模塊和單片機(jī)控制及顯示模塊4個(gè)模塊電路構(gòu)成。系統(tǒng)以英飛凌單片機(jī)XE164FN為控制核心，采用規(guī)則采樣法和DDS實(shí)現(xiàn)頻率可變的三相交流電SPWM信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換，輸出頻率范圍為20100HZ,輸出線電壓有效值為36V,最大負(fù)載電流有效值為3A。采用互感器對(duì)電壓、電流進(jìn)行采樣以及反饋，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出線有效值的控制以及缺相和過(guò)流保護(hù)，并實(shí)時(shí)顯示電壓、電流、頻率、功率等。關(guān)鍵字：變頻電源三相正弦波逆變正弦脈寬調(diào)制一方案論證與比較三相逆變主拓?fù)浞桨阜桨敢唬翰捎萌齻€(gè)獨(dú)立的單相逆變器經(jīng)過(guò)一定的連接方式組成三相逆變，該系統(tǒng)可以三相運(yùn)

2、行，也可以單相獨(dú)立運(yùn)行，靈活性較高。方案二：如圖1所示，采用三相三橋臂逆變電路拓?fù)?，同一橋臂上、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)通、斷，輸出的電壓經(jīng)濾波后得到三相交流電。方案的選擇：采用方案一所用元器件比較多，適用于高壓大容量的逆變器。方案二所用元器件少，電路簡(jiǎn)單，滿足題目要求，故本設(shè)計(jì)采用方案二。SPWM（正弦脈寬調(diào)制）波產(chǎn)生方案根據(jù)題目的要求將交流電經(jīng)整流后，經(jīng)過(guò)逆變從而產(chǎn)生三相正弦波電源。而實(shí)現(xiàn)三相正弦波變頻電源的關(guān)鍵在于逆變過(guò)程。對(duì)于小功率逆變電路一般都采用PWM技術(shù)，為了實(shí)現(xiàn)正弦波變頻電源，本設(shè)計(jì)采用了SPWM技術(shù)。實(shí)現(xiàn)SPWM有以下幾種方案。方案一：采用對(duì)稱規(guī)則采樣法。規(guī)則采樣法一般采用三角波作為

3、載波。其原理就是用三角波對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)SPWM法。方案二：采用自然采樣法。以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進(jìn)行比較，在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，這就是自然采樣法。其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形最接近正弦波。方案的選擇：方案二由于計(jì)算繁瑣，不適用于數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于現(xiàn)在的控制器來(lái)說(shuō)，軟件可以生成一個(gè)較大的正弦表，使得計(jì)算變得簡(jiǎn)單，減輕單片機(jī)的工作量，故本設(shè)計(jì)采用方案一。測(cè)量有效值電路方案方案一：信號(hào)經(jīng)互感器及調(diào)理電路處理后直接連接到A/D器件，單片機(jī)控制A/D器件首先進(jìn)行等間隔采樣，并將采集到的數(shù)據(jù)存到RAM中

4、，然后處理采集到的數(shù)據(jù)，可在程序中判斷信號(hào)的周期，根據(jù)連續(xù)信號(hào)的離散化公式，做乘除法運(yùn)算，得到信號(hào)的有效值。方案二：信號(hào)經(jīng)互感器之后先經(jīng)過(guò)真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637,AD637輸出信號(hào)的有效值模擬電平，然后通過(guò)A/D采集送到單片機(jī)，直接計(jì)算輸出電壓、電流有效值。方案三：信號(hào)經(jīng)互感器之后利用峰值檢測(cè)電路保持為峰值送入單片機(jī)，再用正弦波幅值和有效值的關(guān)系通過(guò)軟件計(jì)算出有效值。方案的選擇：方案一計(jì)算復(fù)雜，占用大量單片機(jī)資源，給單片機(jī)造成很大的負(fù)擔(dān)，且精度不高。方案二需要用到真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637,價(jià)格昂貴，成本太高。方案三電路較為復(fù)雜，但成本低，精度可以做到很高，故采用方案三。二.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方

5、案和實(shí)現(xiàn)框圖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案將市電通過(guò)隔離變壓器輸入到交流變頻電源系統(tǒng)。隔離變壓器的輸出經(jīng)過(guò)由整流橋后，產(chǎn)生全波整流信號(hào)，全波整流信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波生成直流電，實(shí)現(xiàn)AC-DC的轉(zhuǎn)換。三相逆變器在單片機(jī)產(chǎn)生的三相SPWM脈沖的控制下產(chǎn)生三相交流電。逆變器的輸出交流電的頻率等于SPWM脈沖的基波頻率，通過(guò)控制DDS模塊的可控分頻比N,實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制正弦波頻率的控制。逆變器輸出的三相交流電經(jīng)過(guò)緩沖吸收和LC濾波電路，生成三相正弦交流電。利用互感器對(duì)輸出的相電壓、相電流進(jìn)行采樣，并利用過(guò)零檢測(cè)電路結(jié)合單片機(jī)的捕獲端口實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。系統(tǒng)根據(jù)采樣值計(jì)算各相交流電的電壓有效值、電流有效值，交流電的功率，并進(jìn)行控制和

6、顯示。系統(tǒng)根據(jù)得到的各相交流電的有效值，采用PI算法，通過(guò)改變調(diào)制比控制SPWM脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)輸出線電壓的穩(wěn)定。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖圖1系統(tǒng)框架圖三.理論分析與計(jì)算SPWM逆變電源的諧波分析在調(diào)制度a一定，并且三相共用一個(gè)載波信號(hào)的情況下，對(duì)輸出線電壓進(jìn)行頻譜分析，可以發(fā)現(xiàn)輸出線電壓的諧波角頻率為：nckr式中，n為奇數(shù)時(shí)，k32m11,m=l,2；n為偶數(shù)時(shí)，k6m11；k6m1;m=0,1,2；k6m1;m=l,2。由式(3-1)可知輸出線電壓的頻譜沒(méi)有載波頻率c的整數(shù)倍次諧波分量諧波中幅值較高的諧波分量是c2和2cr。cIcI從上述分析可知：SPWM波形中所含的諧波主要是角頻率為c、2c及其

7、附近的諧波。由于本設(shè)計(jì)采用的是異步調(diào)制方式，c?r,所以PWM波形中所含的主要諧波分量的頻率比基波分量的頻率高很多，諧波分量很容易被濾出。三相交流電電壓、電流有效值和功率的計(jì)算對(duì)于負(fù)載端采用丫形連接組成的三相電路，每相交變電壓信號(hào)輸入端相對(duì)于丫形連接公共點(diǎn)的電壓稱為相電壓Up,該輸電線稱為火線，采樣三相四線制的交變電路有三條火線，各相電壓信號(hào)間的相位差為120,火線之間的電壓稱為線電壓ulo假設(shè)輸電線上輸送的交變電壓信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，則ul.3UppUl,Up分別表示相電壓和線電壓的有效值。因此當(dāng)線電壓的有效值ul36V,各相相電壓的有效值Up20.78V,每相中的電流稱為相電流ip,火線

8、中的電流成為線電流il,在Y形連接中相電流等于線電流ip=il。每相負(fù)載的功率為Pp=UpIpcosz其中Ip,z分別表示相電流的有效值、每相中電流和電壓的相位差，由于Y形負(fù)載要求負(fù)載嚴(yán)格對(duì)稱，因此每相中電流和電壓的相位差都是相等的。所以三相的總功率為P3Pp3UpIpC0Sz當(dāng)丫形負(fù)載為純阻性負(fù)載時(shí)，每相中電流和電壓都是同相的，即z0,所以當(dāng)丫為形純阻性負(fù)載時(shí)，三相的總功率為P3UpIp由于ad采樣得到的是正弦信號(hào)的幅值u、I,由upu/J2,ipI/J2即可得到有效值。四軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)主程序流程單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波形主程序程序流程圖如下圖所示（圖3-1）圖2程序流程圖SPWM波產(chǎn)生算法SP

9、WM波的產(chǎn)生，首先存入單片機(jī)的1000點(diǎn)正弦表，讀取正弦表每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔既可決定輸出正弦波的頻率，而正弦表兩個(gè)點(diǎn)之間時(shí)間間隔由定時(shí)器T12決定。對(duì)于不同頻率計(jì)算出正弦表中每?jī)牲c(diǎn)對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值n,作為T12的周期值，同時(shí)將周期數(shù)進(jìn)行累加，在T12周期中斷時(shí)，將累加值取出作為遞增角度偏移，并將查表所得正弦值作為比較值賦給比較寄存器。通過(guò)外部按鍵可改變n,即可改變輸出正弦波頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變頻的功能。測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)軟件主程序分為鍵盤掃描,SPWM產(chǎn)生，數(shù)據(jù)計(jì)算，測(cè)量顯示幾個(gè)部分。五測(cè)試儀器與測(cè)試方法5.1測(cè)量?jī)x器2.Tektronix TDS1002 示波器;4.滑線式變阻器3個(gè)；1.

10、交流調(diào)壓器：0250V交流可調(diào);.FLUKE字萬(wàn)用表；.失真度測(cè)試儀。5.2測(cè)試方法及數(shù)據(jù)1)變頻電源輸出頻率范圍各相電壓有效值之差的測(cè)試(1)測(cè)試方法將調(diào)壓器的輸出調(diào)到200V,將負(fù)載三相電阻的阻值都調(diào)整到30QO改變系統(tǒng)的輸出頻率，將示波器和交流電壓表分別接到變頻電源某一相的輸出端，調(diào)節(jié)示波器，觀察波形是否對(duì)稱，記錄各相的輸出的頻率值，同時(shí)調(diào)節(jié)交流電壓表，記錄各相相電壓有效值。測(cè)量的頻率點(diǎn)在20HZ-100Hz之間時(shí)，10HZ一個(gè)測(cè)量步進(jìn)。(2)測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析表格1各相相電壓頻率/Hz2030405060708090100A相電壓/V20.7920.8120.8020.8720.692

11、0.8020.8020.8220.81B相電壓/V20.7020.7420.6320.8020.8420.6720.8620.6420.67C相電壓/V20.6420.6920.7220.8120.7120.7020.6720.8420.74最大相電壓差/V0.150.120.170.070.150.130.190.200.14數(shù)據(jù)表明本變頻電源系統(tǒng)的輸出頻率范圍為20Hz-100Hz，在該頻段范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)變頻電源輸出頻率的精確設(shè)定最大偏差1%。各相電壓的最大偏差為0.2V。2)輸出線電壓有效值誤差測(cè)量(1)測(cè)試方法I.變頻電源的輸出頻率保持在50HZ,改變調(diào)壓器使輸入電壓在198V242V

12、之間變化，在負(fù)載端用交流電壓表并聯(lián)在任意兩個(gè)負(fù)載的輸入端，測(cè)量這兩相的線電壓有效值。II.變頻電源的輸出頻率保持在50HZ,保持調(diào)壓器使輸入電壓在220V,改變負(fù)載的電阻值，用交流電流表測(cè)量負(fù)載電流值，使負(fù)載電流從0.5A開(kāi)始每隔0.5A一個(gè)電流步進(jìn)，直到負(fù)載電流達(dá)到3A。每調(diào)節(jié)一次負(fù)載電流值，在負(fù)載端用交流電壓表并聯(lián)在任意兩個(gè)負(fù)載臂的輸入端，測(cè)量這兩相的線電壓有效值。表格2AB相間線電壓輸出電流/Hz0.51.01.52.02.53.0AB相間線電壓/V36.0136.0235.9935.97/輸入電壓/V198208218228238248AB相間線電壓/V36.0235.9836.013

13、6.0035.9736.01(2)測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果分析可知輸出負(fù)載電流1.5A恒定，和頻率50HZ恒定，輸入電壓在198V-242V之間變化時(shí),輸出線電壓的有效值保持在36V最大偏差為0.083%?？芍斎腚妷罕３?20V恒定，輸出電壓的頻率50HZ不變，輸出負(fù)載電流在0.5A-2A變化時(shí)，輸出線電壓白有效值保持在36V,最大偏差為0.083%。3)變頻電源輸出電壓、電流、頻率和功率的測(cè)量(1)測(cè)量方法改變自耦調(diào)壓器的輸入電壓值，改變變頻電源的輸出頻率。在各相的負(fù)載輸入端分別用交流電壓表，交流電流表測(cè)量該相的電壓、電流有效值，用示波器測(cè)量相電壓的輸出頻率，與系統(tǒng)測(cè)量的電壓有效值、電流有效值、頻率值對(duì)比。功率的測(cè)量是建立在電壓有效值、電流有效值測(cè)量的基礎(chǔ)上，每相的功率等于該相電流與電壓的有效值之積，變頻電源的總功率等于三相各相的功率之和。表格3輸出電壓、電流、頻率和功率測(cè)量電壓/V電流/A頻率/Hz功率/W顯示值35.991.5150.0194.13實(shí)際值35.871.4649.9990.71誤差絕對(duì)值/%0.3353.420.043.77(2)測(cè)量數(shù)據(jù)及結(jié)果分析分析可知，變頻電源系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)量該變頻電源的輸出電壓、電流、頻率和功率，并且顯示值和測(cè)量值之間的誤差絕對(duì)值小于5%。4