1、三相正弦波變頻模擬裝置電子信息工程系 電子信息工程2班姓名：廖建波 學號：240799202 指導教師：楊盛國教授摘要：本設計模擬裝置是由正弦波與三角波通過比較器產生的SVPWM波通過6個IR2110驅動和12個MOS開關管逆變構成的三相電路，并由單片機控制頻率，頻率40Hz60Hz可調；并利用單片機模數轉換采集的電壓值匯饋給FPGA，再通過FPGA進行數據處理，并加以對SVPWM波的控制，來實現對輸出電壓的實時控制，切爾，進一步對輸出功率的跟蹤。關鍵字：三相 正弦變頻 SVPWM FPGA 逆變一、緒論1.1前言 隨著電力電子技術的快速發展，將使電源技術更加成熟、經濟、實用，實現高效率。變頻

2、電源隨即出現，并被廣泛運用于各個領域，是變頻調速的核心所在。主要還是用于交流電機的變頻調速，其再電氣傳動系統中占據的地位也日趨重要，已獲得巨大的節能效果。該題目是設計一個新型工業用的三相正弦變頻發電裝置。1.2題目背景及研究意義電力電子技術就是施用電力半導體器件及電子技術對電能進行變換和控制的技術。它以實現“高效率用電和高品質用電”為目標,是一門綜合了電力半導體器件、電力變換技術、現代電子技術、AUTO控制技術等許多學科的交織學科。隨著科學技術的成長,電力電子技術又與現代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相關。目前,它已逐步成長成為一門包羅更多學科的綜合性技術學科,并在為現

3、代通訊、電子攝譜儀、計算機工業AUTO化、電網優化、電力工程、國防及某些高新技術供給高質量、高效率、高可靠性的電能方面起著關鍵的效用。電力電子技術的成長主要是兩個方面:一是電力電子半導體器件的成長,因為電力電子器件是電力電子技術的基礎和源頭,電力電子器件的機能的提高,增進了電力電子技術的應用,提高了電力電子裝置的功率,減小了體積。另一方面是電力電子技術在不同應用領域詳細控制技術的成長。尤其是功率變換技術的成長與應用。功率變換技術是電力電子技術中最重要、最基本的共性技術。為了滿足高效、高能量密度、高精度、快速相應、寬調節范圍、低諧波掉真和低成本的要求,功率變換技術從不控、半控強迫換流技術成長到普

4、遍采用PWM控制和采用自關斷器件的換流技術。1.3國內外研究現狀及發展方向 由于我國市電頻率固定為50Hz，因而對于一些要求頻率大于或小于50Hz的應用場合，則必須設計一個能改變頻率的變頻電源系統。目前最常用的就是三相正弦變頻發電裝置。70年代出現了通用變頻器的系列場頻，可將工頻電源轉變為頻率連續可調的變頻電源，這就為交流電機的變頻調速創造了有利的條件。這些變頻器在頻率設定后都有軟啟動功能，頻率會以一定的速率從零上升設定的頻率，而且此上升速率可以在很大的范圍任意調整，這對同步電動機而言就是解決了啟動問題。八十年代初期，日本東芝公司最先將交流變頻調速技術用于空調器中。至1997年，其占有率已達到

5、日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調，96年引進生產線生產變頻空調器，逐漸形成變頻空調開發生產熱點。1.4本文研究的主要內容設計并制作一個三相正弦波變頻發電模擬裝置，其示意圖如圖1所示。用直流穩壓電源供電，US=1260V中的任意一區間電壓，輸出相壓220V，輸出頻率為50Hz；T為三相工頻隔離變壓器，變比自定，將uF作為輸出電流的反饋信號；負載電阻RLA=RLB=RLC=11004400。（11W44W×3）圖1 三相正弦波變頻發電模擬裝置示意圖 (1)輸出頻率范圍為50Hz的三相對稱交流電，相位差1200誤差小于±3

6、0，各相電壓有效值之差小于5V；(2)輸出電壓波形應盡量接近正弦波，用示波器觀察無明顯失真；(3)當輸入電壓變化值為10%時，或負載電流有效值為0.050.2A三相對稱交流電時，輸出相電壓有效值應保持在220V±5%以內；(4)具有過流保護（輸出電流有效值達0.3A時動作）、負載缺相保護及負載不對稱保護（三相電流中任意兩相電流之差大于0.05A時動作）功能，保護時自動切斷輸入電源；(5)具有輸入欠壓保護功能，動作電壓20%；(6)本變換器的效率50%。二、方案設計和系統整體框架系統包括光伏電池、DC-AC變換電路、控制、反饋、測量和顯示六個部分。IR2110驅動開關管的逆變電路是核心

7、部分，控制部分利用閉環反饋法實現輸出電壓的穩定，采用反饋電壓經過乘法器來調節SPWM波的占空比實現電壓的峰值控制，采用頻率跟蹤法和沿觸發同步跟蹤法實現頻率和相位的跟蹤功能。當系統檢測到輸入欠壓或輸出過流動作時，通過控制繼電器切斷光伏電池輸出，當故障解除后，系統利用試觸法實現自動恢復正常工作狀態的功能。體統基本框圖如圖1所示。 圖1 系統基本原理框圖二、系統方案論證（1）SPWM控制波實現方案方案一:模擬調制法。用硬件電路產生正弦波和三角波，其中正弦波作為調制信號，三角波作為載波，兩路信號經模擬比較器比較后輸出SPWM波形。如圖2：圖2方案二：數字采樣法，以正弦波為調制波，等腰三角波為載波進行比

8、較，在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷，利用VHDL語言在Quartus II軟件平臺上生成正弦波和三角波，再通過數字比較器產生所需要的波形。如圖3：圖3方案一電路簡單，響應速度快，但參數漂移大，集成度低，波形易受外界噪聲干擾，設計不靈活，且需要很復雜的硬件來控制逆變器功率器件的死區。方案二可靠性高，可重復編程，響應快，精度高，控制簡單，故選用方案二。（2）DC-AC主回路與器件選擇方案一：采用半橋逆變電路，原理圖如圖1。其電路簡單，使用器件少，開關較少。但是有直通問題，可靠性低。方案二：采用全橋逆變電路。原理圖如圖2。整個電路容易達到大功率，且損耗低、效率高、工作頻率高、驅動容易、可

9、靠性大大提高，我們選用方案二。圖4 半橋逆變電路圖圖5全橋逆變電路圖（3）MOSFET驅動電路方案方案一：采用MOSFET柵極驅動控制專用集成電路芯片IR2110。該芯片為8引腳封裝，可驅動同橋臂的兩個MOSFET，內部自舉工作，允許在600V電壓下直接工作，柵極驅動電壓范圍寬（1020V）,施密特邏輯輸入，輸入電平與TTL及COMS電平兼容，死區時間內置，輸入、輸出同相，低邊輸出死區時間調整后與輸入反相，最高可達40KHZ。方案二：利用分立元件驅動MOSFET。直接用MOS管驅動功率MOSFET，他們可以共用一組電源，柵極電壓小于10V時，功率MOSFET將處于電阻區，不需要外接電阻，電路非

10、常簡單。比較上述兩種方案，方案一采用了MOSFET專用的集成電路，可以說性能極其優越，但由于經驗不足，我們沒能把預先設計的IR2110驅動電路調試成功。考慮方案二電路簡單，易于實現控制，我們最終采用了方案二。三、電路與程序設計1、硬件主要部分（3）系統DC-AC逆變橋設計由此系統知MOSFET管漏源兩端的最大電壓為60V，直流母線上的最大電流為3A。故我們選用N溝道功率MOSFET管IRF530，它具有開關速度快、導通電阻小、柵極電容小和無二次擊穿等顯著特點。其耐壓100V，漏極最大電流28A，導通電阻為0.077，柵極電容為1700PF，充分滿足題目要求。另外選用IR2110作為半橋驅動芯片

11、，它具有自舉浮動電源，最大驅動電流2A，驅動電壓10-20V,能驅動的最大直流母線電壓為500V,最大工作頻率500KHz，具有電源欠壓保護關斷邏輯和低壓延時封鎖功能。VD1、VD2采用肖特基二極管，加快充放電速度，并采用RC緩沖吸收回路對MOSFET管進行保護，逆變器主回路A相電路圖如圖3所示。B相、C相與A相電路基本上一致。如下圖6： 圖63、保護電路采用單片機實時監控輸入電壓和輸出電流的值，在輸入電壓降低到Ud=（25±0.5）V或輸出電流上升到IO=0.3A時啟動控制程序切斷繼電器使光伏電池輸出開路，從而實現輸入欠壓保護和輸出過流保護功能，采用試觸法實現欠壓、過流故障排除后，

12、裝置自動恢復正常狀態的功能。其電路如圖7所示： 圖7（二）、軟件主要部分1、SVPWM的產生利用FPGA圖形法，并在Sin_rom和Saw_row中存儲正弦波和三角波的采樣點，并通過計數器為它們提供時鐘信號，最后在末端通過一個比較器進行幅值比較，當正弦波的幅值大于三角波的幅值時，比較器就會產生一個高電平，否則，相反。在輸出端口對比較后的數據進行處理輸入驅動橋，控制開關管開關。框圖和原理圖如圖8所示:圖82、單片機控制 利用帶有A/D的單片機STC125A16S2進行電壓、電流數據轉換處理，并在LCD1602上顯示三相的電壓值、電流值；利用單片機產生可控40Hz60Hz的時鐘信號并發送到FPGA

13、，同時將采樣回來的電壓值經過串口通信發送到FPGA，由FPGA控制處理數據，來調控SVPWM寬度，調整電壓的峰值，程序框圖如下；部分主程序如附錄。五、總結針對靜止補償器主電路,需要產生出三個相位彼此互差120 的SPWM脈沖信號。而通過一個正弦函數表來發出三相正弦信號,不僅需要考慮三個正弦信號的起始相位,而且需要三個計數器分別來控制查找正弦函數表。Abstract:This design simulation device is a sine wave through the comparison with the triangle of SVPWM wave IR2110 driven by

14、 6 and 12 MOS switch tube convertor constitute the three-phase circuit, and the frequency of single-chip microcomputer control, frequency adjustable 40Hz - 60Hz, Frequency-field microcontroller and collected voltage to collect feedback on FPGA, again through FPGA and data processing of SVPWM wave, t

15、he control of the output voltage of the real-time control, cher, further to power output tracking.Key words：Three-phaseSine frequencySVPWM FPGA Inverter附錄：1、 SVPWM波原理圖2、 部分主程序：LCD顯示程序：uchar ua,ub,uc,ia,ib,ic;void dis_main()/顯示主界面LCD_INIT();keyscan();position(4,0);wrstring("Welcome!"); posi

16、tion(0,1); wrstring("Made BY FJDXYGXY");void dis_f()/顯示、調節頻率LCD_INIT();position(5,0);wrstring("f= Hz");position(0,1);wrstring("intr:add-3,dec-4");while(!(key=16)keyscan();if(key=3) delay(500);keyscan();if(key=3)f+;if(f>60) f=60;key=2;if(key=4)delay(500);keyscan();if(

17、key=4)f-;if(f<40) f=40;key=2;position(5,0);wrchar(f/10+0x30);delay(50);position(6,0);wrchar(f%10+0x30);delay(50);void dis_a()/顯示a電壓、電流LCD_INIT();position(0,0);wrstring("ua=220.0V w=0");position(0,1);wrstring("ia= . A");while(!(key=16)keyscan();ia=get_AD_result(0);ia=(ia*0.1176

18、);position(3,1);wrchar(ia/100+0x30);position(5,1);wrchar(ia%100/10+0x30);position(6,1);wrchar(ia%10+0x30);void dis_b()/顯示b電壓、電流LCD_INIT();position(0,0);wrstring("ub=220.0V w=120");position(0,1);wrstring("ib= . A");while(!(key=16)keyscan();ib=get_AD_result(1);position(3,1);wrchar(

19、ib/100+0x30);position(5,1);wrchar(ib%100/10+0x30);position(6,1);wrchar(ib%10+0x30);void dis_c()/顯示c電壓、電流LCD_INIT();position(0,0);wrstring("uc=220.0V w=240");position(0,1);wrstring("ic= . A");while(!(key=16)keyscan();ic=get_AD_result(2);position(3,1);wrchar(ic/100+0x30);position(5

20、,1);wrchar(ic%100/10+0x30);position(6,1);wrchar(ic%10+0x30);LCD1602頭文件：#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define IO P0sbit RS = P34;sbit RW = P35;sbit EN = P36;void delay(unsigned int time)/延時unsigned int tmp1, tmp2;tmp1 = time;while(tmp1-)tmp2 = 100;while(tmp2-);void LCD_READ_SIGN

21、()/讀狀態unsigned char temp;RS = 0;RW = 1;EN = 0;delay(1);EN = 1;delay(2);temp = IO;while(temp >= 0x80);void LCD_WRITE_COM(uchar LCD_COM) /寫命令RS = 0;RW = 0;EN = 0;IO = LCD_COM;delay(1);EN = 1;delay(3);EN = 0;void LCD_WRITE_DATA(uchar LCD_DATA)/寫數據RS = 1;RW = 0;EN = 0;IO= LCD_DATA;delay(1);EN = 1;del

22、ay(3);EN = 0;void LCD_INIT() /初始化delay(15);LCD_WRITE_COM(0x38);delay(5);LCD_WRITE_COM(0x38);delay(5);LCD_WRITE_COM(0x38);LCD_WRITE_COM(0X38);LCD_READ_SIGN();LCD_WRITE_COM(0X08);LCD_READ_SIGN();LCD_WRITE_COM(0X01);LCD_READ_SIGN();LCD_WRITE_COM(0X06);LCD_READ_SIGN();LCD_WRITE_COM(0X0C);LCD_READ_SIGN()

23、;LCD_WRITE_COM(0X80);LCD_READ_SIGN();void position(uchar x,uchar y) /y=行；0=第一行；1=第二行 uchar position; if(y&0x01) position=0xc0+(x&0x0f); else position=0x80+(x&0x0f); LCD_WRITE_COM(position);void wrchar(uchar dat) LCD_WRITE_DATA(dat);void wrstring(uchar *str) register i=0; while(stri!=0) L

24、CD_WRITE_DATA(stri); i+; 3、鍵盤部分：#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define IO P0sbit RS = P34;sbit RW = P35;sbit EN = P36;void delay(unsigned int time)/延時unsigned int tmp1, tmp2;tmp1 = time;while(tmp1-)tmp2 = 100;while(tmp2-);void LCD_READ_SIGN()/讀狀態unsigned char temp;RS = 0;RW = 1;

25、EN = 0;delay(1);EN = 1;delay(2);temp = IO;while(temp >= 0x80);void LCD_WRITE_COM(uchar LCD_COM) /寫命令RS = 0;RW = 0;EN = 0;IO = LCD_COM;delay(1);EN = 1;delay(3);EN = 0;void LCD_WRITE_DATA(uchar LCD_DATA)/寫數據RS = 1;RW = 0;EN = 0;IO= LCD_DATA;delay(1);EN = 1;delay(3);EN = 0;void LCD_INIT() /初始化delay(15);LCD_WRITE_COM(0x38);delay(5);LCD_WRITE_COM(0x38);delay(5);LCD_WRITE_COM(0x38);LCD_WRITE_COM(0X38);LCD_READ_SIGN();LCD_WRITE_COM(0X08);LCD_READ_SIGN();LCD_WRITE_