三相正弦波变频电源的设计(精)

重庆文理学院成人高等教育毕业论文论文题目：三相正弦波变频电源的设计论文作者：余廷江指导教师：柯能伟专业班级：07电本学号：3114450078提交论文日期：2009年09月15日论文答辩日期：2009年10月26日中国重庆2009年9月目录摘要IIIAbstractIV1引言11.1选题的提出1．2变频技术的介绍………………………………………………………………………..11.3研究意义1.4设计的对象2系统总体设计方案23系统主要功能的实现23.1系统主要功能的实现3.2PWM信号的产生方式3.3SPWM调制方式的选择3.4FPGA控制模块4理论分析与参数计算64.1SPWM逆变电源的谐波分析4.2载波频率的选择4.3FPGA内单相平均功率计算算法65.应用程序设计部分85.1VHDL硬件描述语言简介85.2正弦波顶层设计程序86结论106.1取得的成绩106.2存在的不足和今后的努力方向10参考文献1致谢2三相正弦波变频电源的设计电子信息科学与技术07电本余廷江指导教师柯能伟摘要：本设计了一个交流—直流—交流变频电源系统。该系统利用集成逆变器件IM14400,并以FPGA为控制核心,采用SPWM变频控制技术,实现了三相正弦波变频输出。其输出线电压有效值为36V,最大输出电流有效值达3A。此外，系统还具有频率测量、电流和电压有效值测量及平均功率测量等功能。变频技术在电源中的应用，极大地减小了电源装置的体积，提高了效率，产生了巨大的经济效益，所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT将5OHz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交―交变频，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中;间接变频(又称交—直—交变频，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅、等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波(调制波与三角波(载波比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。逆变技术，是指整流技术的逆向变换方式。关键词：逆变器;变频电源;脉宽调制;IM14400;FPGADesignofthree-phasesinewavevariable-frequency07Powerofthe：YUTINGJIANGpowersupply：KENENGWEIMajor:ElectronicInformationScienceandTechnologySupervisor:Abstract：AnAC-DC-ACvariable-frequencypowersupplysystembasedonIM14400isdesignedinthispaper,whichusesFPGAascontrolcore.Thefrequencyconvertingcontrollingtechnologyofsinusoidalpulsewidthmodulation(SPWMisappliedtogettheoutputofthree-phasevariable-frequencysinewave.TheRMSvoltageis36VandthemaximumRMScurrentisupto3A.Thesystemalsoincludesthefollowingfunctions,suchasfrequencymeaurementRMSvoltageandcurrentmeasurement,andmeanpowermeasurement.Frequencyofapplicationoftechnologyinthepowersupply,greatlyreducingthepowersupplyunitvolume,improveefficiency,resultinginhugeeconomicbenefits,theso-calledconversionistheuseofpowerelectronicdevices(suchaspowertransistorsGTR,insulatedgatebipolartransistorIGBT5OHzthecitywillbetransformedintoelectricityrequestedbyusersorotherACpowersupply.Itisdividedintodirect-conversion(alsoknownasAC-ACconverter,thatisconverteddirectlyintoelectricitythanitslowfrequencyofthealternatingcurrent,alargenumberusedinthehigh-powerACDriveCentral;indirectconversion(alsoknownasAC-Direct-ACInverter,whichisfirstrectifiedintoDCelectricity,andthentransformedintothefrequencyofcommunicationrequired.Itconsistsofresonantfrequencyandthesquare-waveinverter.Theformerismainlyusedformediumfrequencyheating,square-wavefrequencyisdividedintoequalamplitude,widthandtheSPWMinverter.Commonlyusedmethodsaresinewave(modulatedwaveandthetriangularwave(carriertocomparetheSPWMmethod,themagneticfieldTrackingSPWMlawandtheequal-areaSPWMmethod.Invertertechnologyistherectificationofthereversetransformationmethod.Keywords：Inverter；Variablefrequencypowersupply；PWM；IM14400；FPGA1引言1.1选题的提出由于我国市电频率固定为50Hz,因而对于一些要求频率大于或小于50Hz的应用场合,则必须设计一个能改变频率的变频电源系统。目前最常用的是三相正弦波变频电源。该电源系统主要由整流、逆变、控制回路3部分组成。其中,整流部分用以实现AC/DC的转换;逆变部分用以实现DC/AC的转换;而控制回路用以调节电源系统输出信号的频率和幅值。1.2变频技术的介绍变频技术是电力电子技术的主要组成部分，它主要用于需要交流电源的电压、频率可调(或恒压、恒频的用电设备，如交流电机、中频电源及各种专用电源的中间环节等。这一技术的产生和发展为交流调速开拓了广阔的天地。国外交流调速在电气传动行业已占绝对优势，虽然国内直流调速还在大量使用，但近年来凡新建的电气传动系统均采用交流调速，其发展势头是迅速的。变频技术在供电电源方面的应用主要是:（1将过去用发电机、变压器产生交流电的地方用变频电源取代;p（2）将计算机、电焊机、电子装置等用直流电源的地方改为以变频技术为核心的开关电源。在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的4个功率管都工作在较高频率(载波频率，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本文针对正弦波输出变压变频电源SPWM调制方式及数字化控制策略进行了研究，以TMS320F240数字信号处理器为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变频输出。变频技术在电源中的应用，极大地减小了电源装置的体积，提高了效率，产生了巨大的经济效益，所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT将5OHz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交―交变频，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中;间接变频(又称交—直—交变频，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅、等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波(调制波与三角波(载波比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。逆变技术，是指整流技术的逆向变换方式。其作用是通过电力电子器件(例如SCR,GTR,IGBT和功率MOSFET模块等的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换技术。它的主要用途是用于交流传动，静止变频和UPS电源等设备的研制与应用。逆变器的负载多半是感性负载。为了提高逆变效率，存储在负载电感中的无功能量应当能反馈回电源。逆变器的原理早在1931年就在文献中提到过。1948年，美国西屋(Westinghouse电气公司采用汞弧整流器制成了3000Hz的感应加热用逆变器。近年来，随着新型的电力电子元件的不断产生与发展，新的控制技术的出现，逆变技术也得到了飞速发展。1964年，由A.Schonung和H.Stemmler提出的把通信系统调制技术应用到逆变技术中的正弦波脉宽调制技术(Sinusoida-PWM，简称SPWM，由于当时开关器件的速度慢而未得到推广。直到1975年才由Bristol大学的S.R.Bowes等把SPWM技术正式应用到逆变技术中，使得逆变器的性能大大提高，并得到广泛的应用和发展，也使正弦波逆变技术达到了一个新高度。此后，各种不同的PWM技木相继出现，在实际应用中，很多部件内部都有自己的积分器，比如电机本身就是非常理想的低通滤波器，PWM信号的一个很重要的用途就是数字电机控制。在电机控制系统中，PWM信号控制功率开关器件的导通和关闭，功率器件为电机的绕组提供期望的电流和能量。相电流的频率和能量可以控制电机的转速和转矩，这样提供给电机的控制电流和电压都是调制信号，而且这个调制信号的频率比PWM载波频率要低。采用PWM控制方式可以为电机绕组提供良好的谐波电压和电流，避免因为环境变化产生的电磁扰动，并且能够显著提高系统的功率因数。未能够给电机提供具有足够驱动能力的正弦波控制信号，可以采用PWM输出信号经过第二种解释：纠纷解决方式转移说(diversionargument，即案件向ADR分流。有关数据表明，这种原因确实具有实质性。毫无疑问，ADR不仅可以分流审判案件，而且对于促进诉讼案件的和解也具有重要作用。此外，除了一般制度性例如注入三次谐波的PWM,空间向量调制(SVW、随机PWM、电流滞环PWM等，成为高速器件逆变器的主导控制方式。至此，正弦波逆变技术的发展已经基本完善。常用逆变主电路的基本形式有两种分类方法:按照相数分类，可以分为单相和三相;按照直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器，逆变电路的应用非常广泛，其中用途最广的为恒压恒频电源和变压变频电源。（1）恒压恒频电源这是一种在负载或交直流电源在一定范围内波动时，能保持输出为恒定电压和恒定频率的交流正弦波的稳压和稳频电源装置，简称CVCF电源。这类电源的典型代表是不间断电源（UPS。在计算机系统中使用UPS可以避免由于电源电压波动、频率漂移、瞬时干扰和电压突然中断等现象造成的损失。UPS的电压稳定性、频率稳定性、波形失真度和不间断性等都优于公共电网，所以它的应用十分广泛。（CVCF电源还包括航空机载电源和机车辅助电源等）（2）调压调频电源这是一种可获得所需要的电压、电流和频率的交流变压变频装置，简称VVVF变频电源。变频电源广泛用于交流电机的调速系统中。交流电机调速系统在许多领域内代替了传统的直流电机调速系统，这是电力电子技术领域的一个重大突破。随着电力电子技术的不断发展和新型电力半导体器件的产生，逆变电路的应用范围日益扩大。在电力拖动系