三項(xiàng)正弦電源設(shè)計(jì)

高佳歡 孟紫騰 洪?；? 牛建輝 朱學(xué)森 靜大鵬 楊興旺

摘要：當(dāng)前電力電子技術(shù)發(fā)展迅速，如何進(jìn)一步提高電網(wǎng)供電性能，變頻技術(shù)成為其中的關(guān)鍵。本文將設(shè)計(jì)三相正弦電源，用以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：逆變電路，三相正弦電源，SPWM波

當(dāng)前電力電子技術(shù)發(fā)展迅速，如何進(jìn)一步提高電網(wǎng)供電性能，變頻技術(shù)成為其中的關(guān)鍵。通過變頻技術(shù)，可以把直流電變成交流電。利用三極管等功率半導(dǎo)體器件及其他電子器件，將三相交流電變成用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的恒壓恒頻的電源，且具有輸出頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

因此該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如新能源汽車、飛機(jī)、艦船等。綜上所述，研究這種電源具有極其重要的意義。

本文將設(shè)計(jì)三相正弦電源，用以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，提供相關(guān)測(cè)試結(jié)果。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

三相弦波電源由直流輸入模塊、逆變電路模塊、lc濾波電路模塊、主控單元模塊、信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)電路模塊、人機(jī)交互模塊、隔離反饋電路電路及LCD顯示模塊等功能電路構(gòu)成。

首先，由STM32產(chǎn)生SPWM波，即正弦波脈寬調(diào)制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過光耦隔離電路，用以三相逆變驅(qū)動(dòng)電路的控制。經(jīng)過LC濾波器，將直流電變?yōu)樗璧娜嚯妷盒盘?hào)。其中，輸出正弦波的幅度和頻率可調(diào)。電壓、電流測(cè)量電路分別測(cè)量各相電壓和電流的三相純正弦波，數(shù)據(jù)經(jīng)過 STM32處理后，于液晶顯示器上顯示結(jié)果。通過人機(jī)交互模塊，如按鍵等，對(duì)輸出進(jìn)行控制。

控制系統(tǒng)由STM32單片機(jī)及按鍵電路、顯示電路、信號(hào)調(diào)理電路、復(fù)位電路、保護(hù)電路等外圍電路組成。

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 逆變電路

逆變電路能夠?qū)⒅绷麟娮優(yōu)榻涣麟姡饕呻娊怆娙?、功率開關(guān)等電子器件構(gòu)成。通過單片機(jī)輸出的SPWM波控制開關(guān)元件的導(dǎo)通與關(guān)斷，使之有規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)直流電變?yōu)榻涣麟姟?/p>

電流型三相橋式逆變電路，只適用于單個(gè)電機(jī)傳動(dòng)，以及加、減速運(yùn)行頻繁或者經(jīng)常反向場(chǎng)合，不予考慮。故采用電壓型三相橋式逆變電路，其特點(diǎn)為：其直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)，輸出電壓波形是矩形波，輸出的電流因負(fù)載不同而變化。同時(shí)，逆變電路各臂并聯(lián)反饋二極管，更好控制輸出信號(hào)。電壓型三相橋式逆變電路適用于同時(shí)向多個(gè)電機(jī)供電，故采用此方案。

2.2驅(qū)動(dòng)電路

由于利用CMOS器件驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度低，而采用光耦合器驅(qū)動(dòng)，因其自身的速度不高，限制使用頻率。

故利用MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)控制專用集成電路芯片IR2130實(shí)現(xiàn)對(duì)生成的SPWM波的驅(qū)動(dòng)放大。該系列驅(qū)動(dòng)芯片由3組半橋驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，三組電路相互獨(dú)立，可同時(shí)為其上下橋臂提供死區(qū)時(shí)間，擁有柵極驅(qū)動(dòng)器，高速高壓功率驅(qū)動(dòng)器。該芯片滿足主電路對(duì)功率開關(guān)器件的要求。

2.3顯示模塊

可采用3塊12864液晶，分別顯示頻率，電壓大小及電流大小等相關(guān)參數(shù)。該液晶是一種是圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128×64點(diǎn)陣液晶顯示器組成，成本相對(duì)較低，適用于各類儀器，小型設(shè)備顯示領(lǐng)域。

2.4 LC濾波器

在輸出端增加 LC濾波電路，用于改善由于高頻帶來的整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性變差的情況，避免對(duì)后級(jí)系統(tǒng)造成一些不良影響。

2.5濾波電路

電源EMI噪聲濾波器能夠無衰減地將交流電傳輸?shù)诫娫?，同時(shí)使隨之傳入的EMI噪聲衰減?？梢砸种齐娫吹仍O(shè)備產(chǎn)生的噪聲，阻止其對(duì)其他電子設(shè)備的干擾。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序設(shè)計(jì)

除了硬件電路設(shè)計(jì)外，軟件設(shè)計(jì)在完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也很重要。主程序主要包括輸出調(diào)壓程序、輸出調(diào)頻程序等。

3.2 SPWM 控制技術(shù)

本次設(shè)計(jì)采用 STM32F407單片機(jī)，將其最小系統(tǒng)作為主要控制模塊，生成SPWM波，控制三相逆變器的工作。

3.3 正弦波脈寬的生成

根據(jù)SPWM的產(chǎn)生原理，在半周期內(nèi)把 進(jìn)行 N等分，可以得到每個(gè)小段的面積，取任意小段，記為i，使得矩形波幅值同輸入的正弦波的幅值 相等，同時(shí)使任意小段的矩形波面積同與之對(duì)應(yīng)的正弦波面積相等，可得到矩形波脈沖寬度值：

脈沖寬度按照正弦波規(guī)律變化，由此把脈沖寬度的一系列值生成一個(gè)表，通過查閱此表，單片機(jī)輸出脈沖序列。通常，只需要保存半個(gè)周期正弦波的值，交替輸出，即可生成完整的SPWM 波，這種方法大大節(jié)約了單片機(jī)存儲(chǔ)空間，同時(shí)可以控制逆變器。

4 測(cè)試結(jié)果及討論

4.1測(cè)試方案

硬件測(cè)試?yán)檬静ㄆ?、?shù)字直流電源、電參數(shù)分析儀、數(shù)字萬用表對(duì)電路連通性及其他性能進(jìn)行測(cè)試。

軟件仿真通過Proteus軟件進(jìn)行測(cè)試，對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行仿真及設(shè)置。

4.2測(cè)試結(jié)果

1）當(dāng)接通電源后，能夠提供三相對(duì)稱的正弦波交流電，波形穩(wěn)定平滑，相位差約為120°。

2）當(dāng)負(fù)載線電流I0的有效值為2 A時(shí)，測(cè)量多次取平均值，得到線電壓頻率f0為50 Hz±0.3 Hz，U0的有效值為24 V±0.2V。

3）當(dāng)負(fù)載線電流的有效值I0為2 A，利用電參數(shù)分析儀，可以直接測(cè)得交流母線電壓的THD為1.2%。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了程控三相正弦電源，并完成相關(guān)測(cè)試，符合要求的結(jié)果。

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作者簡(jiǎn)介：高佳歡（1998-），女，籍貫：河北保定人，北華航天工業(yè)學(xué)院，20級(jí)在讀研究生，碩士學(xué)位，專業(yè)：電子信息。研究方向：嵌入式系統(tǒng)研究，F(xiàn)PGA技術(shù)研究.