由于传统能源的枯竭，各国对环境保护的重视以及现存电力系统的种种弊端，分布式发电将在未来的供电系统中发挥越来越重要的作用。近年来以燃料电池发电技术，微型燃气轮机发电技术，光伏电池发电技术和风力发电技术为代表的新型分布式发电技术发展迅速。但是分布式发电技术发出的电都不是与电网供电系统相同的交流电，无法与大电网联网或者直接供给普通负载使用，都需要变频装置将其变换成负载可以使用的交流电或者与大电网电压、频率相匹配的工频交流电。因此，针对特定的分布式发电技术研究与其相配套的变频电源就很有必要。
本文针对内燃机拖动永磁发电机的中小功率分布式发电系统，设计一套变频电源，将发电机发出的中频交流电变换为相电压220V,频率50Hz的工频交流电。在论述和分析了变频电源及其控制技术发展的概况和趋势的基础上，结合本课题任务的实际情况，设计了一套中小功率的逆变电源。系统中PWM控制信号采用专用集成芯片SA4828生成，减轻了控制器的工作量也提高了系统的可靠性。控制器选用集成了A/D转换器的单片机，使得系统的硬科复杂性降低，提高了可靠性。
Since the exhaustion of the traditional energy, the high opinion of the environment anda variety of defeats of the current power system, distributed generation would bring into play more and more significant action. Recent years, some new distributed generation technology,such as fuel cell, micro gas turbine, solar cell and wind power generation, developed rapidly.But electricity generated by them can not merge into the electrified。netting or supply the loads directly. It should be converted to the electricity with the phase to ground voltage is 220V,and the frequency is 50Hz to merge into the electrified wire netting or supply the neighboring lngdc.
This paper introduces a medium and small variable frequency power supply for a distributed generation, which including a permanent magnetism dynamo pulled by a diesel engine, to converts the medium frequency electricity generated by the dynamo into the electricity which the ground voltage is 220V, the frequency is 50Hz. Based on surveying the development of variable frequency power supply and analyzing its development tendency, and considering the practical features of the assignment, the conversion system is designed as follows: it selects the 3-phase Pulse Width Modulation Engine SA4828 as the PWM control signals generator; it chooses the single-chip-computer PIC16F877 as the microcontroller, which integrated the A/D modulation, which cuts down the complexity of the hardware system and strengthens the dependability of the system.
前言
集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式，正在为全世界900/0以上的电力负荷供电。但是，在配电网中，城市居民和商业用户、农村和半城镇区域的负荷具有很大的随机波动性。家用空调随气温变化的无规律启停，降水降雪和大风的无常发生，以及其他不确定因素所引起的负荷变化给配电网的规划、设计和运行带来了巨大的难题和挑战。特别是在我国中西部的偏远地区的农村和一些游牧民族地区，如果采用传统的集中式供电方式，新建配电网络，不仅技术上实现起来难度非常大，而且经济效益上也是不可取的。因此，欧美的电力专家提出了投资省、发电方式灵活、与环境兼容的分布式发电与大电网联合运行的方式，以提高了电力系统运行的灵活性、可靠性和安全性。目前，大电网与分布电感相结合被世界许多能A、电力专家公认为是能够节省投资降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式，是21世纪电力工业的发展方向。
分布式发电的概念目前还没有完全同一的说法。一般来说，分布式发电指的是通过规模不大(几十kW到几十MW)、分布在负荷附近的发电设施，为了满足一些特殊用户的需求，经济、高效、可靠的发电系统。分布式发电并不是一个全新的概念，早期的小火电、小热电也属于分布式发电，只是由于技术经济性能不好，逐渐被淘汰了。近年来，分布式发电技术的研究取得了突破性的进展，分布式发电有望在电能产中占有越来越大的比重，并对传统的电力系统供电方式产生重大的影响。
新兴的几种分布式发电技术主要有:燃料电池发电技术，微型燃气轮机发电技术，光伏电池发电技术和风力发电技术h-81。这些新兴的发电技术发出的电都不是与电网供电系统相同的交流电，无法与大电网联网或者直接供给普通负载使用，都需要变频装置将其变换成负载可以使用的交流电或者与大电网电压、频率相匹配的工频交流电。因此，针对特定的分布式发电技术研究与其相配套的变频电源就很有必要。
变压变频
第一章变频电源的结构方案论证
1.1变频电源结构设计
从结构上看，静止式变压变频装置有直接变压变频和间接变压变频两种结构方式。
1.1.1直接变压变频装置结构原理
直接变压变频装置的结构如图1.1所示。
~50Hz
图1.1直接 (交一交)变压变频装置
这种装置只有一个环节，就可以把恒频恒压(CVCF)的交流电源变换成VVVF 电源，因此，称之为“直接”变压变频装置或交-交变压变频装置。有时，为了表现其功能，又称周波变换器。
常用的交-交变压变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正、反向两组按一定周期互相切换，在负载上就获得交变的输出电压u 0。
u u 的幅值决定于各组整流装置的控制角。，u 。的频率决定于两组整流装置的切换频
率。如果控制角。一直不变，则输出平均电压是方波，要得到正弦波，就必须在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。
1.1.2间接变压变频装置
间接变压变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成可控频率的交流电，因此又称为有中间直流环节的变压变频装置，或交一直一交变压变频装置。交一直一交变频器基本上由整流器、滤波器和逆变器3大部分组成。如图1.2所示。
图1.2间接变压变绷装置 (交-直-交变频装置)
图1.3间接变压变频装置的不同结构形势 a)可控整流调压、六拍逆变调压
b)不控整流、斩波器调压、六拍逆变器调频 C)不控整流、PWM 逆变器调压调频
先用可控硅整流器将交流电压整成电压可调的直流电压V d 。中间经过大电容或大电感进行滤波，统称为直流环节。然后采用开关器件令它们轮流切换导通，则在负载上得到频率可调的交流电压V 0。V o 的幅值由整流器输出电压决定，V 0的频率由逆变器开关器件切换的频率决定，并且不受电源频率的限制。为了提高电网侧的功率因数。前级整流器也可采用不可控整流来获得，然后再经斩波器或有脉宽调制功能的逆变器来实现调压。如图1.3所示。如图1.3a 所示的这种装置中，调压和调频在两个环节上分别进行，两者要在控制电路上协调配合，其结构简单，控制方便。但是，由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得比较低时，电网端功率因数较低。而输出环节多用晶闸管组成的单相六拍逆变器，每周换相六次，输出谐波较大。这些都是这类装置得主要缺点。
如图1.3b 所示的装置中，整流环节采用二极管不控整流器，只整流不调压，在单独设置斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但调压时输入功率因数不变，克服了图a 装置的缺点。输出逆变环节未变，仍有较大的谐波。
如图1.3c 所示的装置中，用不控整流，则输入功率因数不变:用PWM 逆变，
A C
~50H Z
~50H Z
~50H Z
调压
调频
调压
调频
调压调频
a)
b)
c)
则输出谐波可以减少。这样，如图1.3a 所示的装置中的两个缺点都消除了。PWM 逆变器需要全控式电力电子器件，其输出谐波减少的程度取决PWM 的开关频率，而开关频率则受器件的开关时间的限制。采用P-MOSFBT 或IGBT 时，开关频率可达l0kHz 以上，输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称为正弦波脉宽调制
(Sinusoidal PWM-SPWM)逆变器，成为但前最有发展前途的一种装置形式。 1.1.3电压源型变频器和电流源型变频器
无论是交-直-交变频还是交-交变频，从变频电源的性质上看，又可以分为电压源型变频器和电流源型变频器两大类。对于交-直-交变频装置，两类变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。
交一奋交变频装置中，当中间的直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，而电流波形不规则，有许多毛刺。这类变频器称为电压源型变频器。电压型源变频器中的逆变开关器件都应反并联一个快速二极管，称为续流二极管，这是为滞后的负载电流提供反馈到电源的通路。一般的交一交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压源型变频器(如图1.4a 所示)。当中间的直流环节采用大电感滤波时，直流电流比较平直，从逆变器输入端来看。其馈电直流电源呈高阻抗，对负载来说基本上是个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫电流源型变频散如图1.4b 所示)。
图2.4 电压源型和电流源型交-直-交变频装置
a)电压源型 b)电流源型
由于电压源型和电流源型变频器中间直流环节的储能元件不同 ，使得两类变频器的性能有很大的差异。电流源型变频器给异步电动机供电时，容易实现回馈制动，便于四象限运行，适用于需要制动和经常正、反转的机械。电流型变频器的直流电压可以迅速改变，调速时动态响应也比较快，但是由于电感的作用，对负载的变化反映迟缓，而电压源型变频器适用于多台电机同步运行和稳频稳压的电源。
交-直-
交变频装置中，将直流电变换成交流电的电路部分一般叫做逆变器。根据
+
-+
-U d
a)
b)
逆变器部分采用的不同开关器件，可把变频器分为晶闸管变频器、GTR (晶体管)变频器、GTO 变频器、MOSFET 变频器、IGBT 变频器和IGCT 变频器，等等。
常用的交流变频技术以脉宽调制PWM (Pulse Width Modulation)方式为主，由于该方式固有的特性的影响，系统中不可避免的产生高次谐波电流、漏电流及空间电磁波等电磁千扰EMI (Electrical Magnetic Interference)。随着变频装置功率及电压等级的不断提高以及对 EMT 问题的日益重视，单一 PWM 调制方式的弊病也在此过程中不可避免地显现出来。在这种背景下、多电平 (Multi-level Converter)、矩阵变换器和软开关(Soft Switching)技术开始迅速发展。使用多电平组合的波形可以很好的降低高压时输出波形的dv/dt ,从而降低电磁千扰。
1.1.4多电平变换器
多电平变换器的思想最早于1981年由Nablac 等人提出的，它的基本思路是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。在传统的两电平变换器的大功率运用中存在许多问题:需要笨重、耗能、昂贵的变压器;为了得到高质量的输出波形而提高开关频率，造成很高的开关损耗;而为了适应高电压的要求，需采用器件串联，因而需要复杂的动态均压电路。多电平变换器作为一种新型的高压大容量功率变换器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服了两电平变流器的诸多缺点，无须输出变压器和动态均压电路，开关频率低.并有开关器件应力小系统效率高等优点。
多电平思想提出至今，出现了许多电路拓扑。主要有:二极管箱位型、飞跨电容 型。多单元串连型三种基本结构。
输出串连式
图1.5单元串连多电平逆变器其中一相的电路结构
PENG F. Z 等学者在1995年提出了一种用多个带独立电压源的单相桥式逆变
器组合而成的新型多电平级联变流器的主电路拓扑结构。
这种采用多电平结构的变流
器可以不用变压器，直接并入中压配电网中用作电压调节、无功补偿和有源滤波装置，图1.5为多电平级联逆变器的单相结构，每个电桥都有其独立的直流电压源，幅值都相同均为E，在一个周期内，由n个单相逆变桥连接成的逆变器发出2n+1个电平，这种结构的优点在于比较容易使逆变器工作在高压的环境下。
通过叠加低压逆变器的输出电压获得高压输出，主要包括H桥串连式多电平电路和三相逆变桥串联式多电平逆变电路。
这种方式主要优点是输入侧功率因数高;各个单元相对独立，容易采用方式冗余实现高可靠性;控制简单，易于扩展输出。主要缺点是存在工频隔离变压器，增加了造价、体积和重量。
级联式多电平变换器的结构特点如下。
优点:①电平数越多，输出电压谐波含量越少:②器件在基频下开通关断，损耗小，效率高;③无需钳位二极管和电容，易于封装、④基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟，易于模块化:⑤可采用软开关技术，以避免笨重、耗能的阻容吸收电路;⑥不存在电容电压平衡问题。
缺点:需多个独立电源和工频隔离变压器，增加了造价、体积和重量。
二极管箱位式
通过箱位的方式串连使用低压开关器例直接输出高压，主要包括二极管中点箱位式多电平电路、电容悬浮式多电平电路和统一模式多电平电路。
这种方式的主要优点在于不需要隔离变压器利用低压器件构成高压大容量装置;结构简单、控制灵活，尤其是二极管中点箱位式多电平电路是目前应用较多的一种多电平电路拓扑结构。主要缺点是当电平数增加是，箱位二极管的数量急剧增加，因此，这种电路拓扑结构应用主要以三电平、五电平为主。
二极管籍位型多电平逆变器应用较为广泛，但是在高压大功率的应甩场合，_二极管箱位型多电平逆变器的主电路拓扑和控制具有以下问题:直流母线侧各电容电压可能不平衡。籍位二极管数量过多，内部开关器件的间接籍位造成内部开关器件承受较大的电压应力。级联型多电平逆变器虽然可以克服二极管箱位型多电平逆变器的缺点，但是由于需要大量的独立直流电源，这限制了它在很多应用场合的应用。
飞跨电容式
飞跨电容型多电平逆变器利用飞跨电容代替了箱位二极管，克服了二极管籍位型多电平逆变器固有的缺陷，只需要一个直流电源，因此与二极管箱位型多电平逆变器和级联型多电平逆变器相比，具有重要的优点。
L
1.1.5矩阵变换器
图1.6矩阵变换器结构拓扑
矩阵变换器是一种强迫换相的交一交变频器，但与现在只适用于低速大容量传动的由三套可逆直流可控整流装置构成的交一交变频器的原理和电路结构完全不同。它是一组可控的功率半导体开关阵列，利用PWM控制将交流供电电源提供的交流电压直接变换成负载所需的变压变频电源
在3×3矩阵变换器中，输入端接三相工频电源，输出端接频率和电压可控的三相负载。在任何时刻，某相输入一定频率下的电压幅值总可以在输入的同相或不同相的工频输入中找到，或者用脉宽调制的方法调制出来，只要把其间的开关按照需要开通或断开即可，但绝对不能把不同相的输入端同时接到同一输出端上。也就是说，输入端不能短路，与此同时，由于输出端接感性负载，任一相输出都不能瞬时开路，这是对3×3矩阵变换器的9个双向开关接通与否的基本要求。
综合比较各种电路拓扑结构的优缺点，课题中试验用变频电源系统的主回路是二极管不控整流、直流环节用大电容滤波、逆变电路采用PWM调压调频的结构。
1.2系统结构设计
基于以上的分析比较，结合本课题的实际应用，设计的变频电源系统构成如图1.7所示。
(1)单片机。做为控制器的单片机是整个控制系统的大脑，它要完成对取样反馈回来的电压模拟信号转换成数字信号，决定PWM产生器SA4828输出PWM控制信号的任务，并通过显示电路显示出系统的最新运行状态。
(2)整流电路。将发电机发出的交流电转变成直流电，采用二极管三相不可控整流桥。
(3)滤波电路。二极管不可控三相整流电路输出的直流电含有输入交流电6倍频率的纹波，通过大电容将带有纹波的电压波形滤得比较平滑。
图1.7系统结构图
(4)逆变电路。将直流电逆变成负载需要的交流电。采用智能功率模块IPM的逆变器不仅驱动简单，而且内部包含了多种保护电路，使系统变得简单。当需要保护动作时，IPM将向控制器发出报警信号。
(5)专用PWM产生器SA4828和隔离电路。根据单片机提供的输出PWM控制波形的信息，产生供给IPM 的驱动信号。由于系统强电部分和弱点部分要实现电气土的隔离，所以中间需要加上光祸隔离。
(6)输出滤波电路。逆变器输出的是高频PWM脉冲，需要滤波后才能得到负载需要的正弦波形。设计时采用Lc滤波器。
(7)检测电路主要是检测输出的电压值并传回单片机。
1.3本章小结
这章主要对变频电源进行了方案论证。在论述和分析变频电源技术及其发展趋势的基础上，结合本课题的实际情况和设计要求，给出了变频电源的实现方案。
第二章主电路参数计算与器件选择
2.1主电路结构介绍
本文的设计任务是将交流电，经整流，滤波后，逆变成单相恒频恒压的电源给三。发电机功率为1.5KW ,输出相电压220V ,频率大约400Hz ，要求逆变器输出额定相电压为220V ，满负载电流为13A .
本文设计的主电路结构如图2.1所示。
图2.1主电路结构图
2.2功率元件的选取
2.2.1整流电路的设计
本文设计中，整流器采用二极管不控整流。发电机的发出的交流电压频率大概为400Hz ，相电压为 200V ，整流后电压大约为 470V ，因此，考虑到留有 一定的裕量，整流二极管需选用耐压600V 、可流过最大电流30A 的快速恢复二极管。
2.2.2熔断器的选取
当输入交流电压最低和满载输出时电流最大，考虑到效率因素，最大电流按下面的公式确定:
熔断器选择依据是，当系统发生过流且超过一段时间后，熔断丝断开，从而分断交流输入电压。
2.2.3滤波器的设计
理论上讲，直流环节的滤波电容越大，滤波后直流电压的波形越平，对逆变器的工作越有利。但是，太大的滤波电容不仅体积太大，而且成本过高。本文参照仿真结果，设计中采用的电容为耐压 1000V , 1000μF 的大电容三个并联构成滤波器，以
~
min
max
AC OUT
AC
U
P I η=
获得大容量稳定直流电压。此外，还要在靠近IPM侧并联一只10μF的高频电容以滤去直流环节七产生的尖峰电压，保护IPM的开关管，使其在关断是降低承受的。
由于前级整流器为二极管整流电路，在合闸刚接通电源时中间直流环节的大容量电容将流进很大的充电电流(浪涌电流)，有可能烧坏整流二极管，并影响处于同一电源系统的其他装置的工作，因此在电容前加一个定时继电器做为延时开关。
2.3 IPM简介
大功率IGBT模块的使用需要专门的驱动电路，同时还需要用户设计保护电路，给IGBT的应用带来不便。近年来，一些厂家逐渐推出将IGBT功率器件、驱动电路及保护电路合成一体的智能型开关器件IPM模块，它以IGBT为主开关器件，这就决定了它的开关速度较高，目前载波频率可以达到10~20KHz。它的智能化主要表现在容易实现控制、保护和接口功能等三个方面。采用它来构建主逆变电路，可以极大地简化电路结构，同时也提高了电路工作的可靠性与稳定性。基于以上原因，本文选择IPM作为逆变器。
2.3.1 PM25RSB120引脚功能及内部结构
B N W V U P
图2.2IPM内部单元结构图
因为本文所用的IPM是三菱公司的PM25RSB120，所以就以它为例，介绍IPM 的内部结构和功能。由图2.2可见，这是一种含有制动单元在内的完整的逆变器，它包括7个IGBT和它们各自的驱动保护电路，其中的6个可组成三相逆变桥，另一个再外加一电阻即可构成制动单元。它的封装外形见图2.3.
各个端子的功能表2.10
2.3.2 PM25RSB120内置保护
PM25RSBI20内部共有.四种保护:
(1)短路保护(SC) 内藏的电流传感器检测各桥臂电流，当短路电流超过SC 动作电平时，IPM就输出故障报警信号，并封锁输入信号，关断IGBT。同时为了减小此时的浪涌电压，它还先降低IGBT的门极电压，实现软关断。
(2)过流保护(Oc) 内藏的电流传感器检测各桥臂电流，当过电流时间大于门限值taa,oc，时，IPM就输出故障信号，封锁脉冲输入，动作过程同上。
(3)过热保护(OIT) IPM可监测基板的温度，当超过它能承受的温度限值时，就输出故障信号，封锁脉冲输入，对IGBT实行软关断。待温度下降到基板允许温度后，IPM就停止输出故障信号，重新接受输入控制信号。
(4)控制电源欠压保护（UV）监测控制电源电压，当欠电压时间超出td,,时，该保护动作，动作过程同上。
正是因为具有这些保护功能，即使在内部的IGBT元件承受过大的电压电流应力时，IPM模块也不会被损坏，这就保证了它工作的稳定性和可靠性。
2.3.3 IPM的使用
IPM的驱动相对IGBT来说要简单得多，只需要提供驱动电源和开关控制信号。需要注意的是IPM在控制脉冲为高电平时关断，低电平时导通。驱动电源的典型电压值为15V，每一内含IGBT的驱动功率约为0. 25W,故总驱动功率Q.W。考虑到IPM
的
高频开关工作能力，开关控制信号的传输隔离哇I各应具有尽可能短的传输延迟时间，尽量在0.5us以内，以提高驱动电路参数的一致性。针对以上特点及要求，本文设计的驱动电路如图2.3所示。
图2.3 IPM驱动隔离
图中光祸采用13F公司的6N137,该器件是一种快速光祸，高电平传输延迟时间和低电平传输延迟时间均小于75ns，但它工作于TTL电平，而IPM 的控制电源电压为15V,这就需要设计一个电平转换电路。图2.4中的5V稳压管和R3将l5V电源转换成5V电平，为光祸提供工作电源。三极管采用3Dk4，它将来自光祸的T TL电平转换成IPM需要的电平，作为IPM的门极W动信号。
图2.4为本文采用的Fo信号输出接u电路。其中所用的光祸仍为6N137, VD为驱动电路IPM侧的一个5V节点。
当IPM内置的保护动作时，Fo端子将输出低电平，同时关断IGBT。该Fo信号
也要经过光电隔离电路送入控制电路中的PWM信号产生器以封锁脉冲输出。
2.4本章小结
本章介绍了变频电源的主回路结构构成，整流电路、直流滤波环节和逆变单元的设计过程，以本文设计中逆变器所采用的PM26RSB120为例，介绍了智能功率模块的特点和使用方法，给出了部分电路原理图。
第三章控制电路参数选择与器件选择
从系统框图可以看出，本变频器中的控制电路主要由以下几个部分构成:控制电源、单片机、PWM脉冲信号产生部分、故障保护部分。
变频电源性能的好坏取决于输出的电压、电流波形是否近似于正弦波，这需要采用电子技术来调制波形或幅值。变频器的调制方式可以分为PAM控制方式、PWM 控制方式和高载频PWM控制方式。
PAM是Pulse Amplitude Modulation(脉冲振幅调制)的简称，是一种在整流电路对输出电压(电流)的幅值进行调制，而在逆变电路部分对输出频率进行控制的控制方式。由于PAM调制方式必须同时对整流电路和逆变电路进行控制，控制电路比较复杂，洗碗这种调制方式还具有当电机进行低速运转时波动较大的缺点，所以PAM 调制方式用的很少了。
高载频PWM控制方式的原理实际上是对PWM控制方式的改进，是为了降低电动机运转噪声而采用的一种控制方式。在这种控制方式中，载波频率被提高到人耳可以听到的音频、乃至能感知的超声波频率(12-16kHz)以上，从而达到降低噪音的目的。下面对PWM控制方式的原理和调制方法进行简单的介绍。
3.1 SPWM控制技术
PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种。由直流电源产生的PWM波通常都是等幅PWM 波。当各脉冲的幅值相等，而宽度是按照正弦规律变化的PWM披形称为SPWM波形。
3.1.1 PWM调制法基本原理
在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。这里说的效果基本相同，是
指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。此原理称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。
在实际应用中，很多电力电子负载都要求逆变电路的输出电压、电流、功率以及频率能够得到有效和灵活的控制，以满足它们的工作要求，而一般的电压型或电流型逆变电路输出的电压或电流为矩形波，谐波分量很大，造成功率因数降低，使电机损耗和转短脉动增加，特别是频率很低时，转矩脉动严重.甚至不能工作。采用脉宽调制逆变电路，可同时解决调压和改善波形的双重任务。这种电路通常称为PWM(Pulse WidthModulation)型逆变电路。PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲代替正弦波或需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
对于高频PWM调制来说，开关频率越高，谐波含量越小，但是，功率开关器件本身的开关能力是有限的，其开关频率受其固有的开关时间和开关损耗的限制，故不宜用在大功率逆变电源当中。而波形重构方式往往需要多个逆变器来实现电压叠加，波形重构的级数越多，出现的最低次数的谐波阶数也越高，但主电路和控制电路也越复杂。相应的控制难度越大，输出电压的调节也不方便，因此，这种方式通常适用于大功率的场合。
利用PWM调制来调节输出电压和降低谐波含量是目前最为普及的技术，在中小功
率的逆变电源中应用十分广泛。
变频电源采用的脉宽调制技术有两种:
一种是开关点预置控制方式，也叫消谐PWM。理论分析表明，早在1973年提出
的消谐控制策略具有谐波次数多、残余的谐波分量幅值小、电压利用率高等优点。
另一种是SPWM方案，SPWM方式的缺点是不易获得较高的基波幅值比、开关损耗比较大。优点是可以通过提高开关频率来减少低次谐波的含量，并可以通过调节脉冲
宽度来调节输出电压。本文中采用的是SPWM方案。
3.1.2 SPVPM调制方法
正弦波脉宽调制的控制思想，是利用逆变器的开关元件，由控制线路按一定的规
律等距而不等宽的脉冲序控制开关元件的通断，从而在逆变器的输出端获得一组等幅、等距。其脉宽基本上按正弦分布，以此脉冲列来等效正弦电压波。
将正弦波的正半周波形划分为N 等份，这样就可把正弦半波看成由N 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲的宽度相等，都等于π
N
，但幅值不等，且脉冲顶
部是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果将每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲代替，就得到一个脉冲序列。各脉冲幅值相等，而宽度是按照正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM 波形。像这种脉冲的宽度按照正弦的规律变化而和正弦波等效的的PWM 波形，称为SPWM (Sinusoid PWM)波形。
理论上讲，可以严格的计算出各段矩形脉冲的宽度，作为控制逆变电路开关元件通断的依据，但计算过程十分繁琐。较为实用的方法是调制的方法，即把希望得到的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到希望的PWM 波形。目前，由于集成电路技术的飞速发展，出现了很多产生PWM 控制信号的专用集成电路，如Mitel 公司生产的系列PWM 产生器就是其中的代表。本文在设计中选用的就是其中的一种三相PWM 产生器SA4828，后续章节中对这个芯片有详细的介绍。
3.1.3 SPWM 的约束条件
根据SPWM 的特点，逆变器主电路的功率开关器件的开关特性和频率以及SPWM 参数的选取对逆变器的性能有‘很大影响。所以实际应用 SPWM 技术时必然受到一定条件的制约1381主要为:功率开关器件开关频率的制约;微处理器采样与计算周期的制约:功率开关器件开关损耗和散热条件的制约;以及调制度(M)的制约。
SPWM 技术的基本原理是以正弦波作为调制波去调制三角载波，由它们的交点确定逆变器的开关模式，使逆变器输出宽度按正弦规律变化的电压脉冲阵列。为了保证逆变器功率开关器件安全工作，所调制的脉冲载波有最小脉宽和最小间隙限制，以保证脉冲宽度大于功率开关器件的导通时间tm 和关断时间toff.。这就要求正弦调制
波幅值不能超过三角载波的峰值，并用调制度描述这一关系:
式中:V sin -正弦调制波幅值; V carrler -三角载波的峰值。
carrler
V V M sin =
在理想的情况下，M 可在0~1之间变换，以调节输出电压的幅值。一般来说用微机处理器产生SPWM信号，可以是SPWM波形调制度大于1，即过调制，采拟电路和专用集成芯片的方法来产生PWM波形，调制度都在0~1之间，称为线制，调制度在此区间时，输出电压的基波分量正比于调制度。
脉宽调制的方法有很多，分类的方法也没有统一。较常见的分类方法有:
①根据调制脉冲的极性可以分为单极性和双极性调制两种;
②根据载波信号和基准信号频率之间的关系，可以分为同步调制和异步两种;
③根据基准信号的不同可以分为矩形波脉宽调制和正弦波脉宽调制。
矩形波脉宽调制法的特点是输出脉冲列是等宽的，只能控制一定次数的谐波波脉宽调制方法的特点是输出脉冲宽度是不等宽的，宽度按照正弦规律变化，故压的波形接近正弦波。
图3.1单极性P职调制原理
3.1.4单极性PWM控制与双极性PWM控制
如图3.1所示，在调制信号地半个周期内，三角载波只在正极性或者负极性
性范围内变化，像这种所得到的PWM波形也只在单个极性范围内变化的控制方
单极性PWM控制方法。
和单极性PWM控制方式相对应的是双极性控制方式。如图3.2所示为单相桥式逆变电路在采用双极性控制方式时的波形图。采用双极性方式时，在调制信号的半个周期内，三角载波不再是单极性的，而是有正有负，所得到的PWM波形也是有正有负。在调制信号的一个周期内，输出的PWM波只有两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。
图3.2双极性PWM调制原理
3.1.5异步调制和同步调制
在PWM控制电路中，载波频率f c与调制信号f r之比N=f c/f r称为载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。载波信号和调制信号不保持同步的调制方式叫异步调制。在异步调制方式中，通常保持载波频率.r固定不变，因而当信号波频率f变化时，载波比N是变化的。同时，在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期脉冲不对称，半个周期内前后1/4周期内的脉冲是也不对称。
当信号波频率较低时，这种不对称对产生的影响较小，PWM波形接近正弦波。当信号波频率增大时，载波比N减小、一个周期内的脉冲数减少，PWM脉冲数不对称的影响就变大，这就使得输出的PWM波和正弦波的差异变大。对于单相PWM型逆变器来说，三相输出的对称性也变差。因此，采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以便在信号频率较大时能保持较大的载波比。
载波比N等于常数，并在变频时时载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。在基本的同步调试方式中，信号波频率变化时载波比N不变，信号波一个周期内的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在单相PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波，且取载波比N为3的整数倍，以使单相输出波形严格对称。同时，为了使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。
当逆变电路输出频率很低时，同步调制频率的载波频率f c也很低，f c过低时由调制带来的谐波不易虑除。当负载为电动机时也带来较大的转矩脉动和噪声。当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率f *V高时开关器件难以承受。
为了，克服以上缺点，可以采用分段同步调制的方法。即把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频率段，每个频段内保持载波比你N恒定，不同频段的载波比不同。
北京信息科技大学 电力电子技术实验报告 实验项目：单相交直交变频电路的性能研究 学院：自动化 专业：自动化（信息与控制系统） 姓名/学号：贾鑫玉/2012010541 班级：自控1205班 指导老师：白雪峰 学期：2014-2015学年第一学期 实验四单相交直交变频电路的性能研究
一．实验目的 熟悉单相交直交变频电路的组成，重点熟悉其中的单相桥式PWM 逆变电路中元器件的作用，工作原理，对单相交直交变频电路在电阻负载、电阻电感负载时的工作情况及其波形作全面分析，并研究工作频率对电路工作波形的影响。 二．实验内容 1．测量SPWM 波形产生过程中的各点波形。 2．观察变频电路输出在不同的负载下的波形。 三．实验设备及仪器 1．电力电子及电气传动主控制屏。 2．NMCL-16组件。 3．电阻、电感元件(NMEL-03、700mH 电感)。 4．双踪示波器。 5．万用表。 四．实验原理 单相交直交变频电路的主电路如图2—8所示。 本实验中主电路中间直流电压u d 由交流电整流而得，而逆变部分别采用单相桥式PWM 逆变电路。逆变电路中功率器件采用600V8A 的IGBT 单管（含反向二极管，型号为ITH08C06），IGBT 的驱动电路采用美国国际整流器公司生产的大规模MOSFET 和 IGBT 专用驱动集成电路1R2110，控制电路如图2—9所示，以单片集成函数发生器ICL8038为核心组成，生成两路PWM 信号，分别用于控制VT 1、VT 4和VT 2、VT 3两对IGBT 。ICL8038仅需很小的外部元件就可以正常工作，用于发生正弦波、三角波、方波等，频率范围0.001到500kHz 。 五．实验方法 图2—8 单相交直交变频电路
变频调速系统设计可以分为两个重要部分，软件设计与硬件设计。本设计首先简要阐述?了变频调速的基础技术，ＳPＷM理论及常用的设计方法等。然后对变频调速的硬件做了系 统电路地描述。对整个系统的主电路、控制电路、各种保护电路及控制实现的软件都进行了?系统的分析。主电路部分给出了整流、滤波、逆变器等器件各个环节的参数的计算。控制电?路采用TＭS320Ｆ２812、显示电路、输入电路、检测电路等，并配备了系统保护电路。在硬?件电路的基础上，用MAＴLAB工具对系统进行了开环和闭环系统的ＳPWＭ仿真。仿真实 验结果表明,这些设计使系统能够可靠工作,运行状态良好,达到了设计目的。最后给出了 各个软件设计的系统流程图。?关键词：变频调速，正弦波脉宽调制，ＩPＭ，智能功率模块，ＳPwM,ＴＭS320Ｆ2812 4一 Summａry -?Ｔｈｅｖａriａble ｓｐeeｄ Cａll?ｂｅｄividｅd ｉｎto tｗo?iｍｐortａnt parｔｓ:soft desｉｇｎ?aｎd hardware?dｅsign.Tｈｅ ｄesiｇnｆirｓtly exｐlains?tｈeｂasｉc?teｃhniques．oｆ?the ｖａriable ｓpｅｅd,thｅtｈeory
aｎd ｍethｏd of ｔhｅSPＷM．Tｈen the ｍajor?hardwaｒｅcｉｒcｕｉt iｓ ｉｎtroduced,Especilｌy?TMS3２０Ｆ２812 anｄIＰＭ.The?caｌcuｌation ａbouｔ?parametｅr?is madｅin the?major?ｃiｒcuit．Ａt the sａme time ｔhｅ secｕrｉty of tｈe ｃiｒcuｉt wａs?eｑuipped.?DSＰwas?rｅgaｒded as tｈe coｎtｒｏlｌer ｃore of tｈe SPWM.We estabｌish?a sｙsteｍ moｄel?whｉcｈcontｒoｌ syｓｔem sｐeed ｏｐｅn and close?ｌｏop ｗith SＰWＭ，wｅsiｍulate ａnｄ?analｙｚe the ｃoｎtrol?syｓtem ｔhｒouｇh MATＬAB.The simulation resuｌｔs ｄemonstrate that it isａ?ｈｉgh vａlue tｏ ｐopulａｒiｚe?ａnd?apｐlｙ?the?ｃｏｎｔｒolｌing syｓtem.Fiｎａl ｌy Tｈｅ
2016年TI 杯大学生电子设计竞赛 参赛注意事项 （1）7月25日8:00 竞赛正式开始。本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；高职高专组参 赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。 （2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。 （3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份的有效 证件（如学生证）随时备查。 （4）每队严格限制3 人，开赛后不得中途更换队员。 （5）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设计制作，不 得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队取消评审资格。 （6）7月28日20:00 竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。 D 题：单相正弦波变频电源 【本科组】 1.任务 设计并制作一个单相正弦波变频电源，其原理框图如图1所示。变压器输入电压U 1=220V ，变频电源输出交流电压U O 为36V ，额定负载电流I O 为2A ，负载为电阻性负载。 AC-DC DC-AC U 1 变压器U O I O U 2 图1 单相正弦波变频电源原理框图 2.要求 （1）输出频率范围为20Hz~100Hz ，U O =36±0.1V 的单相正弦波交流电；（15分） （2）输出频率f O =50±0.5Hz ，电流I O =2±0.1A 时，使输出电压U O =36±0.1V ；（10分） （3）负载电流I O 在0.2～2A 范围变化时，负载调整率S I ≤0.5%；（15分） （4）负载电流I O =2A ，U 1在198V ～242V 范围变化时，电压调整率S U ≤0.5%；（15分） （5）具有过流保护，动作电流I O(th)=2.5±0.1A ，保护时自动切断输入交流电源；（10分） （6）I O =2A ，U O =36V 时，输出正弦波电压的THD≤2%； （15分） （7）I O =2A ，U O =36V 时，变频电源的效率达到90%；（15分） （8）其他；（5分） （9）设计报告。（20分）
辽宁工业大学电力电子技术课程设计（论文）题目：100W单相交-直-交变频实验装置 院（系）：电气工程学院 专业班级：电气105班 学号：100303145 学生姓名：王林 指导教师：（签字） 起止时间：2012-12-31至2013-1-11
课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院教研室：电气Array 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要 单相交-直-交变频电路在工业生产，生活娱乐，仪器运行等很多方面都有着广泛的应用，其中目前应用最广泛的应属于电网互联。单相交-直-交变频电路可分为主电路和控制电路，其主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路，而控制电路包括控制电路、驱动电路和保护电路。本设计对于整流部分采用不可控制整流电路；滤波部分采用LC低通滤波器，得到高频率的正弦波交流输出；逆变部分由四只IGBT管组成单相桥式逆变电路。控制电路选用以单片集成函数发生器ICL8038为核心组成，生成两路PWM信号，分别用于控制两对IGBT；驱动电路采用了具有电气隔离集成驱动芯片M57962L；保护电路采用双D触发器CD4013。 关键词：整流；滤波；逆变；PWM；IGBT
目录 第1章绪论 (1) 1.1电力电子技术概况 (1) 1.2本文设计内容 (1) 第2章 100W单相交-直-交变频电路设计 (2) 2.1100W单相交-直-交变频电路总体设计方案 (2) 2.2具体电路设计 (3) 2.2.1 主电路设计 (3) 2.2.2 控制电路设计 (5) 2.3元器件型号选择 (9) 2.4系统调试或仿真、数据分析 (10) 第3章课程设计总结 (13) 参考文献 (14) 附录Ⅰ控制电路原理图 (15) 附录Ⅱ驱动和辅助电源原理图 (16)
目录 目录 (1) 第一章系统的功能设计分析和总体思路 (2) 1.1 概述 (2) 1.2 系统功能设计分析 (3) 1.3 系统设计的总体思路 (3) 第二章PLC和变频器的型号选择 (4) 2.1 PLC的型号选择 (4) 2.2 变频器的选择和参数设置 (5) 2.2.1 变频器的选择 (5) 2.2.2 变频调速原理 (6) 2.2.3 变频器的工作原理 (6) 2.2.4 变频器的快速设置 (7) 第三章硬件设计以及PLC编程 (9) 3.1 开环控制设计及PLC编程 (9) 3.1.1 硬件设计 (9) 3.1.2 PLC软件编程 (10) 3.2 闭环控制设计 (14) 3.2.1 硬件和速度反馈设计 (14) 3.2.3 闭环的程序设计以及源程序 (16) 第四章实验调试和数据分析 (21) 4.1 PID 参数整定 (21) 4.2 运行结果 (22) 第五章总结和体会 (22) 第六章附录 (24) 6.1 变频器内部原理框图 (24) 第七章参考文献 (25)
第一章系统的功能设计分析和总体思路 1.1 概述 调速系统快速性、稳定性、动态性能好是工业自动化生产中基本要求。在科学研究和生产实践的诸多领域中调速系统占有着极为重要的地位特别是在国防、汽车、冶金、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。调速控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。 可编程控制器（PLC）可编程控制器是一种工业控制计算机，是继续计算机、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动装置。它具有抗干扰能力强，价格便宜，可靠性强，编程简朴，易学易用等特点，在工业领域中深受工程操作人员的喜欢，因此PLC已在工业控制的各个领域中被广泛地使用。 目前在控制领域中，虽然逐步采用了电子计算机这个先进技术工具，特别是石油化工企业普遍采用了分散控制系统（DCS）。但就其控制策略而言，占统治地位的仍旧是常规的PID控制。PID结构简朴、稳定性好、工作可靠、使用中不必弄清系统的数学模型。PID的使用已经有60多年了，有人称赞它是控制领域的常青树。 变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，采用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且轻易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。组态王是海内一家较有影响力的组态软件开发公司开发的，组态王具有流程画面，过程数据记录，趋势曲线，
摘要 随着现代工业和科技的发展，电源在工作、生活等方面的作用越来越重要但许多用户的用电设备并非直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。把直流电能转变成交流电能供给负载的DC-AC逆变器，特别是正弦波逆变器，其种类繁多，应用领域广泛，优越性明显。因此，高性能的逆变器成为目前电力电子领域的研究热点之一。 正弦脉宽调制(SPWM)逆变器作为逆变器的一种，可输出谐波含量小的正弦波形。正弦波逆变电源已广泛用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源、计算机电源，UPS 不间断电源、医疗和照明电源、雷达高压电源、音响和视频电源等。随着数字化控制技术的发展，SPWM脉冲波的生成和逆变器的全数字化控制渐趋方便，并可使逆变器的输出波形的稳态精度、暂稳态响应、可靠性等得到进一步提高。 论文设计的单相正弦波逆变电源属于交流电源(AC-DC-AC逆变)。该电源系统的设计包括主电路和控制电路。论文首先介绍了逆变电源的发展现状；阐述了逆变系统的工作原理；对PWM技术和IGBT进行了简单介绍；分析了正弦脉宽调制的原理及其几种主要的调制方式；还研究了逆变电源主电路的参数，包括整流滤波电路，IGBT的选择，输出滤波参数的确定；最后介绍了系统的软件设计实现的具体过程，并给出了系统主程序流程图和中断流程图，程序清单。 关键词：逆变电源；正弦脉宽调制；IGBT
Abstract With the development of modern industry, science and technology, power supply becomes more and more important in work and life. But many users' devices can't work with AC directly provided by public electricity, which should be converted by power electronics technique to the forms needed. DC-AC inverters, especially sinusoidal inverters, which convert alternating current to direct current, are various, widely used and excellent. Therefore, High performance inverters have been one of points of power electronics. As one of inverters, Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) inverters can achieve low total harmonic distortion (THD) output wave. Sinusoidal Pulse Width Modulation(SPWM) inverters have been applied in the following aspects widely. They are DC power supply, AC power supply, industry power supply, computer power supply, UPS power supply, power supply of medical treatment and lighting, high voltage power supply of radar, power supply of sound and video frequency and so on. With the development of digital control techniques, the production of SPWM and digital control of inverters become convenient, which makes the output wave's steady-state precision, transient and steady-state response, reliability improved. Single-phase Sinusoidal Pulse Width Modulation Inverter Power Supply in this thesis belongs to AC power supply (AC-DC-AC convert). The power supply system includes the main circuit design and control circuits. The thesis presents the current situation and development trends of the inverters, discusses the inverter system's working principle and mathematic model; gives an outline of PWM technology and IGBT device; analyses the principles of the sine width modulate and major modulate methods; describes the major parameters of the system to identify, including the rectifier filter circuit, IGBT choice, the output filter parameters of. Finally, it introduces specific achieved process of software design in the last chapter, providing the system flow chart of main program and interrupt program, and program list. Key words: Inverter; SPWM;IGBT
实验四-单相交直交变频电路的性能研究
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北京信息科技大学 电力电子技术实验报告 实验项目：单相交直交变频电路的性能研究 学院：自动化 专业：自动化（信息与控制系统） 姓名/学号：贾鑫玉/2012010541 班级：自控1205班 指导老师：白雪峰 学期：2014-2015学年第一学期 实验四单相交直交变频电路的性能研究
一．实验目的 熟悉单相交直交变频电路的组成，重点熟悉其中的单相桥式PWM 逆变电路中元器件的作用，工作原理，对单相交直交变频电路在电阻负载、电阻电感负载时的工作情况及其波形作全面分析，并研究工作频率对电路工作波形的影响。 二．实验内容 1．测量SPWM 波形产生过程中的各点波形。 2．观察变频电路输出在不同的负载下的波形。 三．实验设备及仪器 1．电力电子及电气传动主控制屏。 2．NMCL-16组件。 3．电阻、电感元件(NMEL-03、700mH 电感)。 4．双踪示波器。 5．万用表。 四．实验原理 单相交直交变频电路的主电路如图2—8所示。 本实验中主电路中间直流电压u d 由交流电整流而得，而逆变部分别采用单相桥式PWM 逆变电路。逆变电路中功率器件采用600V8A 的IGBT 单管（含反向二极管，型号为ITH08C06），IGBT 的驱动电路采用美国国际整流器公司生产的大规模MOSFET 和 IGBT 专用驱动集成电路1R2110，控制电路如图2—9所示，以单片集成函数发生器ICL8038为核心组成，生成两路PWM 信号，分别用于控制VT 1、VT 4和VT 2、VT 3两对IGBT 。ICL8038仅需很小的外部元件就可以正常工作，用于发生正弦波、三角波、方波等，频率范围0.001到500kHz 。 五．实验方法 4 5 L1 G3VT3 3 E3 VT4 C G4 E2 图2—8 单相交直交变频电路 G11 E1 G2 2 VT1 VT2
机电传动与控制课程综合训练三 一、综合训练项目任务书 综合训练项目：交流电机变频调速系统 目的和要求：加强对交流变频调速系统及变频器的理解；应用交流变频调速系统及变频器解决交流电机变频调速问题。提高分析和解决实际工程问题的能力。促成“富于探索精神，具有较强的自学能力、开拓创新意识和敏锐的观察事物以及分析处理事物的能力”的目标实现。 成果形式：交流电机变频调速系统设计说明书。 相关参数：参看《机电传动控制》（第五版），冯清秀等编著，华中科技大学出版社，P291~316。 一、综合训练项目设计内容 1.变频调速系统 1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理 三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。三相交流异步电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。 1.2 变频调速原理 变频器可以分为四个部分，如图1.1所示。 通用变频器由主电路和控制回路组成。给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器。
图1.1 变频器简化结构图 ⑴整流器。它的作用是把工频电源变换成直流电源。 ⑵平波回路（中间直流环节）。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件—电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。 ⑶逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。 ⑷控制回路。控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控制。 2.系统的控制模型 本系统的结构如图1.2所示。
摘要 该变频电源以ST公司的STM32F103VET6芯片为主控芯片，利用内部PWM模块生成SPWM信号，驱动全桥逆变电路，将直流电压转化为交流电压，其幅值和频率由STM32芯片内部程序控制调节。另外本系统外接彩屏及键盘，可手动设定电源输出电压的有效值及频率，并实时显示输出电压、电流、功率和交流电压的效率。同时该系统具有过流保护功能，可以在输出大于2A电流的情况下切断交流输入，大大增加了系统的安全性和稳定性。 Abstract The variable frequency power to S T’s STM32F103VET6 chip for the master core internal modulation SPWM signal generation to drive full-bridge inverter circuit, the DC voltage into AC voltage, amplitude and frequency of its internal procedures by the STM32 chip control and regulation. External color screen and keyboard of the system, manually set the power output RMS voltage and frequency, and real-time display output voltage, current, power and efficiency of AC voltage. While the system has over-current protection, high current output can be cut case of AC input, improve system security and stability. 1、方案论证与选择 1.1、系统整体方案设计 整个系统以STM32F103VET6芯片为主控芯片，输出两路互补的SPWM信号，通过驱动电路驱动全桥逆变器，得到电压有效值和频率可控的交流电压。输出端通过采样电路对电压极电流进行采样,构成闭环控制。然后通过PID算法调节SPWM信号控制输出电压值大小，实现稳压。 考虑到STM32芯片的性能，SPWM输出采用开环控制。 输入部分由触摸屏实现，手动输入设定值。显示部分采用彩屏输出交流电的有效电压值、电流值、频率及效率。 过流保护通过接入继电器实现，当电流大于2A的时候控制继电器切断交流电输入。 1.2、方案选择 1.2.1功率开关管选择 本设计要求能够输出电压有效值为20V，最大电流2A的交流电，采用MOSFET无疑是开关器件的最佳选择。IRF520的最大漏源极电压为100v，导通电流为———，符合设计要求。 1.2.2 MOS管驱动电路设计
电力电子技术 课程设计(论文) 单相交-直-交变频实验装置 院（系）名称电子与信息工程学院 专业班级 学号 学生 指导教师 起止时间：2014.12.15—2014.12.26
课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电子与信息工程学院教研室：电子信息工程
摘要 随着科学技术的进步，电力电子技术取得了迅速的的发展，改变着我国工业的整体面貌，在现代化建设中发挥着越来越重要的作用。其中，单相交-直-交变频技术也得到了越来越多的重视。其在工业生产、生活娱乐和仪器应用等方面有着广泛的应用，其中目前应用最广泛的属于电网互联，将分布式发电技术发出的电变成负载可以使用的交流电或与大电网电压、频率相匹配的工频交流电。可见，研究交—直—交变频系统的基本工作原理和作用特性意义十分重大。 本次设计研究的单相交-直-交变频实验装置可分为主电路和控制电路两部分。其中，主电路包括整流电路、逆变电路和滤波电路三部分。整流电路采用不可控的二极管单相桥式整流电路；逆变电路采用IGBT组成的单相全桥逆变电路；滤波电路采用电容滤波，输出合适频率的正弦交流电。而控制电路由控制电路、驱动电路和保护电路组成。其中，控制电路以ICL8038为核心，生成两路PWM控制信号；驱动电路采用三菱公司生产的M57862L集成驱动器；用双D触发器CD4013构成保护电路。 根据以上电路组合设计，经过Multisim软件进行电路仿真，可以基本满足本次设计任务的要求，且电路比较可靠。 关键词：整流；逆变；IGBT；PWM控制
目录 第1章第1章绪论 (1) 1.1 电力电子技术发展概况 (1) 1.2 本文研究容 (1) 第2章单相交-直-交变频电路设计 (3) 2.1 单相交-直-交变频电路总体设计方案 (3) 2.1.1 方案论证与选择 (3) 2.1.2 整体方案框图 (3) 2.2 具体电路设计 (4) 2.2.1 整流电路设计 (4) 2.2.2 逆变电路设计 (6) 2.2.3 控制电路设计 (7) 2.2.4 驱动电路与保护电路设计 (10) 2.3 元器件型号选择 (11) 第3章课程设计总结 (13) 参考文献 (14) 附录 (15)
220V50HZ输入120V，208V，60HZ输出单相变频电源 指导老师：欧阳华斯电源 答辩人： 变频电源工作原理图 220V50HZ输入120V，208V，60HZ输出单相变频电源 单进单出变频电源技术参数（OYHS-9800）系列 型号（OYHS）
OYHS-98 005OYHS-9 801 OYHS-9 802 OYHS-9 803 OYHS-9 805 OYHS-9 810 OYHS-9 815 OYHS-9 820 OYHS-98 30 输出容量（KVA） 0.5KVA1KVA2KVA3KVA5KVA10KVA15KVA20KVA30KVA 电路方式IGBT/SPWM脉宽调制方式 交流输入 相数单相 波形SINEWAWE 电压220V±15% 频率波动范围50HZ or60HZ±10% 功率因数﹥0.9 交流输出 相数单相 波形SINE WAVE 电压120V，208V，0-300V连续可调 频率60HZ，50HZ，40-499.9HZ连续可调 频率稳定率≤0.01% 低档最大电流（0-150V）（A） 4.2A8.4A16.8A25A41.6A83.3A125A166.7A250A 高档最大电流（150-300V）（A） 2.1A 4.2A8.4A12.5A20.8A41.7A62.5A8 3.3A125A 整机性能 电源稳压率﹤1% 负载稳压率﹤1% 波形失真度﹤2% 效率﹥90% 反应时间≤2ms
波峰因子3：1 保护装置具有过压，过流，超载，输入欠压，过高温，短路等多 重保护 显示 显示介面数位式LED显示 电压4位数，数位电压表，解析度0.1V 电流4位数，数位电流表，解析度0.1A 功率4位数，数位瓦特表 频率4位数，数位频率表 环境及其它 冷却装置高速变频风扇冷却，强制冷风 工作温度-10℃to50℃ 相对湿度0～90%（非凝结状态） 海拔高度≤1500m 重量（KG） 2123456070150180230350 尺寸(H*D*W）mm 180*500*430600*530* 350790*650*350850*650* 500 1100*750 *550 注：1以上尺寸不含脚输高度 2可根据顾客要求规格特别定制 3本公司产品规格不断研发改进,规格若有变更,恕不另行通知
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
学院毕业设计目录 目录 摘要...................................................................................................... III Abstract ............................................................................................... IV 1 引言 (1) 1.1 选题的提出 (1) 1．2变频技术的介绍 (1) 1.3研究意义 (1) 1.4设计的对象 (3) 2 系统总体设计方案 (3) 3 系统主要功能的实现 (4) 3.1系统主要功能的实现 (4) 3.2 PWM 信号的产生方式 (5) 3.3 SPWM 调制方式的选择 (6) 3.4FPGA控制模块 (7) 4 理论分析与参数计算 (7) 4.1 SPWM 逆变电源的谐波分析 (7) 4.2 载波频率的选择 (7) 4.3 FPGA 内单相平均功率计算算法 (8) 5. 应用程序设计部分 (9) 5.1 VHDL硬件描述语言简介 (9) 5.2 正弦波顶层设计程序 (9) 6结论 (10) 6.1取得的成绩 (10) 6.2存在的不足和今后的努力方向 (10) 参考文献 (1)
单相正弦波变频电源 摘要：本设计是通过模拟和数字的方法来产生SPWM信号。采用89C51单片机产生正弦波基波，采用NE555芯片产生高度线性等腰三角波载波。基波和载波通过高速电压比较器LM311比较产生与之对应的SPWM驱动信号。SPWM驱动信号经整形电路、死区电路、驱动功放隔离电路完成对全桥场效应管的开通和关断,从而完成将直流电压逆变成所需频率的正弦交流电。而调压电路采用前级DC-DC独立调压来实现，实现直流稳压。改变单片机正弦波输出频率来实现逆变输出SPWM 交流调频的功能。采用芯片AD637对输出电压、电流进行真有效值变换，经A/DTLC549变换后送单片机处理，实时对逆变输出进行监控，保证输出电压的稳定性。输出电压波形为正弦波，输出频率可变，能够测量和显示电源输出电压、电流、具有过流保护、过压保护电路、空载报警电路等。同时基于UC3845多路隔离反击式开关电源为系统供电。 在研究和设计的基础上制作了样机，完成了大部分的调试工作，达到了预期的目的。 关键词：升压；场效应管；检测电路；逆变
Abstract:The SPWM signal is produced by the way of analog and digita in the design.The fundamental wave is produced by 89C51 chip,and the sine t riangle carrier wave is produced by NE555 chip.SPWM drive signal is generated by the high-speed voltage comparator LM311. The turn-on and turn-off of mosfet are controlled by SPWM drive signal from the shaping circuit, the dead zone circuit, the power am plifier circuit to bring out the required frequency of the sinusoidal alternating current in DC/AC convertion.The voltage regulating circuit uses DC-DC independent voltage regulating to realize, Change the frequence of the sine wave that is the output of the MCU will realize the function of inverse output SPWM AC frequency modulation .Use AD637 to complete voltage and current true effective value transform and then send the result to A/DTLC549. Through AD exchange the output will be send to the MCU to be processed,according to the result to monitor the inverse output and to ensure the stability of the output voltage. The waveform of the output voltage is sine-wave,its frequence can be changed.The voltage and current of the Power source can be e over-current and over-voltage protection circuit, an o-load alarm circuit and smeasured and the result can be displayed on the LCD.The power source include tho on. At the same time use multi-channel isolate Counter type switch power as system power supply. On the basis of research and design,a prototype of principle is produced.the most of debugging of the whole system is completed. Keyword:boost；mosfet；detection circuit；inverter
附件1： 基础强化训练 题目单相交直交变频电路性能研究 学院自动化学院 专业 班级 姓名 指导教师 2012 年7 月10 日
1 总体原理图 (4) 1.1方框图 (4) 1.2电路原理图 (4) 1.2.1 主回路电路原理图 (4) 1.2.2 整流电路 (4) 1.2.3 滤波电路 (5) 1.2.4 逆变电路 (6) 2 电路组成 (8) 2.1控制电路 (8) 2.2驱动电路 (9) 2.3主电路 (10) 3 仿真结果 (11) 3.1仿真环境 (11) 3.2仿真模型使用模块提取的路径及其单数设置 (11) 3.3具体仿真结果 (14) 3.3.1仿真电路图 (14) 3.3.2整流滤波输出电压计算与仿真 (15) 3.3.3逆变输出电压计算与仿真 (16) 4 小结心得 (18) 5 参考文献 (19)
基础强化训练任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 单相交直交变频电路性能研究 初始条件： 输入为单相交流电源，有效值220V。 要求完成的主要任务: （1）掌握单相交直交变频电路的原理； （2）设计出系统结构图，并采用matlab对单相交流调压电路进行仿真； （3）采用protel设计出单相交直交变频电路主电路、驱动电路、控制电路 时间安排： 2012年7月9日至2012年7月13日，历时一周，具体进度安排见下表 参考文献： [1]王兆安，刘进军.《电力电子技术》第5版.北京：机械工业 出版社，2011 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
1 总体原理图 1.1 方框图 图1 总体方框图 1.2 电路原理图 1.2.1 主回路电路原理图 图2 主回路原理图 如图所示，交直流变换电路为不可控整流电路，输入的交流电通过变压器和桥式整流电路转化为直流电，滤波电路用电感和电容滤波，逆变部分采用四只IGBT 管组成单项桥式逆变电路，采用双极性调制方式，输出经LC 低通滤波器滤波，滤除高次谐波，得到频率可调的交流电输出。 1.2.2 整流电路 整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成，滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分，变压器设置与否视具体情况而定。 变压器的作用是实现交
摘要 电梯是一种用于电力拖动的特殊升降设备，是现代城市生活中必不可少且应用最广泛的垂直交通运输工具。随着社会的不断发展，电梯从手柄开关操纵电梯、按钮控制电梯发展到了现在的群控电梯，为高层运输做出了不可磨灭的贡献。 随着电力电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展十分迅速。变频调速电梯使用了先进的PWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能；调速范围广、控制精度高、动态性能好，舒适、安静、快捷，几乎可与直流电机相互媲美。同时也明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能显著。 本设计在采用PLC和变频器相互结合而实现电梯常规控制的基础上，通过对变频器和PLC芯片的合理选择和设计，大大提高了电梯的控制水平，并改善了电梯运行的舒适感，使电梯达到了较为理想的控制和运行效果。 关键词：电梯，PWM控制，变频调速
ABSTRACT Summary elevator is a special electric traction equipment, is indispensable in modern urban life, and the most widely used vertical transportation. As society develops, elevator from the handle switch elevators, buttons control the elevator to the current group of Elevator, for senior transportation present. With power electronics and computer control technology and the rapid development, AC inverter technology development very rapidly. Variable speed elevator use advanced PWM, significantly improve the quality and performance elevator; speed range widely, control, precision, dynamic performance, comfortable, quiet, fast, almost comparable to the DC motor. At the same time significantly improved motor power quality, reduced harmonic, which improves the efficiency and power factor, energy-saving significantly. This design in use PLC and inverter elevator on the basis of conventional control, through the inverter and PLC chip design, selection and greatly improves the elevator control levels, and improves the comfort, Elevator makes elevator reaches more ideal control and operating results. Keywords: elevator, PWM, frequency
110V60HZ输入110V50HZ输出单相相变频电源 指导老师：欧阳华斯电源 答辩人： 变频电源工作原理图 110V60HZ输入110V50HZ输出单相相变频电源 单进单出变频电源技术参数（OYHS-9800）系列 型号（OYHS）
OYHS-98 005OYHS-9 801 OYHS-9 802 OYHS-9 803 OYHS-9 805 OYHS-9 810 OYHS-9 815 OYHS-9 820 OYHS-98 30 输出容量（KVA） 0.5KVA1KVA2KVA3KVA5KVA10KVA15KVA20KVA30KVA 电路方式IGBT/SPWM脉宽调制方式 交流输入 相数单相 波形SINEWAWE 电压110V±15% 频率波动范围50HZ or60HZ±10% 功率因数﹥0.9 交流输出 相数单相 波形SINE WAVE 电压110V，0-300V连续可调 频率60HZ，50HZ，40-499.9HZ连续可调 频率稳定率≤0.01% 低档最大电流（0-150V）（A） 4.2A8.4A16.8A25A41.6A83.3A125A166.7A250A 高档最大电流（150-300V）（A） 2.1A 4.2A8.4A12.5A20.8A41.7A62.5A8 3.3A125A 整机性能 电源稳压率﹤1% 负载稳压率﹤1% 波形失真度﹤2% 效率﹥90% 反应时间≤2ms
波峰因子3：1 保护装置具有过压，过流，超载，输入欠压，过高温，短路等多 重保护 显示 显示介面数位式LED显示 电压4位数，数位电压表，解析度0.1V 电流4位数，数位电流表，解析度0.1A 功率4位数，数位瓦特表 频率4位数，数位频率表 环境及其它 冷却装置高速变频风扇冷却，强制冷风 工作温度-10℃to50℃ 相对湿度0～90%（非凝结状态） 海拔高度≤1500m 重量（KG） 2123456070150180230350 尺寸(H*D*W）mm 180*500*430600*530* 350790*650*350850*650* 500 1100*750 *550 注：1以上尺寸不含脚输高度 2可根据顾客要求规格特别定制 3本公司产品规格不断研发改进,规格若有变更,恕不另行通知