单相正弦波变频电源自动化毕业设计(论文)(编辑修改稿)

单相正弦波变频电源自动化毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

图 降压－升压变换电路图 方案二、推挽式升压电路，该电路输出电压既可以低于输入电压又可以高出输入电压。 且输出端与输入端以及输出端与输出端之间可以实现直流隔离。 当输入电压和负载波动时输出电压可以得到很好的调节，变压器绕组上承受脉冲 电压，脉冲幅值由输入电压和次级绕组匝数决定。 反馈设计合理的话，当输入电压和负载波动时输出电压可以得到很好的调节。 根据设计要求，并结合斩波变换电路的特性，方案一和方案二均能满足设计要求，但方案一变压器容易饱和，可能会导致开关管损坏，并且在功率比较大的南华大学电气工程学院毕业设计（论文） 第 3 页 共 82 页 场合推挽式升压电路具备更高的性能指标。 因此选择方案二作为主功率升压模块。 图 推挽式升压电路图 逆变电路方案 方案一：采用电流型单相桥式逆变电路。 在电流型逆变电路中，它们的直流输入是交流整流后由大电感滤波后形成的电流源。 此电流源的交流内阻抗近似无穷大，它吸收负载端的谐波无功功率。 逆变电路工作时，输出电流是幅值等于输入电流的方波电流。 方案二：采用电压型电压桥式逆变电路。 在电压型逆变电路中，它们的直流电源是交流整流后由大电容滤波后形成的电压源。 此电压源的交流内阻抗近似为零，它吸收负载端 的谐波无功功率。 逆变电路工作时，输出电压是幅值等于输入电压的方波电压。 比较以上两种方案，电压型逆变器的设计较简单，并且价格要便宜，适合学生制作。 根据题目要求，选用方案二。 MOSFET 驱动电路方案 方案一：用 CMOS 器件驱动 MOSFET。 直接用 CMOS 器件驱动电力MOSFET，它们可以共用一组电源。 栅极电压在小于 10V 时， MOSFET 将处于电阻区不需要外接电阻 R，电路简单化。 不过这种驱动电路开关速度低，并且驱动功率要受电流源和 CMOS 器件吸收容量的限制。 如图 所示。 南华大学电气工程学院毕业设计（论文） 第 4 页 共 82 页 驱动 图 用 CMOS 器件驱动 MOSFET 方案二：利用光耦合器驱动 MOSFET。 利用光耦合器的隔离驱动隔离电路如图 所示。 通过光耦合器将控制信号回路与驱动回路隔离，使得输出级设计电阻减少，从而解决了与栅极驱动源低阻抗匹配的问题。 而且在载波频率不太高的情况下，光耦的使用比较灵活、稳定、高效。 ，特别是采用电容自 举供电方式仅需要一个电源即可。 驱动 图 用光耦合器驱动 MOSFET 方案三：另一种驱 动可采用集成驱动芯片 IR2111， IR2111 是美国国际整流器（ IR）公司研制的 MOSFET 专用驱动集成电路， DIP— 8 封装，可驱动同桥臂的两个 MOSFET，内部自举工作，允许在 600V 母线电压下直接工作，栅极驱动电压范围宽，单通道施密特逻辑输入，输入与 TTL 及 CMOS 电平兼容，死区时间内置，高边输出输入同相，低边输出死区时间调整后与输入反相。 但 IR2111对 PCB 布线的要求非常高，线不到位会导致驱动的失败，特别很容易导致场效应管同时导通使场效应管烧坏。 因此对于高速布线经验不足的人员来说不是很上乘的选择，并 且他的死区时间无法改变，是通过芯片内部的死去电路固化的。 当电路需要天调整死区时间时，是无法实现的。 驱动 图 用集成电路 IR2111 驱动 MOSFET 比较上述三种方案，方案一由于电路自身的一些缺点如驱动电路开关速度低、驱动能力有限等不满足题目要求。 方案二采用光耦合器驱动场效应管，在开关频率不是太高的情况下，采用光耦作为驱动一般都能达到很好的效果。 专用的集成电路 IR2111，整机性能好，体积小，但对于布线要求较高，故采用方案二。 CMOS 器件 功率开 关MOSFET 光藕 功率开关MOSFET IR2111 集成驱动器件 功率开关MOSFET 南华大学电气工程学院毕业设计（论文） 第 5 页 共 82 页 测量有效值电路方案 本设计要求输出电压可调，调节电压是通 过前级 DCDC 的闭环稳压实现的，因此系统需要一个反馈信号构成闭环稳压系统。 而反馈信号我们采用从后级输出的交流电压采样转换成相应直流电压，将其反馈至前级 DCDC 的控制电路误差放大器的反馈端改变驱动功率器件的方波占空比来实现 DCDC 闭环电压稳压的作用。 方案一：信号分压处理后直接连接到 A/D 器件，单片机控制 A/D 器件首先进行等间隔采样，并将采集到的数据存到 RAM 中，然后处理采集到的数据，可在程序中判断信号的周期，根据连续信号的离散化公式，做乘、除法运算，得到信号的有效值再通过 D/A 将相应的反馈至送到直 流稳压系统中，对编程有一定的要求。 原理框图如图 ： 图 直接数据处理框图 方案二：信号分压后先经过真有效值转换芯片 AD637， AD637 输出信号的有效值模拟电平，然后将 AD637 输出至反馈至直流稳压系统中去，实现稳压的功能。 原理框图如图 ： 图 采用 AD637 框图 比较上述两种方案：显然方案一占用大量单片机内部资源，造成可用资源减少，不利于设计中其它方面的利用。 而方案二是采用硬件的的方式取样，这样做不但可以最大程度的减少采样造成的 ，而且采用模拟芯片采样的响应很快，能够很好的改善满足 DCDC 直流稳压环节的响应速度问题，使输出电压能够很好的适应负载变化。 因此我们选取选择方案二。 SPWM波产生方案 该设计中，变频的核心技术是 SPWM 波的生成。 单片机集、存储、计算 AD637 DCDC D/A DCDC A/D 待处理信号 待处理信号哦 南华大学电气工程学院毕业设计（论文） 第 6 页 共 82 页 方案一：采用 SPWM（正弦脉宽调制）集成电路。 SPWM（正弦脉宽调制）集成电路，所以可以作为单相变频电源的控制电路。 这样的设计避免了应用分立元件构成 SPWM 波形发生器离散性、调试困难、稳定性较差等不足。 方案二：采用 AD9851 DDS 集成芯片。 AD9851 芯片由高速 DDS 电路、数据 输入寄存器、频率相位数据寄存器、高速 D/A 转换和比较器组成。 由该芯片生成正弦波和锯齿波，利用比较器进行比较，可生成 SPWM 波。 方案三：利用单片机通过编程直接生成正弦波 ,单片机输出的基波正弦波与载波三角波通过比较电路生成占空比和频率可变的驱动信号，改变正弦的频率即可很容易的改变输出电压频率。 比较以上三种方案：方案一是较好的一种实现 SPWM 波的方法，但本毕业设计的重点在于对大学学习的验证，更多的是驱动电路的设计，并且采用专用芯片需要对芯片的工作原理有一定的认识，否则会遇到很多问题。 而采用 DDS 虽然很容易的 实现驱动的生成，但其输出信号是非常小的信号，波形质量难以保证非常容易受到干扰，从而使信号波形特性不理想，需要设计良好的滤波电路。 DDS 驱动能力很小，需要设计与之相应的驱动电路。 这就使系统的设计复杂程度大大加大，而且成本加大，因此本系统不予采纳。 单片机与运放产生 SPWM，能够较准确的产生标准的 SPWM 波形，设计思想成熟，充分体现了数电和模电的魅力。 因此 SPWM 产生方案采用方案三。 变频电源基本结构方案 方案一：变频电源实际上是一个 AC— DC— AC 装置：它先将来自公共电网的交流电经过整流器转变成直流 电，再通过逆变器将直流电转变成满足负载需要的交流电，所以基本部分由整流电路、逆变电路、控制电路、负载匹配电路等几个部分。 采用如图 示开环控制方式，电路简洁，思路清晰，但这种电路在负载改变的时候不能达到稳压的要求。 图 变频电源开环控制框图 控制电路 DCAC 负载 ADDC DCDC 南华大学电气工程学院毕业设计（论文） 第 7 页 共 82 页 方案二：在上面方式的基础上，从负载端引出一个反馈信号，这个反馈信号经过处理后送单片机及前级 DCDC 的 PWM 的误差放大器的反馈端与基准电压做 PID 调节，误差放大器的输出结果与 PWM 芯片内部的锯齿波比较长生一个与之对应的占空比可变的方波，此方波通过芯片内部功 率放大驱动电路驱动功率开关器件，从而使输出维持设定的电压值，形成一个电压闭环控制系统。 通过改变误差放大器的基准电压以或者改变输出采样电阻的比值即可实现电压调幅的功能。 该系统可靠性高，误差小，满足 稳频、稳压的要求。 其结构图如图 ： 图 变频电源 闭 环 结构图 辅助电源方案 方案一： 采用基于 LM 系列单端稳压芯片将整 流电压 稳压为系统供电，线性电源特点是不存在射频、 EMI 等干扰。 输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小、工作产生的噪声低、效率较低 (现在经常 看的 LDO 就是为了解决效率问题而出现的 )、发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声 方案二： 采用基于 UC3845 多路隔离输出辅助电源供电，反击式多路输出电源是辅助电源中应用最多的拓扑，通过变压器绕组数来获得多输出的功能。 初级和次级线圈不共功率地，设计合理的话，纹波会很小。 可以满足系统供电的要求。 比较以上两种方案：线性电源的最大缺点是效率非常低，特别是输入输出电压压差较大时，其效率是影响使用它的决定向因素，效率低小造成电源模块发热严重，会严重影响其他模块的稳定工作。 所以不予采纳，而基于 UC3845 隔离式辅助供电模块，因为开关电源工作效率比较高，在功率不是很大的情况热辐射很小，不会对其他模块造成影响。 同时由于采用了隔离的方式，可以实现输入地与输出地以及输出地与输出地之间的隔离。 保证了被供电模块的电气安全，同时有满足了系统对隔离电源需求的要求。 因此辅助电源方案采用方案二。 ADDC DCDC DCAC 负载 控制电路 南华大学电气工程学院毕业设计（论文） 第 8 页 共 82 页 方案论证 总体思路 采用一块 STC51 单片机，利用 51 单片机生成频率可变的基波信号，与通过NE555 产生的三角波载波通过比较电路及滤波电路、整形电路、延时电路经后级电容自举驱动电路驱动主功率全桥 DCAC 电路， 实现 DCAC 逆变功能。 同时闭环稳压环节通过单片机改变 DCDC 控制电路的基准值电压值打大小来以及来自采样电路的反馈电压来达到稳压和调压的。 通过改变基波频率大小来改变逆变输出频率的大小。 从而实现单相逆变调压、调频的功能。 而系统的供电模块采用基于 UC3845 的的反击式多路输出隔离电源作为系统供电的辅助电源。 设计方案 220V/50Hz 的市电，经过一个 220V/24V 的隔离变压器，输出 24V 的交流电压经 整流 得直流电压，再经斩波得到一个幅度可调的稳定直流 电压。 斩波电路采用基于 TL494 推挽升压电路， 功率器件采用场效应管 IRF540。 驱动采用外接图腾柱驱动模式，外接图腾驱动接 TL494 的 PWM 输出端。 DCDC 调压、稳压则通过单片机改变 TL494基准电压的大小与经采样电路反馈电压来改变控制 PWM输出的占空比来实现或通过改变输出采样可变电阻的大小来实现调压的功能。 输出的斩波电压经滤波电路变成稳定的直流电压，作为逆变桥的直流母线电压。 直流母线经全桥逆变电路及滤波电路变成正弦交流电。 逆变电路采用全桥逆变电路MOSFET 桥臂由四个 IRF540 构成， IRF540 的隔离驱动选用 TLP250， TLP250是由 SPWM 驱动信号驱动的。 SPWM 驱动信号是通过正弦波和三角比较产生的，比较器产生的驱动信号再通过死区电路到达 TLP250 的输入端。 逆变输出电压通过 LC 低通滤波器输出平滑的正弦波。 图 变频电源系统设计方框图。 南华大学电气工程学院毕业设计（论文） 第 9 页 共 82 页 延时电路 保护电路 三角波 图 变 频电源系统设计方框图 正弦波 图腾柱驱 动 TL494PWM 芯片 基 于 UC3845 反击多路输出辅助供电模块 全桥逆变 死区电路 LC 滤波输出 斩波 直流输出 交流输入 桥式整流 扼流圈 滤波 整形电路 A/D 单片机 三角波 真有效值电路 TLP250 保护电路 比较电路 隔离 隔离 真有效值电路 南华大学电气工程学院毕业设计（论文） 第 10 页 共 82 页 2 单元电路的设计与说明 交流电源整流滤波电路 市电 220V/50Hz 经隔离变压器变压为 24V 的交流电压，输入到扼流圈，消除大部分的共模干扰，经整流输出到滤波电容，输出文波很小的直流电压。 其电路如图 所示。 在电路图中， F F2。