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摘要:当前电力电子技术发展迅速,如何进一步提高电网供电性能,变频技术成为其中的关键。本文将设计三相正弦电源,用以驱动电机,并给出了详细的设计方案。
关键词:逆变电路,三相正弦电源,SPWM波
当前电力电子技术发展迅速,如何进一步提高电网供电性能,变频技术成为其中的关键。通过变频技术,可以把直流电变成交流电。利用三极管等功率半导体器件及其他电子器件,将三相交流电变成用于驱动电机的恒压恒频的电源,且具有输出频率稳定、电压穩定,结构简单,可靠性高等优点。
因此该项技术广泛应用于各个领域,如新能源汽车、飞机、舰船等。综上所述,研究这种电源具有极其重要的意义。
本文将设计三相正弦电源,用以驱动电机,并给出了详细的设计方案,提供相关测试结果。
1 系统方案设计
三相弦波电源由直流输入模块、逆变电路模块、lc滤波电路模块、主控单元模块、信号隔离驱动电路模块、人机交互模块、隔离反馈电路电路及LCD显示模块等功能电路构成。
首先,由STM32产生SPWM波,即正弦波脉宽调制信号,信号经过光耦隔离电路,用以三相逆变驱动电路的控制。经过LC滤波器,将直流电变为所需的三相电压信号。其中,输出正弦波的幅度和频率可调。电压、电流测量电路分别测量各相电压和电流的三相纯正弦波,数据经过 STM32处理后,于液晶显示器上显示结果。通过人机交互模块,如按键等,对输出进行控制。
控制系统由STM32单片机及按键电路、显示电路、信号调理电路、复位电路、保护电路等外围电路组成。
2 功能模块设计
2.1 逆变电路
逆变电路能够将直流电变为交流电,主要由电解电容、功率开关等电子器件构成。通过单片机输出的SPWM波控制开关元件的导通与关断,使之有规律变化,实现直流电变为交流电。
电流型三相桥式逆变电路,只适用于单个电机传动,以及加、减速运行频繁或者经常反向场合,不予考虑。故采用电压型三相桥式逆变电路,其特点为:其直流侧电压基本无脉动,输出电压波形是矩形波,输出的电流因负载不同而变化。同时,逆变电路各臂并联反馈二极管,更好控制输出信号。电压型三相桥式逆变电路适用于同时向多个电机供电,故采用此方案。
2.2驱动电路
由于利用CMOS器件驱动,开关速度低,而采用光耦合器驱动,因其自身的速度不高,限制使用频率。
故利用MOSFET栅极驱动控制专用集成电路芯片IR2130实现对生成的SPWM波的驱动放大。该系列驱动芯片由3组半桥驱动电路构成,三组电路相互独立,可同时为其上下桥臂提供死区时间,拥有栅极驱动器,高速高压功率驱动器。该芯片满足主电路对功率开关器件的要求。
2.3显示模块
可采用3块12864液晶,分别显示频率,电压大小及电流大小等相关参数。该液晶是一种是图形点阵液晶显示器,主要由行驱动器/列驱动器及128×64点阵液晶显示器组成,成本相对较低,适用于各类仪器,小型设备显示领域。
2.4 LC滤波器
在输出端增加 LC滤波电路,用于改善由于高频带来的整个系统的电磁兼容性变差的情况,避免对后级系统造成一些不良影响。
2.5滤波电路
电源EMI噪声滤波器能够无衰减地将交流电传输到电源,同时使随之传入的EMI噪声衰减。可以抑制电源等设备产生的噪声,阻止其对其他电子设备的干扰。
3系统软件设计
3.1主程序设计
除了硬件电路设计外,软件设计在完整系统设计中也很重要。主程序主要包括输出调压程序、输出调频程序等。
3.2 SPWM 控制技术
本次设计采用 STM32F407单片机,将其最小系统作为主要控制模块,生成SPWM波,控制三相逆变器的工作。
3.3 正弦波脉宽的生成
根据SPWM的产生原理,在半周期内把 进行 N等分,可以得到每个小段的面积,取任意小段,记为i,使得矩形波幅值同输入的正弦波的幅值 相等,同时使任意小段的矩形波面积同与之对应的正弦波面积相等,可得到矩形波脉冲宽度值:
脉冲宽度按照正弦波规律变化,由此把脉冲宽度的一系列值生成一个表,通过查阅此表,单片机输出脉冲序列。通常,只需要保存半个周期正弦波的值,交替输出,即可生成完整的SPWM 波,这种方法大大节约了单片机存储空间,同时可以控制逆变器。
4 测试结果及讨论
4.1测试方案
硬件测试利用示波器、数字直流电源、电参数分析仪、数字万用表对电路连通性及其他性能进行测试。
软件仿真通过Proteus软件进行测试,对电路参数进行仿真及设置。
4.2测试结果
1)当接通电源后,能够提供三相对称的正弦波交流电,波形稳定平滑,相位差约为120°。
2)当负载线电流I0的有效值为2 A时,测量多次取平均值,得到线电压频率f0为50 Hz±0.3 Hz,U0的有效值为24 V±0.2V。
3)当负载线电流的有效值I0为2 A,利用电参数分析仪,可以直接测得交流母线电压的THD为1.2%。
5 结论
本文设计了程控三相正弦电源,并完成相关测试,符合要求的结果。
参考文献
[1]袁越,曹阳,傅质馨等. 微电网的节能减排效益评估及其运行优化 [J].电网技术 ,2012,32(08):12-18.
[2]孙玉星,杨宏,苏乘风.中国光伏产业发展[J].半导体技术,2010,35(02):101-104.
[3] 吴静平,何浪,王根平. 基于KMTOA 的三相光伏逆变器双环控制研究 [J]. 电工电气 ,2018(08):14-19.
[4]杨勇,赵方平,阮毅 ,赵春江 . 三相并网逆变器模型电流预测控制技术 [J]. 电工技术学报 ,2011,26(06):153-159.
[5]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].第5版.北京:机械工业出版社,2009.
作者简介:高佳欢(1998-),女,籍贯:河北保定人,北华航天工业学院,20级在读研究生,硕士学位,专业:电子信息。研究方向:嵌入式系统研究,FPGA技术研究.
关键词:逆变电路,三相正弦电源,SPWM波
当前电力电子技术发展迅速,如何进一步提高电网供电性能,变频技术成为其中的关键。通过变频技术,可以把直流电变成交流电。利用三极管等功率半导体器件及其他电子器件,将三相交流电变成用于驱动电机的恒压恒频的电源,且具有输出频率稳定、电压穩定,结构简单,可靠性高等优点。
因此该项技术广泛应用于各个领域,如新能源汽车、飞机、舰船等。综上所述,研究这种电源具有极其重要的意义。
本文将设计三相正弦电源,用以驱动电机,并给出了详细的设计方案,提供相关测试结果。
1 系统方案设计
三相弦波电源由直流输入模块、逆变电路模块、lc滤波电路模块、主控单元模块、信号隔离驱动电路模块、人机交互模块、隔离反馈电路电路及LCD显示模块等功能电路构成。
首先,由STM32产生SPWM波,即正弦波脉宽调制信号,信号经过光耦隔离电路,用以三相逆变驱动电路的控制。经过LC滤波器,将直流电变为所需的三相电压信号。其中,输出正弦波的幅度和频率可调。电压、电流测量电路分别测量各相电压和电流的三相纯正弦波,数据经过 STM32处理后,于液晶显示器上显示结果。通过人机交互模块,如按键等,对输出进行控制。
控制系统由STM32单片机及按键电路、显示电路、信号调理电路、复位电路、保护电路等外围电路组成。
2 功能模块设计
2.1 逆变电路
逆变电路能够将直流电变为交流电,主要由电解电容、功率开关等电子器件构成。通过单片机输出的SPWM波控制开关元件的导通与关断,使之有规律变化,实现直流电变为交流电。
电流型三相桥式逆变电路,只适用于单个电机传动,以及加、减速运行频繁或者经常反向场合,不予考虑。故采用电压型三相桥式逆变电路,其特点为:其直流侧电压基本无脉动,输出电压波形是矩形波,输出的电流因负载不同而变化。同时,逆变电路各臂并联反馈二极管,更好控制输出信号。电压型三相桥式逆变电路适用于同时向多个电机供电,故采用此方案。
2.2驱动电路
由于利用CMOS器件驱动,开关速度低,而采用光耦合器驱动,因其自身的速度不高,限制使用频率。
故利用MOSFET栅极驱动控制专用集成电路芯片IR2130实现对生成的SPWM波的驱动放大。该系列驱动芯片由3组半桥驱动电路构成,三组电路相互独立,可同时为其上下桥臂提供死区时间,拥有栅极驱动器,高速高压功率驱动器。该芯片满足主电路对功率开关器件的要求。
2.3显示模块
可采用3块12864液晶,分别显示频率,电压大小及电流大小等相关参数。该液晶是一种是图形点阵液晶显示器,主要由行驱动器/列驱动器及128×64点阵液晶显示器组成,成本相对较低,适用于各类仪器,小型设备显示领域。
2.4 LC滤波器
在输出端增加 LC滤波电路,用于改善由于高频带来的整个系统的电磁兼容性变差的情况,避免对后级系统造成一些不良影响。
2.5滤波电路
电源EMI噪声滤波器能够无衰减地将交流电传输到电源,同时使随之传入的EMI噪声衰减。可以抑制电源等设备产生的噪声,阻止其对其他电子设备的干扰。
3系统软件设计
3.1主程序设计
除了硬件电路设计外,软件设计在完整系统设计中也很重要。主程序主要包括输出调压程序、输出调频程序等。
3.2 SPWM 控制技术
本次设计采用 STM32F407单片机,将其最小系统作为主要控制模块,生成SPWM波,控制三相逆变器的工作。
3.3 正弦波脉宽的生成
根据SPWM的产生原理,在半周期内把 进行 N等分,可以得到每个小段的面积,取任意小段,记为i,使得矩形波幅值同输入的正弦波的幅值 相等,同时使任意小段的矩形波面积同与之对应的正弦波面积相等,可得到矩形波脉冲宽度值:
脉冲宽度按照正弦波规律变化,由此把脉冲宽度的一系列值生成一个表,通过查阅此表,单片机输出脉冲序列。通常,只需要保存半个周期正弦波的值,交替输出,即可生成完整的SPWM 波,这种方法大大节约了单片机存储空间,同时可以控制逆变器。
4 测试结果及讨论
4.1测试方案
硬件测试利用示波器、数字直流电源、电参数分析仪、数字万用表对电路连通性及其他性能进行测试。
软件仿真通过Proteus软件进行测试,对电路参数进行仿真及设置。
4.2测试结果
1)当接通电源后,能够提供三相对称的正弦波交流电,波形稳定平滑,相位差约为120°。
2)当负载线电流I0的有效值为2 A时,测量多次取平均值,得到线电压频率f0为50 Hz±0.3 Hz,U0的有效值为24 V±0.2V。
3)当负载线电流的有效值I0为2 A,利用电参数分析仪,可以直接测得交流母线电压的THD为1.2%。
5 结论
本文设计了程控三相正弦电源,并完成相关测试,符合要求的结果。
参考文献
[1]袁越,曹阳,傅质馨等. 微电网的节能减排效益评估及其运行优化 [J].电网技术 ,2012,32(08):12-18.
[2]孙玉星,杨宏,苏乘风.中国光伏产业发展[J].半导体技术,2010,35(02):101-104.
[3] 吴静平,何浪,王根平. 基于KMTOA 的三相光伏逆变器双环控制研究 [J]. 电工电气 ,2018(08):14-19.
[4]杨勇,赵方平,阮毅 ,赵春江 . 三相并网逆变器模型电流预测控制技术 [J]. 电工技术学报 ,2011,26(06):153-159.
[5]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].第5版.北京:机械工业出版社,2009.
作者简介:高佳欢(1998-),女,籍贯:河北保定人,北华航天工业学院,20级在读研究生,硕士学位,专业:电子信息。研究方向:嵌入式系统研究,FPGA技术研究.