单相SPWM变频电源设计潘玉成

哈 尔 滨 理 工 大 学

毕 业 设 计

题 目: 单相SPWM变频电源设计 院、 系: 荣成学院电气系电技09-2班 姓 名: 潘玉成 指导教师: 孙轶男 系 主 任: 王哈力

2012 年 5 月20 日

单相SPWM变频电源设计

摘要

随着新型电力电子器件和数字信号处理器的飞速发展，数字控制的逆变电源应用日益广泛。因为数字控制相对于模拟控制有着显著的优点:简化了硬件电路设计，克服了模拟电路中参数温度漂移的问题，控制灵活且易实现先进控制等，使得所设计的电源产品不仅性能可靠，且易于大批量生产，从而降低了开发周期。因此，数字化控制电源已成为当今开关电源产品设计的潮流。本文采用Ti公司的TMS320LF2407A的控制芯片和IGBT为核心来设计数字式逆变电源调节器，以取代现有的以晶闸管为功率元件的模拟控制的逆变电源调节器。本设计论文介绍了一种基于DSP芯片的全数字控制单相变频电源的设计，随着变频调速技术的不断发展，变频器的应用越来越广泛，变频器除了具有卓越的调速性能之外，还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。本论文提出了一种数字控制的单相逆变器结构，详细论述了系统的参数设计，整流工作的基本工作原理，逆变的基本原理及SPWM正弦脉冲宽度调制。

关键词 数字控制;DSP;SPWM调制

I

single-phase SPWM inverter power design

Abstract

With new power electronics device and the rapid development of digital

signal processor, digital control inverter power supply has been used more and more widely. Because digital control simulation control relative to have prominent advantages: simplified the hardware circuit design, overcoming the analog circuit parameters in the problem of temperature drift, flexible control and easy to realize the advanced control, and make the design of power supply products not only reliable performance, and easy to mass production, which reduces the development cycle. Therefore, digital control power has become the switch power products design trend. In this paper the Ti company of TMS320LF2407A control chip and IGBT as the core to design digital inverter power supply regulator to replace the existing to thyristor for power of

components of the simulation control inverter power supply regulator.Song ? this paper introduces a design based on DSP digital control of single phase frequency conversion power design, with the development of the technology of frequency conversion, frequency converter used more widely, frequency converter, except for its outstanding performance of speed adjustment, but also the significant energy saving effect, is the enterprise technological transformation and upgrading of product ideal control device. This paper presents a digital control single-phase inverter structure, discusses the parameters of the system design, rectifying the basic principle of work, the basic principle of inverter and SPWM sine pulse width modulation.

Keywords digital control; DSP; SPWM modulation

II

目录

摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II 第一章 绪论 ....................................................................................................... 1

1.1 本文主要内容 ........................................... 1 1.2 数字变频电源的分类及优点 ............................... 1 第二章 单相SPWM变频电源工作原理 ............................... 3

2.1 整流技术 ............................................... 3

2.1.1 变频电源的工作原理 ................................ 3 2.2 逆变工作原理 ........................................... 4

2.2.1 逆变器方波输出工作原理 ............................ 4 2.2.2 滤波器 ............................................ 6 2.3 SPWM基本原理 .......................................... 7 2.4 PID调节器 ............................................. 10 2.5 控制方案 .............................................. 10 第三章 单相SPWM变频电源系统组成 .............................. 12

3.1 主电路 ................................................ 12 3.2 驱动电路 .............................................. 12 3.3 检测电路 .............................................. 13

3.3.1 电压检测 ......................................... 13 3.3.2 电流检测 ......................................... 14

第四章 硬件电路设计与系统参数设计 ............................ 15

4.1 电源设计 ............................................. 15 4.2 数字控制的实现方法 .................................... 17 4.3 系统参数设计 .......................................... 17

4.3.1 参数设计 ......................................... 18 4.3.2 中频变压器TR .................................... 18 4.3.3 串联谐振电容 ..................................... 20

结 论 ........................................................ 22 致 谢 ........................................................ 23 参考文献 ...................................................... 24

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第一章 绪论

变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。

变频节电器是近几年发展起来的一种新型节能产品，对于各种交流电机设备，配备专用的变频器后，可以使原电机的能源利用率大大提高，从而达到节电之目的。在能源日益紧张的今天，变频器作为交流调速的一种主要手段，以其极强的可靠性和抗干扰能力，在工业生产中得到了越来越广泛的应用，具有广阔的市场潜力。因此，研究本课题具有很强的现实可行性。本文就变频器的原理作了简单的介绍。

1.1 本文主要内容

近年来，通信网络、计算机、过程控制系统和自动化生产线得到了广泛地使用，这就大大地增加了人们对全数字变频电源的需求。故选取全数字变频电源作为毕业设计有一定的实用意义。本文所研究的是全数字单相变频电源要求将三相380V，频率为50Hz的交流电变为输出为电压频率可变的交流电源。正常工作时，若负载发生变化，该变频电源具有自动调节输出电压和频率使其维持不变的功能。本次毕业设计输入端接入三相380V频率为50Hz的交流电，通过整流，逆变，变频，变压器的降压变为30~250V频率范围为40Hz~1000Hz交流电，并采用了闭环调节技术，可以对电压和频率进行调节。本系统除了主电路外，还采用了许多附属电路，本文着重分析了驱动和检测电路的工作原理。

1.2 数字变频电源的分类及优点

根据有无直流环节而将高压变频器分为两大类：

1.无直流环节的变频电源，即交—交变频电源； 2.有直流环节的变频器称为交—直—交变频电源，其中直流环节采用大电感以抑制电流脉动的变频器称为电流源型变频器；直流环节采用大电容以抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频器。

电流源型变频器又可以分为：器（LCI）；

——采用自关断器件（GTO或SGCT）的变频电源。

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有效消除次数低的谐波。还可以通过改善供电环境,如设法加大系统的短路容量,提高谐波源负荷的供电电压等级,有专门线路为谐波源负荷供电措施。 在本次设计中我用到的是LC滤波器。

由于逆变桥输出的并不是用户所需要的正弦波，而是包含很多谐波的正负方波，所以通常逆变电路输出端要接LC低通滤波器滤除阶次较高的谐波，将接近正弦的电压供给负载，如图2-2-3所示。

L＋E－逆变器＋vC－＋vL－Load图2-2-3 带LC滤波器的逆变器

2.3 SPWM基本原理

采样控制理论中有一个重要结论：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。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。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。

SPWM（Sinusoidal PWM）法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM法。SPWM法就是以上述结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

各种PWM控制策略，特别是正弦脉宽调制SPWM控制已在逆变技术中得到广泛应用。在DC/DC、AC/DC、AC/AC变换中，PWM控制技术也是一种很好的控制方案并已得到广泛的应用。目前，SPWM主要有单极性正弦脉宽调制（SSPWM）、双极性正弦脉宽调制（BSPWM）、单极倍频正弦脉宽调制等几种方式。

图2-3-1中给出了双极性SPWM调制原理，其中调制参考波为幅值为

其频率fr就是输出电压基波频率f1。高频载波为双极性三Vrm的正弦波vr，

角波vc，幅值为Vcm，频率为fc。无论在vr的正半周还是负半周，当瞬时值

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vr?vc时， Q1、Q7导通， Q3、Q5截止，于是逆变器输出电压vab??E；当瞬时值vr?vc时， Q1、Q7截止，而Q3、Q5导通，于是逆变器输出电压vab??E。因此可以得到输出电压vab的波形。

v(t)12v(t)?V1msin?t347?100vab(t)Vd5?67892?10?103?105?109?10?t(a)123450?1?2?3a1a2?4?5??2??1??7?8?92??t?Vd(b)(a)正弦电压(b)SPWM等效电压

图2-3-1 用SPWM电压等效正弦电压

它在正负半周中都有多个正、负脉冲电压，故称这种PWM控制为双极性正弦脉冲宽度调制。

这种调制方式下，载波比N?fc/f1，每半个周波中正脉冲和负脉冲共有N个。若固定三角载波频率fc，改变fr，即可改变输出交流电压基波的频率f1（f1?fr）；若固定载波比N，改变三角载波频率fc，则也可改变输出交流电压基波的频率f1。另外，电压调制系数M?Vrm/Vcm，固定三角载波电压幅值Vcm，改变正弦调制参考波vr的幅值Vrm，即改变调制比

M(M?Vrm/Vcm，Vrm?M?Vcm)，则将改变vr与vc两波形的交点，从而改变每个脉冲电压的宽度，改变V0中基波和谐波的数值。可以证明，如果载波比N足够大，调制比M?1，则基波电压幅值V1m??M?E?E?Vrm/Vcm，输出电压基波最大时其有效值只能达到E/2?0.707E，即

宽的方波交流电压，其基波有效值由公式（2-3）V1m?E(M?1)。对比180°

式可知为V1?0.9E，可见双极性正弦脉冲宽度调制SPWM改善输出电压波形的代价是牺牲了直流电压利用率，即输出电压的基波电压从V1?0.9E减小到0.707E。

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频谱分析表明：PWM脉冲电压具有与理想正弦电压相一致的基波分

N?fc?9frVrmVcm2?VcmVrmM??tE 0 vabE0??223?2E 0 2??E?1?2?tE ?4?30 -E 图2-3-3单极倍频SPWM调制原理图 图2-3-2双极性SPWM调制原理图

量，而其最低次谐波的频率可以提高到SPWM调制频率（即开关频率）附近。 采用双极性SPWM控制时输出电压中可以消除N-2次以下的谐波，因此除基波外，其最低阶次的谐波为N-2次。如果逆变器输出频率f1?50Hz，开关的通、断频率fc?20kHz，则N=20000/50=400，这时可消除398次以下的谐波。存留的高次谐波相对值比180°宽的方波中同阶次的谐波相对值虽然还可能高一些，但由于其阶次高，容易滤除，其相应的畸变系数还是很小的。因此，开关频率足够高时，利用较小的滤波器就可以将其中的谐波滤除，使逆变器输出电压波形很接近于标准正弦。

在全数字变频器系统中，逆变桥工作在单极倍频SPWM工作方式，单极倍频SPWM调节原理如图2-3-3所示。图中依次分别为：SPWM驱动信号形成示意图、逆变器第一态，且有一定的死区限制（死区时间内二者都不导通），Q5、Q7组成另一个桥臂，互为交替互补通断状态，有相同的死区限制。Q1和Q5的触发信号相位相差π角度，这就形成了单极倍频工作方式。与双极性电压开关电路相比，其输出谐波频率是开关频率的两倍，谐波分量小，易于滤除。死区的设置是为了防止因Q1、Q3或Q5、Q7同时导通而形成桥臂直流短路故障。如果在四个开关桥臂输出电压va的波形、

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逆变器第二桥臂输出电压vb的波形、桥式逆变器输出电压vab?va?vb的SPWM波形。控制过程中，Q1、Q3组成一个桥臂互为交替互补通断状态器件Q1~Q7的栅极和发射极间加上按正弦脉冲宽度调制（SPWM）的高频信号，那么逆变桥输出电压即是SPWM电压波形。

2.4 PID调节器

若控制器采用PID控制器，文献提出了对于逆变系统根据其性能指标的要求进行零极点配置的方法。PI控制作用影响低频段，增大低频增益并改善静态精度，PI控制器的作用如同相位滞后补偿器。而PID控制器是一个滞后—超前控制器，不仅可以增大相位超前角并改善系统稳定性，而且也增大了系统的带宽，因此响应速度加快。

本文则通过图形分析法来确定PID调节器的参数。 PID调节器的传递函数可表示为： Gv?Kp?K/si?2Kps?KKi?ds （2-18） Kd?ss 则开环传递函数为： G0(s)?Gv(s)H0?Kps?Ki?Kds2s?1s??s?12 （2-19）

显然此时的开环传递函数中有2个零点需要确定，其中一个零点可以设置为对应于输出LC滤波器的谐振角频率?n处，在归一化设计中?n=1。这样设计的好处在于能够近似对消掉控制对象中的大的慢性环节，提高开环的截止频率，加快动态响应。另一个零点则置于第一个零点约1/3频率处，为主极点。同时选择适当的Kp值可以的使系统的谐振峰值不超过20dB，开环截止频率比PI调节器时要高得多，因此动态响应也要快很多。

2.5 控制方案

本文所设计的变压变频电源输出基波频率及电压变化范围较宽，输出频率为40Hz~1KHz，输出电压30~250V，选择合适的控制策略才能使整个输出范围内的THD较小。逆变器控制策略有很多，如重复控制、无差拍控制、电压电流双环控制和瞬时值内环平均值外环控制等。本文采用了外环

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为平均值环、内环为瞬时值控制获得快速的动态性能，保证输出畸变率较低，外环使得各个频率段的输出电压具有较高的精度，并通过采用DSP TMS320F240全数字控制得以实现。

VVVF电源结构框图如图2-5所示。单相正弦波输入电压UAC经Boost环节变成540V稳定的直流输入，逆变部分采用全桥结构。

图2-5VVVF电源结构框图

全数字控制器控制电路以电机控制专用的DSP芯片TMS320F240为核心，采用内环瞬时值环、外环平均值环的双环控制。内环速度比外环快，在正弦给定的情况下，瞬时值内环反馈能使电压波形尽量接近正弦波，以减小输出电压畸变率。外环为平均值环，采用PI调节器，速度较慢。有了平均值外环，可以保证输出电压有较高的精度。

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结 论

随着信息处理技术的不断发展，社会对节能的重视和需要，尤其是计算机的广泛应用和Internet的迅猛发展，对数字控制技术的要求也越来越高。本文叙述的核心是一个恒压变频的变频器，在论文中 ，我参阅了大量的文献资料，尽量做到对问题的阐述系统、全面，并加入了一些我的理解和认识。具体地说，本文所作的主要工作有：

1.详细分析了整流，逆变的工作原理，以及已在逆变技术中得到广泛应用的正弦脉宽调制SPWM控制技术，还就采用LC滤波器后，谐波进行了分析。

2.对设计中所采用的电路 ，如主电路，驱动电路，检测电路等。给予一定的说明，因篇幅的限制一些电路例如复位电路，起停电路，显示电路没有做过多的说明。同时就电路的参数及电路中所用到的器件功能有一定的说明。

3.设计采用的是数字控制，所以在论文中，列出了主要程序流程图，中断程序为PI调节程序提供了前提，而PI调节是全文的中心也是全文的难点，它不但稳定了电压，同时可以变频。

4.文章还就设计中所采用的器件参数进行推算，为器件的选择提供了理论依据。

虽然本文对在单相SPWM全数字变频器的设计中取得了一定的成果，但是由于时间和精力有限，所涉及到的研究工作还做得很不够，还有很多工作在今后值得继续研究。

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致 谢

本论文是在我的指导老师孙轶男密切关心和悉心指导下完成的。孙老师在论文写作的过程中给予了我许多指导，总是以认真负责、一丝不苟的工作态度阅读并修改文章中不足的地方，她优良的作风和严谨治学的态度深深影响着我，至此,向老师致以最真挚的感谢和最崇高的敬意！

我要感谢我的同学，特别是我的室友们，正是他们在这几年里陪我一起成长，一起学习，才让我有了今天的成绩。他们在平时的学习和生活中他们给予了我无私的关怀和帮助，在此表示我最诚挚的谢意。在四年的大学学习期间，我得到了授业老师们在学业上，为人处事上的指导，在 生活上的关怀。老师们在教学、科研上兢兢业业的作风、脚踏实地的治学态度，将使我在今后的学习、工作中受益匪浅。

同时，还要感谢学院的全体老师以及所有关心、支持我的朋友和亲人。最后，衷心感谢我的父母，感谢他们对我的培育，正是有了他们的理解，支持和帮助，才使我顺利地进入大学并完成了大学学业。

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参考文献

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[18]Texas Instruments,“TMS320C24x DSP Controllers,Perpheral Library and Specific Devices, Reference Set volumeⅡ”,1997.

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4.2 数字控制的实现方法

该节为设计中的数字部分，向DSP输入程序实现数字化处理。下图列出了控制芯片DSP与外围设备的连接框图，其中电压检测用到电压霍尔，电流检测用到电流霍尔，频率的设定实现了变频。随后列出了一些程序流程图，包括主程序流程图，中断程序流程图，PI调节程序流程图，显示程序流程图。

DSP与外围设备连接框图如图4-2所示：

主电路驱动电路保护电路电源电压检测DSP电流检测电压设定电流设定报警电路频率设定显示电路图4-2DSP与外围设备连接框图

4.3 系统参数设计

本节就单相SPWM变频器的重要参数进行推算。

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4.3.1 参数设计

本文所研究的是全数字单相变频器要求将三相380V，频率为50Hz的交流电变为输出为220V频率可变的交流电源。正常工作时，若负载发生变化，该变频器具有自动调节输出电压和频率使其维持不变的功能，其性能指标如下所述：

1.输入交流电压：380V?10%。

2.输出交流电压：30~250V频率范围为40Hz~1000Hz交流电。

3.输出功率：5kW，cos?=0.8。

4.稳态性能：稳态电压变化不大于?2%，稳态频率变化不大于?1%。 输出电压的总谐波畸变率THD?5%,单次谐波畸变率?3%。

5.动态性能：动态电压变化不大于?10%，动态频率变化不大于?2%。 恢复时间小于1秒。

6.整机效率：??85%。

4.3.2 中频变压器TR

额定负载时变压器输出的有功电流为：.

IR?PO?5000?22.7A （4-1）

220VO采用无功负载电容补偿后，变压器输出的无功电流为：

'IL?17?16.6?0.4A （4-2）

变压器副边电流的最大值为：

22I2?22.7?0.4?22.7A?23A （4-3）

变压器输出容量为

S?VO?I2?220*23?5.06kVA （4-4）

据此可选400Hz一级品硅钢铁芯CD40?80?160，铁芯基本参数为： 铁芯截面积：SC?28.5cm2 窗口面积：SO?102.4cm2

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虽然变压器原边串有滤波电感，但还是有一定的谐波电流流过变压器的原边绕组。变压器的铁耗与流过绕组的电流频率有关，频率越高，铁耗越大。因此变压器的工作磁密应选低些。若选取磁通密度为Bm?4800高斯，则变压器副边绕组匝数为：

N2?220VO?108??108?95.3匝 （4-5）

4.44fBmSC4.44*400*4800*28.5可取N2?96匝（左右线包各绕48匝，再串成96匝）。

在确定变压器的变比n时，必须保证在最低输入电压时仍能使输出电压

达到额定值。变压器输出220VAC的峰值为325V，考虑到变压器付方绕组

V。直流输入电压最低为540V，扣除电压降，副方电压峰值设为V2m?330两个IGBT管压降5V，并考虑死区效应的影响，即输入电压有10%的波动，

V。为改善逆变器突加负载时的动态性能，最低输入直流电压为V1m?500设稳态时逆变器最大占空比为?max?0.9，取变压器的电压调整率为5%，因此变压器变比为：

n?330N2V2m?*(1?0.05)?*1.05?0.77 （4-6）

?500*0.9N1V1m?max在不过分加大IGBT所流过电流的情况下，为进一步提高逆变器在低直

流母线电压带非线性负载时波形校正的能力，可选取变比为：

n?N2?0.8 （4-7） N1因此变压器原边绕组匝数为：

N296??120匝（铁芯左右各绕60，再串成120匝） （4-8） N1?n0.8由于变压器除基波电流外还有谐波电流流过，考虑集肤效应，为减小变压器的铜耗，选取导线的电流密度为j?1.5A/mm2。

副边导线截面积为 S2?I2?23?15.32mm，因此副边绕组可选用

j1.519

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10mm2的扁平铜导线绕制。 S2?1.85×

又由于变压器原边电流的最大值为：I1?96N2?I2?*23?18.4A，原

120N118.4边导线截面积S1?I1??12.3mm2，因此副边绕组可选用S1?13mm2扁

j1.5平铜导线绕制。

最后可对变压器的窗口占用系数进行核算，实际的窗口占用系数为

KC?N1S1?N2S2120*1.3*10?96*1.85*10??0.33 （5-9） 2102.4*10SO因此上述设计符合绕制的工艺要求。

电

感

L3上的视在功率为

2?62Pt?I2?2?fL2?23*2?*400*408*10?0.54kVA，

可选用400Hz一级品硅钢铁芯CD32?64?100，铁芯基本参数为： 铁芯截面积：SC?18.2cm2

窗口面积：SO?50cm2 （4-10）

考虑集肤效应，选取导线的电流密度为j?1.5A/mm2，导线截面积为

23S?I2??15.3mm2，因此可选用S?1.6×10mm2的扁平铜导线绕制。

j1.54.3.3 串联谐振电容

将L2折算到原边得L2'?(1202N12)?L2?()*200?312.5?H?313?H

96N2根据实测，变压器原方漏感为L??76?H，串联谐振电容C3为

C3?11??265?F （4-11） 22?6(2?f)(L3?L?)(2?*400)?(313?76)*1020

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C3上承受的交流电压为

VC?18.4I1??27.6V （4-12） ?62?fC32?*400*265*10V，VAC的CBB48-2型电实际上取C3?330?F/150采用11个30?F/150容并联而成。

在串联谐振电路工作时，随着谐波频率的增加，C3L3的感抗迅速增大，的容抗迅速减小。高频时C3的作用可忽略不计，因此串联谐振电容的引入对LC滤波器的高频滤波特性影响不大。此外电容C3还有隔直作用，防止变压器因直流偏磁而饱和。

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