电压型逆变器系统硬件的设计Word文档下载推荐.docx
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专业:
自动化
所在系:
自动化工程系
指导教师:
郭丹
摘要
通俗的讲,逆变器是一种将直流电(DC)转化为交流电(AC)的装置。
它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成.广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱,录像机、按摩器、风扇、照明等。
本次设计提出了一种基于DSP芯片TMS320LF2407的电压型逆变器的硬件设计的实现方法。
该系统采用交-直-交电压型电路,主回路主要由整流电路、滤波电路以及SPWM逆变电路组成,主体部分以TMS320LF2407为核心,产生PWM波形,以及相关电压的检测。
通过霍尔电压、电流传感器可检测输出的两相电压和电流,采用DSP自带的A/D转换器检测电压进行采样和转换,从而获得实时数据信息。
在电力电子技术的应用中,逆变电路是通用变频器核心部件之一,起着非常重要的作用。
逆变电路与整流电路相对应,把直流电变成交流电的电路。
在控制电路的控制下,将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。
关键词:
DSP控制器TMS320LF2407正弦脉宽调制(SPWM)逆变器
VoltageInverterHardwareDesign
ABSTRACT
Popularspeaking,inverterisadirectcurrent(DC)intoalternatingcurrent(AC)devices.Itinsistsoninverterbridge,controllogicandfiltercircuit.Itiswidelyusedinairconditioning,hometheaterandelectric.
Grindingwheel,electrictools,sewingmachine,DVD,VCD,computers,television,washingmachine,smokelampblackmachine,refrigerator,VCRS,massagedevice,fan,lighting,etc.
ThisdesignisproposedbasedonDSPchipTMS320LF2407voltagetypeinverterandtherealizationmethodofthehardwaredesign.Thissystemusespay-straight-intothemaincircuitvoltagetypecircuit,mainlybyrectifiercircuitandfiltercircuitandSPWMinvertercircuit’scomposition,mainpartwithTMS320LF2407asthecore,producethewaveformofPWM,andvoltagerelateddetection.Throughthehallvoltage,currentsensordetectsthetwophaseoutputvoltage,current,DSPbringingA/Dconvertertestvoltagesamplingandconversion,thusgetreal-timedatainformation.Inpowerelectronictechnologyapplications,invertercircuitsisoneofthecorepartsgeneralinverter,playsaveryimportantrole.Inverterandrectifiercircuitcorrespondingtothedirectcurrentintoalternatingcurrentcircuit.Underthecontrolofthecontrolcircuit,thewaysofoutputamongdcpowerconversionforfrequencyandvoltagearearbitraryadjustableacpower.
KeyWords:
DSPcontrollerTMS320LF2407SinePulseWidthModulation(SPWM)Inverter
第一章绪论
1.1电力电子技术及发展前景
电力电子学(PowerElectronics)是应用于电力技术领域中的电子学,在工程应用中称为电力电子技术(PowerElectronicTechnique)。
它是以利用大功率电子器件对电能进行变换和控制为研究内容,是一门与电子、控制和电力紧密相关的边缘学科。
它在电能的产生和使用之间建立了一种关系,在这种关系下,电能的产生、输送和使用都有很高的效率,而且各种不同的负载都能得到其所期望的最佳能量供应形式和最佳的控制。
因此,电力电子技术不仅大量用于传统电力系统中的交直流输变电装置,更广泛应用于工业生产各个领域中各种电机的交直流调速,材料加工领域中各种加热电源(如中高频感应加热电源、焊接电源等)的能量输出控制等。
随着技术的发展,以电压驱动的各种全控型高频大功率器件及其功率模块相继出现,这为制造各种小巧轻便、性能稳定的高效率和高品质高频开关电源提供了条件,这类电源目前广泛用于各种通讯设备、计算机乃至各类家电产品。
现代电力电子技术(ModernPowerElectronicTechnique)主要以该领域中那些后起的,目前最具发展前景的全控型电力电子器件如Power-MOSFET、IGBT、MCT、PIC等为背景,介绍它们的基本结构、工作原理、主要参数、应用特点,以及器件应用中的驱动、保护等基本问题,分别介绍在硬PWM开关和软PWM开关条件下的各类变换电路,如DC-DC,DC-AC,AC-AC,AC-DC等变换电路的基本原理、电路特点、波形分析和各种负载对电路工作的影响分析和初步设计、计算。
通过本课程的学习使学生熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法,掌握各种变换电路的结构、工作原理和控制方法,获得电力电子技术必要的基本理论、基本分析方法以及基本技能,为从事与电力电子技术应用相关的工程技术工作和科学研究打下一定的基础。
1973年,Newell在美国以电力电子学命名的专家会议上,提出电力电子学是电气工程三大主要领域:
电力、电子与控制之间的边缘科学。
与此同时,他还对电力电子学的发展前景作了如下六点估计:
(1)采用电力半导体器件的电力电子装置将继续发展,并出现过去未开拓的新领域。
(2)借助于电子计算机的电路分析与器件模拟技术,将进一步发展,使理论的系统设计成为可能。
而电力电子学将因此成为一门学科。
(3)电力半导体器件经过研究和发展,将和小信号元件同样取得迅速的发展。
(4)规格化的、一般用途的开关模块(组件),将进一步向廉价、可靠、多功能发展。
模块中还将包含控制电路在内。
(5)高等院校中开始出现电力电子学专业,国家将要求某些大学设这门学科。
(6)本学科内,有关专业(如器件和电路)间的交流协作将加强,并出现有关电力电子学的专门人才。
五年以後,日本的原岛文雄在《电气学会杂志》发表了一篇题为“电力电子学展望”的论文。
认为形势的发展正同Newell所作的六点估计相同,并另作了以下五点补充。
(7)高压及快速半导体器件将继续提高性能并降低价格。
(8)交流调速技术将不断发展和普及。
(9)引入微电子技术後系统的控制性能将进一步提高。
(10)降低无功功率及抑制高次谐波的技术将发展。
(11)电力电子学将和节能结合,成为今後重要的发展方向。
近两年来,节能已成为电力电子学发展的中心议题,国际上不断有专著或论文报道,并因此促进了交流调速等技术的发展。
1980年日本电气学会全国大会上,佐藤则明发表了“电力电子学的新方向”(总论)一文,再次肯定了原岛文雄对发展前景所作的五点估计,并作了三点补充,强调了下述一些应用方面将迅速发展。
(12)直流输电、新能源技术等发电输电方面的应用。
(13)斩波器电车、超高速铁道等车辆方面的应用。
(14)电力用高频振荡技术。
以上几点是近七年来,各国专家对电力电子学发展前景的估计和评述。
这些估计有一定的连续性,说明经过时间的考验它们是正确的。
从具体内容来看,逐年又有所增添,这是电力电子学迅速发展的必然结果。
1.2逆变器技术发展历程
逆变器技术的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密结合,从开始发展至今经历了五个阶段。
第一阶段:
20世纪50-60年代,晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件。
第二阶段:
20世纪70年代,可关断晶闸管GTO及双极型晶体管BJT的问世,使得逆变技术得到发展和应用。
第三阶段:
20世纪80年代,功率场效应管、绝缘栅型晶体管、MOS控制晶闸管等功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础。
第四阶段:
20世纪90年代,微电子技术的发展使新近的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊控制等技术在逆变领域得到了较好的应用,极大的促进了逆变器技术的发展。
第五阶段:
21世纪初,逆变技术的发展随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的进步不断改进,逆变技术正朝着高频化、高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。
1.3课题研究的目的意义
逆变电路是与整流电路相对应,把直流电变成交流电的电路。
逆变电路的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。
无源逆变电路的应用非常广泛。
在已有的各种电源中,蓄电池、太阳能电池等都是直流电源,当需要这些电源向交流负载供电时,需要通过无源逆变电路;
无源逆变电路与其它电力电子变换电路组合形成具有特殊功能的电力电子设备,如无源逆变器与整流器组合为交-直-交变频器(来自交流电源的恒定幅度和频率的电能先经整流变为直流电,然后经无源逆变器输出可调频率的交流电供给负载)。
当电网提供的
工频电源不能满足负载的需要,就需要用交-直-交变频电路进行电能交换。
如感应加热需要较高频率的电源;
交流电动机为了获得良好的调速特性需要频率可变的电源。
第二章SPWM的工作原理及算法分析
2.1正弦脉宽调制(SPWM)原理
为了使变压变频器输出交流电压的波形近似为正弦波,使电动机的输出转矩平稳,从而获得优秀的工作性能,现代通用变压变频器中的逆变器都是由全控型电力电子开关器件构成,采用脉宽调制(pulsewidthmodulation,简称PWM)控制的,只有在全控器件尚未能及的特大容量时才采用晶闸管变频器。
应用最早而且作为PWM控制基础的是正弦脉宽调制(sinusoidalpulsewidthmodulation,简称SPWM)。
一个连续函数是可以用无限多个离散函数逼近或替代的,因而可以设想用多个不同幅值的矩形脉冲波来替代正弦波,如图3.1所示。
图中,在一个正弦半波上分割出多个等宽不等幅的波形(假设分出的波形数目n=12),如果每
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