单相正弦波变频电源设计报告.docx
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单相正弦波变频电源设计报告
单相正弦波变频电源设计报告
作者:
徐晓超高莹张晖(长春理工大学)
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摘要
本单相正弦波变频电源,通过整流滤波、逆变和单片机软件程序及其相应的控制电路采用脉宽调制电压的方法很好的实现了任务要求,即通过全桥整流滤波电路将整流过的信号,经过脉宽调制、高频滤波后转变成输出电压有效值为15V~36V可调、最大负载电流有效值为1A的单相正弦信号,其频率在20Hz~100Hz范围内可调。
当输入电压为198V~242V,负载电流有效值为0.5~1A时,误差的绝对值小于5%,同时还具有过流保护功能,保护时自动切断输入交流电源。
完全满足了题目的要求。
本设计在很好的满足基本要求的基础上,还设计了硬件电路及相应软件程序来实现对单相正弦波变频电源的输出电压、电流、频率和功率的的测量功能。
整个装置具有输出稳定、误差小、失真度小等优点。
图1-1总体原理框图
一、方案设计与论证
1、隔离变压器
隔离变压器是整个装置是入口,将220V民用交流电源转换成有效值为50V交流电源,传送给整流电路。
2、整流方案
实现交直流转换,入口为220V民用交流电,出口电压稳定在50V左右。
通过整流,将前极输送来的有效值为50V交流电信号,转变为45V左右的直流电信号,提供给逆变电路使用。
本设计采用一个Ⅱ型整流电路,将50V的交流电整流并经过电阻分压测得电压;经过二极管分流测得电流,从而得到输出功率。
、33逆变方案
逆变电路是整体电路设计中最核心的部分,其中包含着一大亮点设计。
将直流信号转变为单相正弦信号的方法很多,我们这里选择用脉宽调制电压的方法巧妙的实现了这一转变,即通过改变脉冲的宽窄来改变电压的幅度。
(1)、脉冲的输出
脉冲输出的宽度随着时间按照正弦波的幅值规律变化;脉冲个数随着时间与正弦波的频率成反比;一路脉冲串只在正弦周期的正半周内发出,在另半个周期内维持低电平;另一路脉冲串只在正弦周期的负半周发出,在另半个周期内维持电平。
保证了四支功率管正负半周轮流导通。
根据要求不使用产生SPWM(正弦波脉宽调制)波形的专用芯片,我们采用了单片机实现上述功能是该设计中的一大难点,同时也是本设计中的一大亮点。
本方案利用一片“从CPU”很好的实现了上述功能,根据“主CPU”传来的频率信息改变脉冲输出的频率,并且是两路信号同时输出。
在设计过程中,我们为克服51系列单片机高速运行时速度跟不上的缺点,尝试了各种办法,经过反复的调试、研究与论证,最终设计出了最优程序,成功的做出了理想的波形,满足了技术要求。
(2)、具体调制过程
用脉冲信号调制电压是通过用一路脉冲信号控制一个大功率场效应管的栅极,使之产生相应的通或断的状态来间接实现的。
根据电路的巧妙设计,这种通或断的状态便可使负载产生交变电流,最后经过滤波电路便产生了符合要求的频率的正弦信号。
这就是调制过程的基本原理。
具体实现过程可参考逆变电路部分的图
4、控制系统设计
控制系统部分是由“主CPU”来完成工作的,其功能模块主要包括用于人机对话功能的键盘与显示模块;用于实现过流保护、负载缺相保护及负载不对称保护的电路保护模块;用于实现软件测频并时时显示功能的测频模块;以及用于向“从CPU”发送数据的串行通信模块。
键盘与显示模块功能是:
由键盘输入频率数据并显示,然后由串行通信模块将频率信息传送给“从CPU”,以达到频率可调功能;电路保护模块功能是:
将取样电路中检测到的电压输出信号经过A/D转换后传送给“主CPU”,并由“主CPU”实现保护功能的子程序判断是否超过额定值,从而判断是否做断电保护操作;测频模块功能是:
取输出电压信号经过单稳电路形成与输出电压频率相同的方波信号,然后由“主CPU”中的测频子程序对其进行测量并加以显示。
该测频过程与电路保护模块的监测处理过程可并行实现。
由此可知,控制系统的控制过程是,第一步由键盘输入频率数据,同时由八路LED管显示出来,然后将键入的频率信息传送给CPU,实现频率可调。
这一过程由键盘与显示模块和串行通信模块来完成。
第二步监测输出电压信号和测量输出电压信号频率,实现电路保护和频率测量。
这一过程由电路保护功能模块和测频模块来实现。
二、各部分电路设计与实现
1、变压、整流电路
本设计采用全波整流的变形电路——桥式整流电路。
达到平衡后,v2正峰值附近,D1、D3管导通,D2、D4管截止,v2通过D1、D3向CL充电。
V2负峰值附近,D2、D4管导通,D1、D3管截止,如图1-2所示,v2通过D2、D4管再次向CL充电。
因此,桥式整流电路中的V0和I0与全波整流电路相同。
不过,由于两个串接二极管同时截止,截止时的反峰电压由两只二极管共同承担,因而降低了二极管对耐压的要求。
同时,通过变压器次级绕组的电流i2是极性正、负交替的脉冲电流。
2、逆变电路
如图所示:
四个大功率场效应管Q1~Q4的栅极对应的引脚1~4分别是由“从CPU”提供的四路脉冲信号,其中Q1和Q3,Q2和Q4分别不能同时导通,Q1Q2,Q3Q4分别不能同时导通。
Q1Q4导通时输出正弦信号的正半周,Q2Q3导通时输出正弦信号的负半周,从而将直流电压转换成交流电压。
变压器的输出端为保护电路的采样端,将采样到的交流电压经过整流、比较后送入ADC0809转换成数字量,再送入“主CPU”进行处理。
3、控制电路原理
下图为“主、从CPU”控制电路的原理框图,由图可明显看出控制电路中,四种功能模块的实现过程。
即第一步由键盘输入频率数据,同时由八路LED管显示出来,然后将键入的频率信息传送给“从CPU”,实现频率可调。
这一过程由键盘与显示模块和串行通信模块来完成。
第二步监测输出电压信号和测量输出电压信号频率,实现电路保护和频率测量。
这一过程由电路保护功能模块和测频模块来实现。
上图是为“从CPU”P1口作驱动的电路,它可用来驱动大功率场效应管工作。
控制电路框图
三、结束语
本设计电路结构简单,容易实现,而把复杂不易实现的操作用软件来实现。
这就大大减少了硬件的开销,同时使整个装置更加智能化。
从对装置的调试结果上看,本装置能够很好的满足了题目要求。
在此基础上,我们又增加了相当多的发挥部分,如时时测量并显示电压输出频率、减小失真度、电压有效值的保持等一些实用功能,从而最大限度的增加了装置的性能。
四、参考文献
全国大学生电子设计竞赛组委会《全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编》第一界~第五界北京理工大学出版社
张毅刚彭喜元《新编MCS-51单片机应用设计》哈尔滨工业大学出版社
华成英童诗白《模拟电子技术基础》高等教育出版社第三版
吴守箴臧英杰《电气传动的脉宽调制技术》机械工业出版社第一版
王兆安黄俊《电力电子技术》机械工业出版社第四版
彭鸿才《电机原理及拖动》机械工业出版社第一版
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三相正弦波变频电源设计报告
作者:
孟庆旭孙涛贾德生
指导教师:
张洪臣赵秋娣李桂英
作者单位:
长春理工大学
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- 单相 正弦波 变频 电源 设计 报告