摘要：本设计了一个交流—直流—交流 变频电源系统。该系统利用集成逆变器件 IM14400,并以 FPGA 为控制核心, 采用 SPWM变频控制技术, 实现了三相正弦波变频输出。其输出线电压有效值为 36 V, 最大输出电流有效值达 3 A。此外，系统还具有频率测量、电流和电压有效值测量及平均功率测量等功能。变频技术在电源中的应用，极大地减小了电源装置的体积，提高了效率，产生了巨大的经济效益，所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将5OHz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交―交变频)，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中;间接变频(又称交—直—交变频)，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅、等宽和SPWM变频。常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。逆变技术，是指整流技术的逆向变换方式。
关键词：逆变器; 变频电源; 脉宽调制 ; IM14400;FPGA1 引言
1.1 选题的提出
由于我国市电频率固定为 50 Hz, 因而对于一些要求频率大于或小于 50 Hz 的应用场合, 则必须设计一个能改变频率的变频电源系统。目前最常用的是三相正弦波变频电源。该电源系统主要由整流、逆变、控制回路 3 部分组成。其中,整流部分用以实现 AC/DC 的转换; 逆变部分用以实现 DC/AC的转换; 而控制回路用以调节电源系统输出信号的频率和幅值。
1.2 变频技术的介绍
变频技术是电力电子技术的主要组成部分，它主要用于需要交流电源的电压、频率可调(或恒压、恒频)的用电设备，如交流电机、中频电源及各种专用电源的中间环节等。这一技术的产生和发展为交流调速开拓了广阔的天地。国外交流调速在电气传动行业已占绝对优势，虽然国内直流调速还在大量使用，但近年来凡新建的电气传动系统均采用交流调速，其发展势头是迅速的。变频技术在供电电源方面的应用主要是:
（1)将过去用发电机、变压器产生交流电的地方用变频电源取代;
（2）将计算机、电焊机、电子装置等用直流电源的地方改为以变频技术为核心的开关电源。在现有的正弦波输出变压变频电源产品中，为了得到SPWM波，一般都采用双极性调制技术。该调制方法的最大缺点是它的4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，从而产生了较大的开关损耗，开关频率越高，损耗越大。本文针对正弦波输出变压变频电源SPWM调制方式及数字化控制策略进行了研究，以TMS320F240数字信号处理器为主控芯片，以期得到一种较理想的调制方法，实现逆变电源变压、变频输出。
变频技术在电源中的应用，极大地减小了电源装置的体积，提高了效率，产生了巨大的经济效益，所谓变频就是利用电力电子器件(如功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT)将5OHz的市电变换为用户所要求的交流电或其他电源。它分为直接变频(又称交―交变频)，即把市电直接变成比它频率低的交流电，大量用在大功率的交流调速中;间接变频(又称交—直—交变频)，即先将市电整流成直流，再变换为要求频率的交流。它又分为谐振变频和方波变频。前者主要用于中频加热，方波变频又分为等幅、等宽和SPWM变频。
常用的方法有正弦波(调制波)与三角波(载波)比较的SPWM法、磁场跟踪式SPWM法和等面积SPWM法等。逆变技术，是指整流技术的逆向变换方式。其作用是通过电力电子器件(例如SCR, GTR, IGBT和功率MOSFET模块等)的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换技术。它的主要用途是用于交流传动，静止变频和UPS电源等设备的研制与应用。逆变器的负载多半是感性负载。为了提高逆变效率，存储在负载电感中的无功能量应当能反馈回电源。逆变器的原理早在1931年就在文献中提到过。1948年，美国西屋(Westinghouse)电气公司采用汞弧整流器制成了3000Hz的感应加热用逆变器。
近年来，随着新型的电力电子元件的不断产生与发展，新的控制技术的出现，逆变技术也得到了飞速发展。1964年，由A. Schonung和H. Stemmler提出的把通信系统调制技术应用到逆变技术中的正弦波脉宽调制技术(Sinusoida-PWM，简称SPWM)，由于当时开关器件的速度慢而未得到推广)。直到1975年才由Bristol大学的S. R. Bowes等把SPWM技术正式应用到逆变技术中，使得逆变器的性能大大提高，并得到广泛的应用和发展，也使正弦波逆变技术达到了一个新高度。此后，各种不同的PWM技木相继出现，在实际应用中，很多部件内部都有自己的积分器，比如电机本身就是非常理想的低通滤波器，PWM信号的一个很重要的用途就是数字电机控制。在电机控制系统中，PWM信号控制功率开关器件的导通和关闭，功率器件为电机的绕组提供期望的电流和能量。相电流的频率和能量可以控制电机的转速和转矩，这样提供给电机的控制电流和电压都是调制信号，而且这个调制信号的频率比PWM载波频率要低。采用PWM控制方式可以为电机绕组提供良好的谐波电压和电流，避免因为环境变化产生的电磁扰动，并且能够显著提高系统的功率因数。未能够给电机提供具有足够驱动能力的正弦波控制信号，可以采用PWM输出信号经过NPN或PNP功率开关管实现。
例如注入三次谐波的PWM,空间向量调制(SVW)、随机PWM、电流滞环PWM等，成为高速器件逆变器的主导控制方式。至此，正弦波逆变技术的发展已经基本完善。常用逆变主电路的基本形式有两种分类方法:按照相数分类，可以分为单相和三相;按照直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器，逆变电路的应用非常广泛，其中用途最广的为恒压恒频电源和变压变频电源。
（1）恒压恒频电源
这是一种在负载或交直流电源在一定范围内波动时，能保持输出为恒定电压和恒定频率的交流正弦波的稳压和稳频电源装置，简称CVCF电源。这类电源的典型代表是不间断电源（UPS)。在计算机系统中使用UPS可以避免由于电源电压波动、频率漂移、瞬时干扰和电压突然中断等现象造成的损失。UPS的电压稳定性、频率稳定性、波形失真度和不间断性等都优于公共电网，所以它的应用十分广泛。（CVCF电源还包括航空机载电源和机车辅助电源等）
（2）调压调频电源
这是一种可获得所需要的电压、电流和频率的交流变压变频装置，简称VVVF变频电源。变频电源广泛用于交流电机的调速系统中。交流电机调速系统在许多领域内代替了传统的直流电机调速系统，这是电力电子技术领域的一个重大突破。随着电力电子技术的不断发展和新型电力半导体器件的产生，逆变电路的应用范围日益扩大。在电力拖动系统、电气传动、各种功率的焊机电源以及有源电力滤波器等方面广泛应用。
1.3研究意义
随着工业自动化和电力电子技术的高速发展，传统的体积大、笨重、效率低的变频电源已不能满足需求，现代变频电源以其低损耗、高效率、电路简洁和最佳的性能指标等显著受到青睐，并广泛应用与电气传动、计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器中。采用三相正弦波变频电源技术将使其损耗低，效率高，电路简洁。
1.4设计的对象
本设计了一个交流—直流—交流 变频电源系统。该系统利用集成逆变器件 IM14400,并以 FPGA 为控制核心, 采用 SPWM变频控制技术, 实现了三相正弦波变频输出。其输出线电压有效值为 36 V, 最大输出电流有效值达 3 A。此外，系统还具有频率测量、电流和电压有效值测量及平均功率测量等功能。
2 系统总体设计方案
将市电通过隔离变压器输入到交流变频电源系统, 隔离变压器的输出经过整流桥后, 产生全波整流信号。全波整流信号滤波生成与输入交流电对应的直流电, 从而实现 AC/DC转换。该系统全波整流桥采用集成整流桥KBL406, 三相逆变器模块 IM14400 在 FPGA 产生的三相 SPWM 脉冲控制下产生三相交流电。逆变器输出的交流电频率等于SPWM脉冲基波频率, 通过控制 FPGA 的 DDS 模块的正弦波频率来调制正弦波频率。SPWM脉冲基波频率等于调制波频率, 系统采用这种方法实现变频。图 1-1 给出了系统总体框图。
SPWM的概念 在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使 负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。SPWM脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔宽度是由正弦波(基准波或调制波)和等腰三角波(载波)的交点来决的。
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图 2.1系统总体框图
3 系统主要功能的实现
3.1系统主要功能的实现
为减小系统的体积，提高性能。此模块的电路设计采用芯片IPM IM14400，在相应三相SPWM控制下，输出三相交流信号。Cyntec公司IPM系列芯片为三相电机驱动芯片，芯片内包含三相桥式IGBT功率管及相关控制、驱动电路，控制比较简单，适合用于本系统。电路如图4-3所示。
在芯片的P、N端施加整流输出的支流电压，SPWM控制信号经过光耦隔离、三极管驱动后施加在图4-3的SPWM端，则在UVW端得到满足要求幅度的SPWM信号，该信号经过滤波滤除高频分量，即可得到所要求的正弦波信号。
芯片的+15V 工作电源独立供给。独立电源采用DC-DC转换器SR5D15/50实现。转换器的+5V供电从FPGA引脚引出。该转换器的输出是隔离。600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-9857.png" width="643" height="523" />图3.1三相桥式逆变电路
3.2 PWM 信号的产生方式
按照 SPWM 控制基本原理, 在三角波和正弦波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断。如果采用自然采样法,会增加硬件的复杂度, 但因该系统是以 FPGA 为控制核心,可方便地实现。 把正弦波波形表存入存储器中, 同时利用加法器和减法器生成三角形载波, 再通过数字比较器产生所需要的波形。该方案具有可靠性高,可重复编程, 响应快, 精度高等特点, 其原理如图 3.2 所示。
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图3.2 PWM信号的产生原理图
三角波产生电路,如图3.3所示为通用三角波产生电路，该电路中，运算放大器A1，A2是正负峰值检波积分器，C1为保持电容。该电路能适应很宽的测试范围，具有很好的线性和振幅稳定性。振荡频率取决于积分时间常数R3，C2，若VA=8V，这时的振荡频率为1KHZ。电容C1与C2的比值取20：1。。运算放大采用741。
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图3.3三角波产生电路
3.3 SPWM 调制方式的选择
载波比恒定的调制方式称为同步调制。同步调制时PWM脉冲在一个周期内的个数是恒定的, 脉冲的相位也是固定的, 将调制比设定为 3 的整数倍时, 可以使输出波形严格对称, 从而有效降低信号的谐波分量。但是,当逆变电路的输出频率比较低时, 同步调制载波的频率也很低, 过低时不易滤除调制带来的谐波, 当逆变电路的输出频率很高时, 同步调制载波频率也过高, 这将使开关器件的开关损耗增大。载波信号和调制信号频率不保持同步的调制方式称为异步调制。异步调制时保持载波时钟频率不变, 当调制正弦波的频率发生变化时, 载波比跟随变化, 在调制波的一个周期内 PWM 脉冲的个数不固定, 相位也不固定。正负半周期
脉冲不对称, 半周期内前后周期的脉冲不对称, 造成信号的谐波分量较丰富, 给后级滤波电路造成困难。
该系统的逆变器输出频率在 20～100 Hz, 输出信号的频率较低。设计采用 IM14400 作为逆变电路, IM14400的 PWM输入频率范围为 5 kHz～0.3 MHz, 可以选择很高的载波比。在异步调制方式下, 当载波比很大时, 正负半周期脉冲不对称和半周期内前后周期的脉冲不对称造成的谐波分量都很小, PWM 脉冲接近正弦波。此设计的调制方式选择异步调制方式, 载波频率固定为 29.2 kHz。
3.4FPGA控制模块
采用FPGA作为系统的总控制模块,其中的波形发生器控制电路通过外来控制信号和高速时钟信号，向波形数据ROM发出地址信号，输出波形的频率由发出的地址信号的速度决定；当以固定频率扫描输出地址时， 模拟输出波形是固定频率。同时，还控制数码管动态显示频率和幅度预置值。
4 理论分析与参数计算
4.1 SPWM 逆变电源的谐波分析
在调制度 α一定, 在三相共用一个载波信号的情况下, 对输出线电压进行频谱分析, 由此可发现, 输出线电压的谐波角频率为:ω=nωc±kωr (1)式中: 当 n 为奇数时, k=3(2m- 1)±1, m=1,2……;当 n 为偶数时, k= 6m+1 6m-1, k=6m+1,m=0,1,2… ;k=6m- 1,m=1,2…。
由式(1)可知, 输出线电压频谱中没有载波频率 ωc 的整数倍次谐波分量, 谐波中幅值较高的谐波分量是 ωc±ωr 和2ωc±ωr。
从上述分析可知,SPWM 波形中所含的谐波主要是角频率为 ωc、2ωc 及其附近的谐波。由于采用了异步调制方式, 故最小载波比 k=ωc/ωr=168, 所以 PWM波形中所含主要谐波分量的频率比基波分量的频率高很多,谐波分量易被滤出。
4.2 载波频率的选择
由 SPWM逆变电源的谐波分量分析可知,SPWM 电压源逆变器输出线电压谐波分量分布在 ωc 周围, 提高 SPWM的载波频率 fc 将使逆变器输出线电压的主要谐波分量分布在较高的频段, 从而使逆变器的输出电压失真度很低。但是提高 fc, 会使逆变器中功率开关管的开关频率提高, 这将大大增加逆变器的开关损耗。此外, fc 提高还受到硬件的限制。通常情况下 IM14400 的关断延迟 Toff=0.9 μs, 开启延迟时间Ton=0.73 μs, 由于其关断延迟大于开启延迟, 易造成同一相上下两个桥臂同时导通。实际电路中由于硬件的时延, SPWM采样时刻的误差, 以及为了防止同一相上下两个桥臂同时导通而设置了死区。IM14400 的最小死区时间 tdead 设为 3 μs。SPWM脉冲的每一个开关脉冲之前都要加一个至少 3 μs 的死区时间 tdead, 当 IM14400 的开关周期 Tg≥ 3 μs, Tg 和载波周期 Tc 相等, 所以 fc≤0.33 MHz。IM14400 要求输入的最低PWM脉冲频率 5 kHz, 所以 5 kHz≤fc≤0.33 MHz 。死区和开关时延是限制 fc 提高的最主要因素。fc 越大, Tg 越短, tdead/Tg就越大, 逆变器的输出电压谐波分布也越复杂。
综上因素考虑, 系统设计中选定 fc=29.2 kHz, 它在 20～100 Hz 的频率范围内, 其载波比 292<k<1460。
4.3 FPGA 内单相平均功率计算算法
平均功率公式[5]为:
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将其离散化处理后得:
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设计中, 一个周期内电压和电流都采样 256 个点, 则
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5. 应用程序设计部分
5.1 VHDL硬件描述语言简介
采用VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Descriptipon Language）超高速集成电路硬件描述语言设计复杂数字电路的方法具有很多优点，VHDL语言的设计技术齐全、方法灵活、支持广泛。
VHDL语言的系统硬件描述能力很强，具有多层次描述系统硬件功能的能力，可以从系统级到门级电路，而且高层次的行为描述可以与低层次的RTL描述混合使用。VHDL在描述数字系统时，可以使用前后一致的语义和语法跨越多层次，并且使用跨越多个级别的混合描述模拟该系统。因此，可以对高层次行为描述的子系统及低层次详细实现子系统所组成的系统进行模拟。
5.2 正弦波顶层设计程序
LIBRARY IEEE; --正弦信号发生器源文件
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY SINGT IS
PORT(CLK:IN STD_LOGIC; --信号源时钟
DOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)); --8位波形数据输出
END;
ARCHITECTURE DACC OF SINGT IS
COMPONENT data_rom --调用波形数据存储器LPM_ROM文件:data_rom.vhd声明
PORT(address:IN STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0); --6位地址信号
inclock:IN STD_LOGIC; --地址锁存时钟
q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0));
END COMPONENT;
SIGNAL Q1: STD_LOGIC_VECTOR(5 DOWNTO 0);--设定内部节点作为地址计数器
BEGIN
PROCESS(CLK)--LPM_ROM地址发生器进程
BEGIN
IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN
Q1<=Q1+1; --Q1作为地址发生器计数器
END IF;
END PROCESS;
u1:data_rom PORT MAP(address=>Q1,q=>DOUT,inclock=>CLK);--例化
END ;
6结论
6.1取得的成绩
本系统初步达到了基本要求，整个系统运行稳定，甚至能在三相电流都达到3安得情况下长时间工作。各项保护均能够精确动作，测试效果比较理想。系统还扩展了频率步进、手动紧急断电等功能，并将频率分辨度做到了0.01Hz但是测试失真度为4.8﹪—5﹪。
6.2存在的不足和今后的努力方向
输入电压为198—242伏，负载的电流有效值应为0.5—3安，输出电压有效值应保持在36伏，误差绝对值应小于1﹪.然而受隔离变压器提供的最大电压限制，大负载情况下超出了反馈所能调节的最大范围，输出电压出现了跌落，如果时间允许，可以通过采用更适合的滤波电感、电容，并且使用更精细的逐点控制算法，相信能使系统的带负载能力和波形都得到一定程度的改善。
参 考 文 献
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