1引言
由于我國(guó)市電頻率固定為50 Hz，因而對(duì)于一些要求頻率大于或小于50 Hz的應(yīng)用場(chǎng)合,，則必須設(shè)計(jì)一個(gè)能改變頻" title="變頻">變頻率" target="_blank">變頻率的變頻電源" title="電源">電源" target="_blank">電源系統(tǒng),。目前最常用的是三相正弦波" title="正弦波">正弦波變頻電源。該電源系統(tǒng)主要由整流,、逆變,、控制回路3部分組成。其中，整流部分用以實(shí)現(xiàn)AC／DC的轉(zhuǎn)換,；逆變部分用以實(shí)現(xiàn)DC／AC的轉(zhuǎn)換,；而控制回路用以調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率和幅值。
2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
將市電通過隔離變壓器輸入到交流變頻電源系統(tǒng),，隔離變壓器的輸出經(jīng)過整流橋后,，產(chǎn)生全波整流信號(hào)。全波整流信號(hào)濾波生成與輸入交流電對(duì)應(yīng)的直流電,，從而實(shí)現(xiàn)AC／DC轉(zhuǎn)換,。該系統(tǒng)全波整流橋采用集成整流橋KBL406，三相逆變器模塊IM14400在89S52和FPGA產(chǎn)生的三相SPWM脈沖控制下產(chǎn)生三相交流電,。逆變器輸出的交流電頻率等于SPWM脈沖基波頻率,，通過控制FPGA的DDS模塊的正弦波頻率來調(diào)制正弦波頻率。SPWM脈沖基波頻率等于調(diào)制波頻率,，系統(tǒng)采用這種方法實(shí)現(xiàn)變頻,。將錳銅電阻分別串聯(lián)到三相交流電的相線，采集錳銅電阻上的電壓來測(cè)量該相交流電的電流,。測(cè)量相電壓采用電壓互感器降壓,，再通過AD637測(cè)量有效值。系統(tǒng)根據(jù)得到的各相交流電的有效值,，控制SPWM脈沖的占空比,，實(shí)現(xiàn)線電壓的穩(wěn)定輸出。相電壓的取樣信號(hào)經(jīng)放大限幅,、過零檢測(cè)生成脈沖,。系統(tǒng)采用等精度法實(shí)現(xiàn)變頻電源系統(tǒng)頻率的測(cè)量，根據(jù)測(cè)量的頻率值和用戶沒定頻率的差值,，控制DDS生成正弦波頻率,，從而穩(wěn)定變頻電源的頻率。圖1給出了系統(tǒng)總體框圖,。
3系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)
3.1逆變功能
為實(shí)現(xiàn)方便,，提高性能，采用集成逆變器模塊lM14400設(shè)計(jì),。在相應(yīng)的三相SPMW控制下,，輸出三相交流信號(hào)。IM14400是Cyntec公司的IPM系列器件的三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,，它包含三相橋式逆變電路及相關(guān)控制,、驅(qū)動(dòng)電路?？刂坪?jiǎn)單,，適合該系統(tǒng)應(yīng)用,。圖2示出IM14400電路接線圖。圖2中,，在IM14400的P,、N端施加整流輸出電壓，經(jīng)過光耦隔離,、晶體管驅(qū)動(dòng)后的SPWM控制信號(hào)輸入到IM14400,，之后可在U、V,、W端得到滿足幅值要求的SPWM信號(hào),。該信號(hào)經(jīng)濾波濾除高頻分量后，即可得到所需要的正弦信號(hào),。該器件的+15 V工作電源是由DC／DC轉(zhuǎn)換器SR5D15／50獨(dú)立提供,；而轉(zhuǎn)換器的+5 V供電從FPGA引出。該轉(zhuǎn)換器兩邊的地是隔離的,。
3.2PWM信號(hào)的產(chǎn)生方式
按照SPWM控制基本原理,，在三角波和正弦波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷。如果采用自然采樣法,，會(huì)增加硬件的復(fù)雜度,，但因該系統(tǒng)是以FPGA為控制核心，可方便地實(shí)現(xiàn),。把正弦波波形表存人存儲(chǔ)器中,，同時(shí)利用加法器和減法器生成三角形載波，再通過數(shù)字比較器產(chǎn)生所需要的波形,。該方案具有可靠性高，可重復(fù)編程,，響應(yīng)快,，精度高等特點(diǎn)，其原理如圖3所示,。
3.3 SPWM調(diào)制方式的選擇
載波比恒定的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制,。同步調(diào)制時(shí)PWM脈沖在一個(gè)周期內(nèi)的個(gè)數(shù)是恒定的，脈沖的相位也是固定的,，將調(diào)制比設(shè)定為3的整數(shù)倍時(shí),，可以使輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱，從而有效降低信號(hào)的諧波分量,。但是,，當(dāng)逆變電路的輸出頻率比較低時(shí)，同步調(diào)制載波的頻率也很低,，過低時(shí)不易濾除調(diào)制帶來的諧波,，當(dāng)逆變電路的輸出頻率很高時(shí),，同步調(diào)制載波頻率也過高，這將使開關(guān)器件的開關(guān)損耗增大,。
載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)頻率不保持同步的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制,。異步調(diào)制時(shí)保持載波時(shí)鐘頻率不變，當(dāng)調(diào)制正弦波的頻率發(fā)生變化時(shí),，載波比跟隨變化,，在調(diào)制波的一個(gè)周期內(nèi)PWM脈沖的個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定,。正負(fù)半周期脈沖不對(duì)稱,，半周期內(nèi)前后周期的脈沖不對(duì)稱，造成信號(hào)的諧波分量較豐富,，給后級(jí)濾波電路造成困難,。
該系統(tǒng)的逆變器輸出頻率在20～100 Hz，輸出信號(hào)的頻率較低,。設(shè)計(jì)采用IM14400作為逆變電路,，IM14400的PWM輸入頻率范圍為5 kHz～0.3 MHz，可以選擇很高的載波比,。在異步調(diào)制方式下,，當(dāng)載波比很大時(shí)，正負(fù)半周期脈沖不對(duì)稱和半周期內(nèi)前后周期的脈沖不對(duì)稱造成的諧波分量都很小,，PWM脈沖接近正弦波,。此設(shè)計(jì)的調(diào)制方式選擇異步調(diào)制方式，載波頻率固定為29.2 kHz,。
4理論分析與參數(shù)計(jì)算
4.1 SPWM逆變電源的諧波分析
在調(diào)制度α一定,，在三相共用一個(gè)載波信號(hào)的情況下，對(duì)輸出線電壓進(jìn)行頻譜分析,，由此可發(fā)現(xiàn),，輸出線電壓的諧波角頻率為：
由式(1)可知，輸出線電壓頻譜中沒有載波頻率ωc的整數(shù)倍次諧波分量,，諧波中幅值較高的諧波分量是ωc±ωr和2ωc±ωr,。
從上述分析可知，SPWM波形中所含的諧波主要是角頻率為ωc,、2ωc及其附近的諧波,。由于采用了異步調(diào)制方式，故最小載波比k=ωc／ωr=168,，所以PWM波形中所含主要諧波分量的頻率比基波分量的頻率高很多,，諧波分量易被濾出。
4.2載波頻率的選擇
由SPWM逆變電源的諧波分量分析可知,，SPWM電壓源逆變器輸出線電壓諧波分量分布在ωc周圍,，提高SPWM的載波頻率fc將使逆變器輸出線電壓的主要諧波分量分布在較高的頻段,，從而使逆變器的輸出電壓失真度很低。但是提高fc,，會(huì)使逆變器中功率開關(guān)管的開關(guān)頻率提高,，這將大大增加逆變器的開關(guān)損耗。此外,，fc提高還受到硬件的限制,。通常情況下IM14400的關(guān)斷延遲Toff=0.9μs，開啟延遲時(shí)間Ton=0.73μs,，由于其關(guān)斷延遲大于開啟延遲,，易造成同一相上下兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。實(shí)際電路中由于硬件的時(shí)延,，SPWM采樣時(shí)刻的誤差,，以及為了防止同一相上下兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通而設(shè)置了死區(qū)。IM14400的最小死區(qū)時(shí)間tdead設(shè)為3 μs,。SPWM脈沖的每一個(gè)開關(guān)脈沖之前都要加一個(gè)至少3μs的死區(qū)時(shí)間tdead,，當(dāng)IM14400的開關(guān)周期Tg≥3 μs，Tg和載波周期Te相等,，所以fc≤0.33 MHz,。IM14400要求輸入的最低PWM脈沖頻率5 kHz，所以5 kHz≤fc≤0.33 MHz,。死區(qū)和開關(guān)時(shí)延是限制fc提高的最主要因素,。fc越大，Tg越短,，tdead／Tg就越大,，逆變器的輸出電壓諧波分布也越復(fù)雜。
綜上因素考慮,，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選定fc=29.2 kHz,，它在20～100 Hz的頻率范圍內(nèi)，其載波比292
4.3 FPGA內(nèi)單相平均功率計(jì)算算法
5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件主要分為人機(jī)交互和反饋控制兩部分。前者主要包括鍵盤和電壓,、電流,、頻率的測(cè)量值顯示；后者主要確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,，分為頻率反饋控制,、電壓反饋控制及缺相保護(hù)、過流保護(hù),。輸出電壓的穩(wěn)定性相當(dāng)重要,。由于輸入電壓的波動(dòng)范圍在額定值90～110％之間,，因此要求輸出電壓穩(wěn)定在36 V，誤差絕對(duì)值小于1％,。程序采用定時(shí)檢測(cè)線電壓的大小并與預(yù)置電壓作比較,，當(dāng)測(cè)得的線電壓比給定電壓小時(shí)，則調(diào)節(jié)SPWM的調(diào)制比N,，提高輸出電壓,。反之亦然。圖4給出程序流程圖,。
6測(cè)試結(jié)果
對(duì)基于AM14400的三相正弦波變頻電源進(jìn)行了測(cè)試分析,。圖5給出了空載下，交流輸入電壓為220 V時(shí),，上電壓UU,、UV、UW相電壓實(shí)測(cè)波形,。由圖5可知,，空載時(shí)三相電壓有效值的最大誤差小于0.1 V。圖6示出接入Y型負(fù)載,，頻率取60 Hz,，線電壓有效值應(yīng)為36 V時(shí)，線電壓的實(shí)測(cè)波形,，由圖6可知,，接入Y型負(fù)載后，當(dāng)輸入電壓Uin=±10％V時(shí),，線電壓實(shí)測(cè)值與預(yù)量值的誤差可以控制在1％以內(nèi),。
7結(jié)語
該系統(tǒng)充分利用FPGA編程方便，產(chǎn)生載波比可變的SPWM信號(hào),，采用該信號(hào)控制IM14400,，可獲得頻率在20～100 Hz范圍任意可調(diào)．電流在0.5～3.0 A變化，電壓有效值可穩(wěn)定在約36 V的三相正弦波,。