1kW两级式单相变频器的研制
目 录
1 绪论 1
1.1变频器的研究背景 1
1.2变频器的研究现状 2
1.2.1变频电路的拓扑研究现状 2
1.2.2电压型变频器拓扑电路 3
1.2.3 SPWM控制技术 4
1.3 本章总结 5
2 前级功率因数校正电路的设计 5
2.1 Boost电路基本原理 5
2.2 基于boost电路的PFC电路工作原理及电流控制方案 7
2.3 基于UC3854的PFC电路的参数设计 11
2.3.1 主电路设计 12
2.3.2 控制电路设计 14
2.4 本章小结 19
3 DC-AC后级逆变电路的设计 20
3.1 三相组合式全桥电路 20
3.2 主电路及驱动电路的设计 20
3.3 基于单片机的SPWM控制信号设计 24
3.3.1 单片机的基本介绍 24
3.3.2 SPWM方案的基本流程 25
3.3.3 基本函数配置与数据的确定 27
3.3.4 SPWM的软件仿真 29
3.4 本章小结 30
4 调试过程 30
4.1 基于UC3854因数校正功率的调试 30
4.2 逆变调试，波形加分析 31
4.3 整机带载调试 31
总 结 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
附 录 38
1 绪论
1.1变频器的研究背景
近年来随着电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
子技术的迅速发展，电力电子的发展也有了巨大的变革，交流传动调速也取得了很大的进步，它的性能、稳定性、都得到了很大的改善，交流电机的机械性能得到了很大的展示，电气传动的交流化得到了突破性的发展。
目前交流电机调速的方法有很多种，最常用的方法有：（1）改变交流电机定子极对数，但是改变电机的极对数难度比较大，需要从新组装电机；（2）交流电机转子串电阻调速，转子串电阻调速效率较低，调速局限性很大；（3）调节定子电压实现交流电机的调速控制，磁通容易饱和，效率较低；（4）变频调速，变频调速可以实现电压与频率成一定比例的改变，从而实现恒压频比，使交流电机磁通保持在设计值附近，实现高效的能量转换，是应用最多的交流调速方案。三相变频器成为交流电机变频调速的核心控制部件。
交流异步电动机在启动时，转差率接近1，启动电流大，电能转化为机械能效率低，定子磁通过饱和，大部分的电能转换为热能消耗在定子上，且启动电流大，启动瞬间转矩较大，对交流电机的机械部件冲击严重，有损交流电机的使用寿命。变频调速在交流电机启动时，由于做到恒压频比启动，电机的定子磁通一直不会饱和，转差率一直接近0，同时启动电流较小，电机启动转速慢，不会对电机机械部件造成冲击。从而保证交流电机的磁通控制在设计的范围之内，实现高效率的能量转换。
近年来随着各类用电设备的增加，交流电网中的感性负载数量和容量负载数量的不断增加，电网电压的谐波含量[1]越来越大。电流流过非线性负载时，会使电网局部电压发生抖动，从而使电网电压发生畸变。大量的谐波注入电网会造成电路故障，用电设备损坏，同时会使电力系统的功率因数大大降低，而且影响严重影响了周围的电磁环境[2]。
谐波带来的危害现在已被称为“谐波污染[3]。开关型变换器是目前产生谐波污染的主要污染源，如何消除谐波危害是一个有着长远意义的方向。针对于谐波污染解决方案有：（1）对电网实施谐波补偿，补偿谐波和无功功率[4]；（2）对大功率电子设备自身进行改善和优化，使设备不产生谐波或产生很小的谐波，同时提高有功功率的输出。相比之下，实施对电网的谐波补偿较为被动，困难大，不定性因素较多。解决谐波污问题的更直接方法是消除或降低大功率电子设备在运行过程中产生的谐波。变频器属于开关变换器的一种，为了尽量减少变频器产生的谐波对电网的污染，在变频器的前端需要进行功率因数校正。
1.2变频器的研究现状
1.2.1变频电路的拓扑研究现状
（1）如图1，交交变频器是利用双向晶闸管作为主要器件，利用晶闸管实现换流工作，工作稳定性好。交交变频器直接利用电网三相电源作为电源，控制环节少，效率高，不需要升压和后级滤波。但是交交变频器的输出频率较低，高次的谐波含量较多，适合于大功率应用场合。
（2）如图2，矩阵式变换器是利用9个开关直接控制与三相交流电，可以实现变频、变压的功能，能够工作在四象限，输出功率可控。但是矩阵式变换器控制起来难度较大，输出电压能力有限，功率器件承受电压较高，实现难度较大。
图1交交变频电路
图2矩阵变换器
（3）交直交变频器比较常见，也是本设计采用的方案。交直交变频器利用整流器件对交流电进行整流滤波，得到直流电作为母线电压，利用功率型器件MOSFET或IGBT构建三相半桥电路，SPWM技术将直流电转换为幅值和频率可控的交流电。交直交变频电路技术成熟，广泛的应用于各种功率场合，稳定性较好，可以实现交流电的恒压频比输出，是目前变频器采用最多的方案。
图3交直交变频电路
1.2.2电压型变频器拓扑电路
（1）半桥逆变电路：如图4所示半桥逆变电路，半桥电路利用两个电容串联，对母线电压进行分压，从而获得中点电压，通过两个全控型器件实现电压的正向导通和反向导通。半桥逆变电路简单，功率器件使用少，但是对母线电压的利用较低，而且需要保证两个电容两端电压一致。所以半桥适合于小功率电路。
图4 半桥逆变电路
（2）全桥逆变电路：如图5所示，全桥逆变电路是通过四个全控型器件两两交替工作实现电压的交错导通，即实现正弦波的双向导通，功率器件受到的电流应力为半桥电路的一半，可以实现电压的高效率的变换。对于不同的负载全桥逆变电路的拓展空间也很大，便于实现大功率输出，性能可靠稳定，且体积较小，适用场合广泛。本设计便是基于全桥拓扑的变频设计。
图5 单相全桥逆变电路
（3）带中间抽头变压器的逆变电路：电路通过功率器件正反向导通，使能量通过耦合变压器，在变压器二次侧得到相对应的电压，可以通过原副边匝数之比实现输出电压的改变，变压器的耦合输出可以降低谐波的含量，电路输出稳定可靠，但是变压器体积较大，成本较高，功率器件受到的电流应力较大。同时变压的的材质是固定的，难以实现变频。
图6带中间抽头变压器的逆变电路
1.2.3 SPWM控制技术
SPWM技术发展较早，但是真正得到全面的应用却较晚。目前的SPWM技术方案有多种，伴随着半导体器件的发展和理论的不断延续，技术较为成熟，在多种电气设备得到广泛的应用。SPWM的方法有：（1）自然采样法，自然采样法通过硬件输出想要输出的调制波与等腰三角波进行交接得到交点，并在交点输出相应的高低电平，从而实现输出具有调制波变化的图腾柱。（2）规则采样法[，规则采样法是利用三角波作为载波，载波与调制波进行交接，得到具有调制波型的阶梯波，阶梯波再与调制波比较，得到交接点，并在交接点控制输出的开通与关断，从而实现SPWM的输出。（3）软件生成法，软件生成法是利用软件技术输出SPWM波，软件通过各种算法对调制波进行计算和比较实现SPWM的输出。软件发较为灵活，修改简单，拓展空间较大。
1 绪论 1
1.1变频器的研究背景 1
1.2变频器的研究现状 2
1.2.1变频电路的拓扑研究现状 2
1.2.2电压型变频器拓扑电路 3
1.2.3 SPWM控制技术 4
1.3 本章总结 5
2 前级功率因数校正电路的设计 5
2.1 Boost电路基本原理 5
2.2 基于boost电路的PFC电路工作原理及电流控制方案 7
2.3 基于UC3854的PFC电路的参数设计 11
2.3.1 主电路设计 12
2.3.2 控制电路设计 14
2.4 本章小结 19
3 DC-AC后级逆变电路的设计 20
3.1 三相组合式全桥电路 20
3.2 主电路及驱动电路的设计 20
3.3 基于单片机的SPWM控制信号设计 24
3.3.1 单片机的基本介绍 24
3.3.2 SPWM方案的基本流程 25
3.3.3 基本函数配置与数据的确定 27
3.3.4 SPWM的软件仿真 29
3.4 本章小结 30
4 调试过程 30
4.1 基于UC3854因数校正功率的调试 30
4.2 逆变调试，波形加分析 31
4.3 整机带载调试 31
总 结 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
附 录 38
1 绪论
1.1变频器的研究背景
近年来随着电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
子技术的迅速发展，电力电子的发展也有了巨大的变革，交流传动调速也取得了很大的进步，它的性能、稳定性、都得到了很大的改善，交流电机的机械性能得到了很大的展示，电气传动的交流化得到了突破性的发展。
目前交流电机调速的方法有很多种，最常用的方法有：（1）改变交流电机定子极对数，但是改变电机的极对数难度比较大，需要从新组装电机；（2）交流电机转子串电阻调速，转子串电阻调速效率较低，调速局限性很大；（3）调节定子电压实现交流电机的调速控制，磁通容易饱和，效率较低；（4）变频调速，变频调速可以实现电压与频率成一定比例的改变，从而实现恒压频比，使交流电机磁通保持在设计值附近，实现高效的能量转换，是应用最多的交流调速方案。三相变频器成为交流电机变频调速的核心控制部件。
交流异步电动机在启动时，转差率接近1，启动电流大，电能转化为机械能效率低，定子磁通过饱和，大部分的电能转换为热能消耗在定子上，且启动电流大，启动瞬间转矩较大，对交流电机的机械部件冲击严重，有损交流电机的使用寿命。变频调速在交流电机启动时，由于做到恒压频比启动，电机的定子磁通一直不会饱和，转差率一直接近0，同时启动电流较小，电机启动转速慢，不会对电机机械部件造成冲击。从而保证交流电机的磁通控制在设计的范围之内，实现高效率的能量转换。
近年来随着各类用电设备的增加，交流电网中的感性负载数量和容量负载数量的不断增加，电网电压的谐波含量[1]越来越大。电流流过非线性负载时，会使电网局部电压发生抖动，从而使电网电压发生畸变。大量的谐波注入电网会造成电路故障，用电设备损坏，同时会使电力系统的功率因数大大降低，而且影响严重影响了周围的电磁环境[2]。
谐波带来的危害现在已被称为“谐波污染[3]。开关型变换器是目前产生谐波污染的主要污染源，如何消除谐波危害是一个有着长远意义的方向。针对于谐波污染解决方案有：（1）对电网实施谐波补偿，补偿谐波和无功功率[4]；（2）对大功率电子设备自身进行改善和优化，使设备不产生谐波或产生很小的谐波，同时提高有功功率的输出。相比之下，实施对电网的谐波补偿较为被动，困难大，不定性因素较多。解决谐波污问题的更直接方法是消除或降低大功率电子设备在运行过程中产生的谐波。变频器属于开关变换器的一种，为了尽量减少变频器产生的谐波对电网的污染，在变频器的前端需要进行功率因数校正。
1.2变频器的研究现状
1.2.1变频电路的拓扑研究现状
（1）如图1，交交变频器是利用双向晶闸管作为主要器件，利用晶闸管实现换流工作，工作稳定性好。交交变频器直接利用电网三相电源作为电源，控制环节少，效率高，不需要升压和后级滤波。但是交交变频器的输出频率较低，高次的谐波含量较多，适合于大功率应用场合。
（2）如图2，矩阵式变换器是利用9个开关直接控制与三相交流电，可以实现变频、变压的功能，能够工作在四象限，输出功率可控。但是矩阵式变换器控制起来难度较大，输出电压能力有限，功率器件承受电压较高，实现难度较大。
图1交交变频电路
图2矩阵变换器
（3）交直交变频器比较常见，也是本设计采用的方案。交直交变频器利用整流器件对交流电进行整流滤波，得到直流电作为母线电压，利用功率型器件MOSFET或IGBT构建三相半桥电路，SPWM技术将直流电转换为幅值和频率可控的交流电。交直交变频电路技术成熟，广泛的应用于各种功率场合，稳定性较好，可以实现交流电的恒压频比输出，是目前变频器采用最多的方案。
图3交直交变频电路
1.2.2电压型变频器拓扑电路
（1）半桥逆变电路：如图4所示半桥逆变电路，半桥电路利用两个电容串联，对母线电压进行分压，从而获得中点电压，通过两个全控型器件实现电压的正向导通和反向导通。半桥逆变电路简单，功率器件使用少，但是对母线电压的利用较低，而且需要保证两个电容两端电压一致。所以半桥适合于小功率电路。
图4 半桥逆变电路
（2）全桥逆变电路：如图5所示，全桥逆变电路是通过四个全控型器件两两交替工作实现电压的交错导通，即实现正弦波的双向导通，功率器件受到的电流应力为半桥电路的一半，可以实现电压的高效率的变换。对于不同的负载全桥逆变电路的拓展空间也很大，便于实现大功率输出，性能可靠稳定，且体积较小，适用场合广泛。本设计便是基于全桥拓扑的变频设计。
图5 单相全桥逆变电路
（3）带中间抽头变压器的逆变电路：电路通过功率器件正反向导通，使能量通过耦合变压器，在变压器二次侧得到相对应的电压，可以通过原副边匝数之比实现输出电压的改变，变压器的耦合输出可以降低谐波的含量，电路输出稳定可靠，但是变压器体积较大，成本较高，功率器件受到的电流应力较大。同时变压的的材质是固定的，难以实现变频。
图6带中间抽头变压器的逆变电路
1.2.3 SPWM控制技术
SPWM技术发展较早，但是真正得到全面的应用却较晚。目前的SPWM技术方案有多种，伴随着半导体器件的发展和理论的不断延续，技术较为成熟，在多种电气设备得到广泛的应用。SPWM的方法有：（1）自然采样法，自然采样法通过硬件输出想要输出的调制波与等腰三角波进行交接得到交点，并在交点输出相应的高低电平，从而实现输出具有调制波变化的图腾柱。（2）规则采样法[，规则采样法是利用三角波作为载波，载波与调制波进行交接，得到具有调制波型的阶梯波，阶梯波再与调制波比较，得到交接点，并在交接点控制输出的开通与关断，从而实现SPWM的输出。（3）软件生成法，软件生成法是利用软件技术输出SPWM波，软件通过各种算法对调制波进行计算和比较实现SPWM的输出。软件发较为灵活，修改简单，拓展空间较大。
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