單相正弦波變頻電源

1、（D題）單相正弦波變頻電源摘 要本設(shè)計(jì)電路使用NE5532組成一個(gè)文氏電橋振蕩器，它的特點(diǎn)是起振容易，波形失真很小，頻率也很穩(wěn)定，其震蕩頻率由電阻電容決定，當(dāng)電容選定為標(biāo)準(zhǔn)的的104時(shí)，電阻為31.8K時(shí)頻率剛好為50HZ左右。用一個(gè)可調(diào)電位器作為反饋調(diào)節(jié)電位器，可以調(diào)節(jié)振蕩器輸出的正弦波的幅度，從振蕩器出來(lái)的正弦波分成4路，2路進(jìn)入由2個(gè)NE5532組成的精密整流電路變成饅頭波；2路進(jìn)入由兩個(gè)NE5532組成的同步波發(fā)生電路變成方波。本設(shè)計(jì)的載波振蕩器的核心是一塊NE555時(shí)基電路.它實(shí)際上是一個(gè)高線性度的三角波發(fā)生器, 三角波頻率由電阻電容決定，當(dāng)三角波的頻率約為20K,能滿足SPWM調(diào)制

2、電路的要求.為確保三角波的線性度,由三極管為電容充放電回路組成恒流源.三角波信號(hào)經(jīng)三極管的射極輸出,分別送到SPWM調(diào)制器的同相端和反相端.調(diào)制電路實(shí)際上是為電壓比較器,它把20K的三角波信號(hào)和100HZ的饅頭波信號(hào)進(jìn)行比較,在兩個(gè)運(yùn)放的輸出端分別輸出二路極性相反的SPWM信號(hào)。關(guān)鍵詞：SPWM波 文氏電橋 H橋目 錄摘要.2目錄.31 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求.4 1.1設(shè)計(jì)任務(wù).4 1.2設(shè)計(jì)要求.42 方法比較與論證.4 2.1方案設(shè)計(jì).4 2.2方案論證.4 2.3方案對(duì)比.43 硬件設(shè)計(jì).5 3.1 文氏電橋振蕩器.5 3.2精密整流電路、加法電路.5 3.3 SPWM波發(fā)生器、同步波發(fā)生電路

3、6 3.4時(shí)序電路.7 3.5 H橋逆變電路.73.6過(guò)流保護(hù)電路 .83.7電源電路.84 系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試.9 4.1信號(hào)板電路的調(diào)試.9 4.2接上H橋聯(lián)調(diào).9 5 設(shè)計(jì)總結(jié).101、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)單相正弦波變頻電源，其原理框圖如圖1所示。變壓器輸入電壓U1=220V，變頻電源輸出交流電壓UO為36V，額定負(fù)載電流IO為2A，負(fù)載為電阻性負(fù)載。圖1 單相正弦波變頻電源原理框圖1.2設(shè)計(jì)要求（1） 輸出頻率范圍為20Hz100Hz，UO=360.1V的單相正弦波交流電。（2） 輸出頻率fO=500.5Hz，電流IO=20.1A時(shí)，使輸出電壓UO=360.1V。（3

4、） 負(fù)載電流IO在0.22A范圍變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI0.5%。）（4） 負(fù)載電流IO=2A，U1在198V242V范圍變化時(shí)，電壓調(diào)整率SU0.5%。（5） 具有過(guò)流保護(hù)，動(dòng)作電流IO(th)=2.50.1A，保護(hù)時(shí)自動(dòng)切斷輸入交流電源。（6） IO=2A，UO=36V時(shí)，輸出正弦波電壓的THD2%。（7） IO=2A，UO=36V時(shí)，變頻電源的效率達(dá)到90%。）（8） 其他。2、方法比較與論證2.1方案設(shè)計(jì)方案1：使用單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波并進(jìn)行控制方案2：采用純硬件電路產(chǎn)生SPWM波并進(jìn)行控制2.2方案論證方案一，通過(guò)初步嘗試使用單片機(jī)產(chǎn)生SPWM波，雖然最后實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫秸也?，但是波形?/p>

5、不是很完美，加上自身對(duì)單片機(jī)領(lǐng)域不是相當(dāng)了解，很難調(diào)節(jié)出完美的SPWM波，那么就很難完成題目所需的要求。方案二，純硬件電路在焊接電路上比較復(fù)雜，但是調(diào)節(jié)出來(lái)的SPWM波形比較完美，波形失真也挺小，且容易調(diào)節(jié)，對(duì)于題目的要求相對(duì)來(lái)說(shuō)也易于滿足。2.3方案對(duì)比綜上所述，方案二是本次比賽的最佳選擇，就選用方案二來(lái)完成本次比賽所出題目。3、硬件設(shè)計(jì) 3.1、文氏電橋振蕩器電路中的U1B組成一個(gè)文氏電橋振蕩器 ,它的特點(diǎn)是起振容易,波形失真很小,頻率也很穩(wěn)定，為了使輸出波形頻率可調(diào)，R1、R2采用雙聯(lián)電位器。U1A是一級(jí)隔離放大器,其電壓增益為2倍,也可以接成跟隨器的形式,因?yàn)槲铱紤]到5532在做跟隨器

6、時(shí)是否會(huì)不穩(wěn)定,所以給它一定的增益,它的主要作用是隔離振蕩電路和輸出4路負(fù)載. 3.2、精密整流電路、加法電路 U3B為穩(wěn)壓放大器:從精密整流電路出來(lái)的饅頭波進(jìn)入U(xiǎn)3B的同相端,從H橋取樣變壓器次級(jí)出來(lái)的饅頭波(也經(jīng)整流,不能濾波)進(jìn)入U(xiǎn)3B的反相端,用來(lái)控制該運(yùn)放的輸出電壓,起到穩(wěn)壓作用. U3A為加法電路:從U3B出來(lái)的饅頭波進(jìn)入U(xiǎn)3A的同相端,同時(shí)U3A的同相端也接在一個(gè)直流電位上,把PP值為4V的饅頭波,墊高2.5V.這個(gè)經(jīng)墊高的饅頭波就可以送到SPWM調(diào)制電路中,做為SPWM的基波信號(hào).3.3、SPWM波發(fā)生器、同步波發(fā)生電路本電路的載波振蕩器的核心是一塊NE555時(shí)基電路U4.它實(shí)

7、際上是一個(gè)高線性度的三角波發(fā)生器,三角波頻率由R29,R30及C7決定,如圖中所標(biāo)的數(shù)值R29,R30為470R,C7為822,這時(shí),三角波的頻率約為20K,能滿足SPWM調(diào)制電路的要求.為確保三角波的線性度,由Q1,Q2,Q3,Q4為電容充放電回路組成恒流源.三角波信號(hào)經(jīng)Q5的E極輸出,分別送到SPWM調(diào)制器U5A,U5B的同相端和反相端.這個(gè)調(diào)制電路實(shí)際上是一個(gè)電壓比較器,它把20K的三角波信號(hào)和100HZ的饅頭波信號(hào)進(jìn)行比較,在輸出端1腳和7腳分別輸出二路極性相反的SPWM信號(hào).U5可以用LM339或LM393,不能用速度較慢的普通運(yùn)放,如324,358等等. 另一塊5532即U6A,U

8、6B組成一個(gè)50HZ同步方波發(fā)生電路:從正弦波振蕩器過(guò)來(lái)的正弦波信號(hào)(約12VPP),經(jīng)二個(gè)電壓比較器U6A,U6B后,產(chǎn)生二路帶死區(qū)時(shí)間的低頻同步波,電路中R39,R14決定二路方波的死區(qū)時(shí)間.經(jīng)試驗(yàn),當(dāng)用5532時(shí),R39,R14取510R時(shí),死區(qū)時(shí)間大約為100US .U6A,U6B用358時(shí)死區(qū)時(shí)間為200US.3.4、時(shí)序電路本電路將SPWM發(fā)生器所產(chǎn)生的波形變換為驅(qū)動(dòng)H橋四個(gè)橋臂的波形，SPWM波經(jīng)74HC08與同步波發(fā)生電路相與產(chǎn)生兩路相同的驅(qū)動(dòng)波，兩路經(jīng)由或門與同步波發(fā)生電路相或，產(chǎn)生四路驅(qū)動(dòng)H橋臂SPWM波形?？紤]到上下橋臂導(dǎo)通時(shí)應(yīng)該存在合理的死區(qū)時(shí)間，SPWM發(fā)生器輸入到7

9、4LS08之間加入了阻容充放電回路。即R47、R40、C20，通過(guò)合理設(shè)置電阻電容的數(shù)值，可以達(dá)到死區(qū)延時(shí)1us的時(shí)間。3.5、H橋逆變電路經(jīng)由U2整流所得到的直流電壓輸入到H橋的VCC與GND端，Q1、Q2、Q3、Q4四個(gè)橋臂分別通以SPWM驅(qū)動(dòng)波。在輸出電壓Uo的正半周期時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)閉，Q3、Q4交替導(dǎo)通，在輸出電壓Uo的負(fù)半周時(shí)Q2導(dǎo)通，Q1斷開，Q3、Q4交替通斷，即可得到頻率一定的正弦波。濾波電路采用巴特沃斯型逆變電路，用于濾除輸出波形中高次諧波分量。3.6、過(guò)流保護(hù)電路流經(jīng)0.01歐的采樣電阻所得到的電壓，經(jīng)由LM358放大50倍后送入到OP07的同相輸入端，與反向輸入端的

10、電壓進(jìn)行比較，若電流大于設(shè)定值，則OP07輸出正向電壓驅(qū)動(dòng)8550、8050三極管實(shí)現(xiàn)自鎖，KM驅(qū)動(dòng)繼電器常閉觸點(diǎn)斷開切斷交流電源，恢復(fù)則切斷繼電器電源。3.7、電源電路運(yùn)放采用雙電源供電，時(shí)序電路數(shù)字芯片采用5V供電，整個(gè)系統(tǒng)需用到正負(fù)12V及5V電源，采用7812、7912、7805。4、系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試4.1 信號(hào)板電路的調(diào)試:1.信號(hào)板通入正負(fù)12V及5V電源，測(cè)量電流均正常。 2.用示波器測(cè)S1點(diǎn),調(diào)節(jié)VR3,應(yīng)該看到正弦波,頻率在50HZ左右,調(diào)VR3使S1點(diǎn)的正弦波幅度在10Vpp,振蕩器就基本調(diào)好了. 3.用示波器測(cè)S2點(diǎn)波形,可以看到饅頭波,調(diào)VR1使饅頭波的幅度在6Vpp,一

11、般大于11V就會(huì)出現(xiàn)削頂,這樣,精密整流電路就調(diào)好了. 4.用示波器測(cè)S3點(diǎn)波形,也應(yīng)該是饅頭波,調(diào)VR4讓S3點(diǎn)的波形幅度在4Vpp,再調(diào)VR2使饅頭波的谷點(diǎn)離開直流底線2.5V,這樣,加法器電路就基本調(diào)好。4.2接上H橋聯(lián)調(diào):1.斷開反饋穩(wěn)壓調(diào)節(jié)的跳線帽,也就是,讓H橋處在開環(huán)狀態(tài). 2.把信號(hào)板J2和H橋連接好. 3.接上母線電源,為了安全起見，初次調(diào)試使用30V直流電，且限流保護(hù)設(shè)定為1A。 4.把示波器的探頭打在10:1檔,夾在H橋AC輸出的二個(gè)端子上,再接上一點(diǎn)負(fù)載,使用20/100W的電阻. 5.接通信號(hào)板電源,H橋應(yīng)該有正弦波輸出. 6.細(xì)調(diào)信號(hào)板上的VR2,讓正弦波上下二個(gè)半

12、波的過(guò)渡光滑自然,沒(méi)有階梯感;再調(diào)VR4,慢慢調(diào)大,正弦波會(huì)出現(xiàn)削頂,再稍回調(diào)一點(diǎn),讓正弦波頂部光滑自然,這樣整個(gè)系統(tǒng)就基本調(diào)試好了.5、設(shè)計(jì)總結(jié) 這次比賽的四天三夜，讓人緊張而激動(dòng)，看到測(cè)試結(jié)果失敗時(shí)情緒落寞，看到測(cè)試結(jié)果貌似有點(diǎn)接近時(shí)又讓人無(wú)比歡喜激動(dòng)，這就是電子設(shè)計(jì)的奇妙之處，時(shí)而讓人歡喜，時(shí)而讓人憂傷。也多謝了大學(xué)生設(shè)計(jì)競(jìng)賽給我們這個(gè)平臺(tái)讓我們進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作，共同努力奮斗，協(xié)作鉆研的機(jī)會(huì)。 在比賽時(shí)我們需要有塌實(shí)肯干，鍥而不舍的精神才能有機(jī)會(huì)走向成功。在這次比賽中，我們也遇到很多困難，剛開始確定了題目的時(shí)候，本來(lái)想著是用單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生SPWM波形，結(jié)果程序調(diào)制了很久但是得出來(lái)的波形就是不完美，這一步都不完美 ，后面的制作就更無(wú)法進(jìn)行下去了。本身就對(duì)單片機(jī)領(lǐng)域不是非常了解，沒(méi)辦法，只有換另一種思路了，采用純硬件電路產(chǎn)生SPWM波了。但是這個(gè)過(guò)程更艱難，首先硬件電路的焊接就很困難，然而焊接完成之后得出來(lái)的波形并不正確，這一檢查過(guò)程就很復(fù)雜。雖然困難重重，但是只要我們相互協(xié)作，相互鼓勵(lì)，不放棄，團(tuán)隊(duì)的力量是強(qiáng)大的，不懂的問(wèn)題就相互交流，相互探討，這樣問(wèn)題終會(huì)解決，而自身能力也會(huì)有所提高。