基于IM14400的三相正弦波变频电源设计

1引言

　　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。

　　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89S52和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。将锰铜电阻分别串联到三相交流电的相线，采集锰铜电阻上的电压来测量该相交流电的电流。测量相电压采用电压互感器降压，再通过AD637测量有效值。系统根据得到的各相交流电的有效值，控制SPWM脉冲的占空比，实现线电压的稳定输出。相电压的取样信号经放大限幅、过零检测生成脉冲。系统采用等精度法实现变频电源系统频率的测量，根据测量的频率值和用户没定频率的差值，控制DDS生成正弦波频率，从而稳定变频电源的频率。图1给出了系统总体框图。

　　3系统主要功能的实现

　　3.1逆变功能

　　为实现方便，提高性能，采用集成逆变器模块lM14400设计。在相应的三相SPMW控制下，输出三相交流信号。IM14400是Cyntec公司的IPM系列器件的三相电机驱动器，它包含三相桥式逆变电路及相关控制、驱动电路。控制简单，适合该系统应用。图2示出IM14400电路接线图。图2中，在IM14400的P、N端施加整流输出电压，经过光耦隔离、晶体管驱动后的SPWM控制信号输入到IM14400，之后可在U、V、W端得到满足幅值要求的SPWM信号。该信号经滤波滤除高频分量后，即可得到所需要的正弦信号。该器件的+15 V工作电源是由DC／DC转换器SR5D15／50独立提供；而转换器的+5 V供电从FPGA引出。该转换器两边的地是隔离的。

　　3.2PWM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。把正弦波波形表存人存储器中，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所示。

　　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。

　　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：

　　

　　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=0.9μs，开启延迟时间Ton=0.73μs，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3μs的死区时间tdead，当IM14400的开关周期Tg≥3 μs，Tg和载波周期Te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

　　

　　5系统软件设计

该系统软件主要分为人机交互和反馈控制两部分。前者主要包括键盘和电压、电流、频率的测量值显示；后者主要确保系统的准确性和稳定性，分为频率反馈控制、电压反馈控制及缺相保护、过流保护。输出电压的稳定性相当重要。由于输入电压的波动范围在额定值90～110％之间，因此要求输出电压稳定在36 V，误差绝对值小于1％。程序采用定时检测线电压的大小并与预置电压作比较，当测得的线电压比给定电压小时，则调节SPWM的调制比N，提高输出电压。反之亦然。图4给出程序流程图。

　　6测试结果

　　对基于AM14400的三相正弦波变频电源进行了测试分析。图5给出了空载下，交流输入电压为220 V时，上电压UU、UV、UW相电压实测波形。由图5可知，空载时三相电压有效值的最大误差小于0.1 V。图6示出接入Y型负载，频率取60 Hz，线电压有效值应为36 V时，线电压的实测波形，由图6可知，接入Y型负载后，当输入电压Uin=±10％V时，线电压实测值与预量值的误差可以控制在1％以内。

　　7结语

　　该系统充分利用FPGA编程方便，产生载波比可变的SPWM信号，采用该信号控制IM14400，可获得频率在20～100 Hz范围任意可调．电流在0.5～3.0 A变化，电压有效值可稳定在约36 V的三相正弦波。