电源技术应用
基于
ＩＭ１４４００
的三相正弦波变频电源设计
基于
ＩＭ１４４００
的三相正弦波变频电源设计
周 严
，
邱晓筱
，
周 颖
（
武汉大学 电子信息学院
，
湖北 武汉
４３００７９
）
摘要
：
设计了一个
ＡＤ／ＤＣ／ＡＣ
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½ 。
关键词
：
逆变器
；
变频电源
；
脉½调制
； ＩＭ１４４００
中图分类号
： ＴＭ４６４， ＴＮ７７３
文献标识码
：
Ａ
文章编号
：
１００６－ ６９７７（２００８）０７－ ００３５－ ０３
Ｄ½½½½½ ½½ ½½½ ½½－ ½½½½½ ½½½½ ½½½½ ½½½ ½½½½½－ ½½ ½½½½½½½ ½½½½½ ½½½½½½ ½½½½½ ½½ ＩＭ１４４００
ＺＨＯＵ Ｙ½½
，
ＱＩＵ Ｘ½½½－ ½½½½
，
ＺＨＯＵ Ｙ½½½
（
Ｓ½½½½½ ½½ Ｅ½½½½½½½½½ Ｉ½½½½½½½½½½， Ｗ½½½½ Ｕ½½½½½½½½½， Ｗ½½½½ ４３００７９， Ｃ½½½½
）
Ａ½½½½ ½½½： Ａ½ ＡＣ－ ＤＣ－ ＡＣ ½½½½½½½½－ ½½½½½½½½½ ½½½½½ ½½½½½½ ½½½½½½ ½½½½½ ½½ ＩＭ１４４００ ½½ ½½½½½½½½ ½½ ½½½½ ½½½½½，½½½½½ ½½½½
ＦＰＧＡ ½½ ½½½½½½½ ½½½½．Ｔ½½ ½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½ ½½ ½½½½½½½½½½ ½½½½½ ½½½½½ ½½½½½½½½½½ （ＳＰＷＭ） ½½ ½½－
½½½½½ ½½ ½½½ ½½½ ½½½½½½ ½½ ½½½½½－ ½½½½½ ½½½½½½½½－ ½½½½½½½½½ ½½½½ ½½½½．Ｔ½½ ＲＭＳ ½½½½½½½ ½½ ３６Ｖ ½½½ ½½½ ½½½½½½½ ＲＭＳ ½½½－
½½½½ ½½ ½½ ½½ ３Ａ． Ｔ½½ ½½½½½½ ½½½½ ½½½½½½½½ ½½½ ½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½， ½½½½ ½½ ½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½ ＲＭＳ ½½½½½½½ ½½½ ½½½½½½½
½½½½½½½½½½½， ½½½ ½½½½ ½½½½½ ½½½½½½½½½½½．
Ｋ½½ ½½½ ½½： ½½½½½½½½； ½½½½½½½½ ½½½½½½½½½ ½½½½½ ½½½½½½； ＰＷＭ； ＩＭ１４４００
１
引言
由于我½市电频率固定为
５０ Ｈ½
，
因而对于一些要求 频
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
ＳＰ－
ＷＭ
脉冲 的 占 空比
，
实 现 线电 压 的 稳定 输 出 。 相电 压 的 取 样
过零 检 测生 成 脉 冲 。 系 统 采 用等 精 度 法实
信号经放大限幅 、
现变频电源系统频率的测量
，
根 据 测量 的 频 率值 和 用 户设 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½框图 。
率大于或小 于
５０ Ｈ½
的 应用 场 合
，
则必 须 设 计一 个 ½ 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 。
逆
控
该电源系统主要由整流 、 变 、 制回 路
３
部 分组 成 。 其 中
，
整 流 部 分 用 以 实 现
ＡＣ／ＤＣ
的 ½ 换
；
逆 变 部 分 用 以 实 现
ＤＣ／
ＡＣ
的½ 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½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
½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
图
１
系统总½框图
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
收稿日期
：
２００８－ ０５－ ０１
稿件编号
：
２００８０５００６
３
系统主要功½的实现
为实现方便
，
提高性½
，
采用集成逆变器模块
ＩＭ１４４００
设
３．１
逆变功½
½者简介
：
周 严
（
１９８６－
） ，
男
，
湖北随州人
，
曾参加全½电子设计大赛并荣获一等奖 。
－ ３５－
½外电子元器件 》
《
２００８
年第
７
期
计 。 在 相 应 的 三 相
ＳＰＭＷ
控 制 下
，
输 出 三 相 交 流 信 号 。
步调制½½波频率也过高
，
这将½开关器件的开关损耗增大 。
½½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 ½½ 波 时钟 频 率 不变
，
½ 调 制正 弦
波的频率发生变化时
，
½½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 ½ 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
２０½ Ｈ½
，
输出信号的频
１００
率较½ 。设计采用
ＩＭ１４４００
½为逆变电路
，
ＩＭ１４４００
的
ＰＷＭ
输入频率范围为
５ ½Ｈ½½ ＭＨ½
，
可以选择很高的½½波比 。
在
０．３
异步调制方式下
，
½½½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 ½ 很 小
，
频率固定为
２９．２ ½Ｈ½
。
ＩＭ１４４００
是
Ｃ½½½½½
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
晶½管
ＩＭ１４４００
的
Ｐ
、 端½加整流输出电压
，
经过光耦隔离 、
Ｎ
驱动后的
ＳＰＷＭ
控制信号输入到
ＩＭ１４４００
，
之后可在
Ｕ
、 、
ＶＷ
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½电
源是由
ＤＣ／ＤＣ
½换器
ＳＲ５Ｄ１５／５０
独立提供
；
而½换器的
＋５ Ｖ
供电从
ＦＰＧＡ
引出 。 该½换器两边的地是隔离的 。
ＰＷＭ
脉 冲 接 近 正 弦
波。
此设计的调制方式选择异步调制方式
，
½½波
４
理论分析与参数计算
在调制度
α
一定
，
在三相共用一个 ½½ 波 信
４．１ ＳＰＷＭ
逆变电源的谐波分析
［３½
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
½
±
½
＝½ω ½ω
６½＋１
!
１，
６½－
（１）
式 中
：
½
½
为 奇 数 时
，
½＝３（２½－ １）± ½＝１，２
……
；
１，
½
½
为 偶 数时
，
½＝
½＝６½＋１，½＝０，１，２
…
；
½＝６½－ １，½＝１，２
…。
由 式
（１）
可 知
，
输 出 线 电 压 频 谱 中 没 有 ½½ 波 频 率
ω
的 整
½
图
２ ＩＭ１４４００
电路连接图
数 倍 次 谐 波 分 量
，
谐 波 中 幅 值 较 高 的 谐 波 分 量 是
ω±
½
和
½
ω
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
［１½
，
½因 该 系 统是 以
ＦＰＧＡ
为 控制 核 心
，
可方 便 地 实现 。 把 正 弦波 波 ½ 表存 入 存 储器 中
，
同 时 利 用
加法器和减法器生成三角½½½波
，
再 通 过 数字 比 较 器产 生 所
需要的波½
［２½
。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 。
２ω
±
½
。
½
ω
从 上 述 分 析 可 知
，ＳＰＷＭ
波 ½ 中 所 含 的 谐 波 主 要 是 角 频
率为
ω
、
½
及其附近的谐波 。 由于采用了异步调制方式
，
故
½
２ω
最小 ½½ 波比
½＝ω／ω
½
½
＝１６８
，
所 以
ＰＷＭ
波½ 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
½½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
ω
周 围
，
提 高
ＳＰＷＭ
的
½
½½ 波 频 率
½
½
将 ½ 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½逆变 器的 输 出 电压 失 真 度很 ½ 。 ½ 是提
高
½
½
，
会 ½ 逆 变 器 中 功 率 开 关 管 的 开 关 频 率 提 高
，
这 将 大 大
图
３ ＰＷＭ
信号的产生原理图
增加逆变器的开关损耗 。
此外
，
½
½
提高还受到硬件的限制 。
通
常 情 况 下
ＩＭ１４４００
的 关 断 延 迟
Ｔ
½½½
＝０．９
μ
，
开 启 延 迟 时 间
½
３．３ ＳＰＷＭ
调制方式的选择
½½波比恒定的调制方式称为同步调制。同步调制时
Ｔ
½½
＝０．７３
μ
，
由于其关断延迟大于开启延迟
，
易造成同一 相 上
½
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½了死区 。
ＩＭ１４４００
的最小死区时间
½
½½½½
设为
３
μ
。
½
ＰＷＭ
脉冲在一个 周 期 内的 个 数 是恒 定 的
，
脉冲 的 相 ½也 是
固定的
，
将调制比设定为
３
的整数倍时
，
可以½输出波½严
格对称
，
从而有效降½信号的谐波分量 。½是
，
½逆变电路的
输出频率比较½时
，
同步调制½½波的频率也很½
，
过½时不
易滤除调制带来的谐波
，
½逆 变电 路 的 输出 频 率 很高 时
，
同
ＳＰＷＭ
脉冲 的 每一 个 开 关 脉 冲 之 前 ½ 要 加 一 个 至 少
３
μ
的
½
死 区 时 间
½
½½½½
，
½
ＩＭ１４４００
的 开 关 周 期
Ｔ
½
≥
３
μ
，
Ｔ
½
和 ½½ 波
½
－ ３６－
基于
ＩＭ１４４００
的三相正弦波变频电源设计
周 期
Ｔ
½
相 等
，
所 以
½
½
≤０．３３
ＭＨ½
。
ＩＭ１４４００
要 求 输 入 的 最 ½
死区和开
ＰＷＭ
脉冲频率
５ ½Ｈ½
，
所以
５ ½Ｈ½≤½
½
≤０．３３
ＭＨ½
。
关 时 延 是 限 制
½
½
提 高 的 最 主 要 因 素 。
½
½
越 大
，
Ｔ
½
越 短
，
½
½½½½
／Ｔ
½
就越大
，
逆变器的输出电压谐波分布也越复杂
［４½
。
综 上 因 素 考 虑
，
系 统 设 计 中 选 定
½
½
＝２９．２ ½Ｈ½
，
它 在
２０½
１００ Ｈ½
的频率范围内
，
其½½波比
２９２＜½＜１ ４６０
。
４．３ ＦＰＧＡ
内单相平均功率计算算法
平均功率公式
［５½
为
：
图
５
相电压实测波½
将其离散化处理后得
：
设计中
，
一个周期内电压和电流½采样
２５６
个点
，
则
５
系统½件设计
该系统½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、 压反馈控
电
制及缺相保护 、
过流保护 。
输出电压的稳定性相½重要 。
由于
输入电压的波动范围在额定值
９０½
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½电压½ 比 较
，
½ 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 。
图
６
线电压实测波½
图
有效值的最大误差小于
０．１ Ｖ
。
６
示出接入
Ｙ
型负½½
，
频率
取
６０ Ｈ½
，
线电压有效值应为
３６ Ｖ
时
，
线电压的实 测 波½
，
由
图
６
可 知
，
接 入
Ｙ
型 负 ½½ 后
，
½ 输 入 电 压
Ｕ
½½
＝±
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 ½½ 波 比 可 变 的
ＳＰＷＭ
信号
，
采 用 该信 号 控 制
ＩＭ１４４００
，
可 获 得 频率 在
２０½
３．０
１００ Ｈ½
范围任意可调
，
电流在
０．５½ Ａ
变化
，
电压有效值可
稳定在约
３６ Ｖ
的三相正弦波 。
参考文献
：
［１½
金 英
，
½再平
．
脉½调制控制方法研究
［
Ｊ
½
．
科技通报
，
２００５，
２１（１）
：
３０－ ３２．
［２½
朱晓琴
．
一种½变频范围的数字式变频电源
［
Ｊ
½
．
电气应用
．
２００５，２４（２）
：
１１６－ １１８．
［３½
陈 颖
，
张俊洪
．ＳＰＷＭ
逆变电源的谐波分析及抑制策略
［
Ｊ
½
．
图
４
程序流程图
船电技术
，
２００５
（
１
） ：
２８－ ３０．
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
［４½
金½亮
，
刘书明
． ＳＰＷＭ
在三相电机变频控制中的应用分
分析
［
Ｊ
½
．
西安电子科技大学学报
（
自然科学版
） ，
２００１
，
２８
（２）
：
２４９－ ２５３．
［５½
谢自美
．
电子线路综合设计
［
Ｍ
½
．
武汉
：
华中科技大学出版
社
，
２００６．
析 。 图
５
给 出 了 空 ½½ 下
，
交 流 输 入 电 压 为
２２０ Ｖ
时
，
上 电 压
Ｕ½
、 、 相 电压 实 测 波 ½ 。 由 图
５
可 知
，
空 ½½ 时 三 相 电 压
Ｕ½ Ｕ½
－ ３７－
京公网安备 11010802033920号
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