单相正弦波变频电源

（D 题）单相正弦波变频电源

摘 要

本设计电路使用NE5532组成一个文氏电桥振荡器，它的特点是起振容易，波形失真很小，频率也很稳定，其震荡频率由电阻电容决定，当电容选定为标准的的104时，电阻为31.8K 时频率刚好为50HZ 左右。用一个可调电位器作为反馈调节电位器，可以调节振荡器输出的正弦波的幅度，从振荡器出来的正弦波分成4路，2路进入由2个NE5532组成的精密整流电路变成馒头波；2路进入由两个NE5532组成的同步波发生电路变成方波。

本设计的载波振荡器的核心是一块NE555时基电路. 它实际上是一个高线性度的三角波发生器, 三角波频率由电阻电容决定，当三角波的频率约为20K, 能满足SPWM 调制电路的要求. 为确保三角波的线性度, 由三极管为电容充放电回路组成恒流源. 三角波信号经三极管的射极输出, 分别送到SPWM 调制器的同相端和反相端. 调制电路实际上是为电压比较器, 它把20K 的三角波信号和100HZ 的馒头波信号进行比较, 在两个运放的输出端分别输出二路极性相反的SPWM 信号。

关键词：SPWM 波 文氏电桥 H桥

目 录

摘要 .........................................................................................................2

目录..........................................................................................................3

1 设计任务与要求..................................................................................4

1.1设计任务......................................................................................4

1.2设计要求......................................................................................4

2 方法比较与论证..................................................................................4

2.1方案设计......................................................................................4

2.2方案论证......................................................................................4

2.3方案对比......................................................................................4

3 硬件设计............................................................................................5

3.1 文氏电桥振荡器.........................................................................5

3.2精密整流电路、加法电路..........................................................5

3.3 SPWM波发生器、同步波发生电路…………………………6

3.4时序电路………………………………………………………..7

3.5 H桥逆变电路……………………………………..……………7

3.6过流保护电路 ........................................................................8

3.7电源电路......................................................................................8

4 系统测试与调试................................................................................9

4.1信号板电路的调试......................................................................9

4.2接上H 桥联调...............................................................................9

5 设计总结........................................................................................10

1、设计任务与要求

1.1设计任务

设计并制作一个单相正弦波变频电源，其原理框图如图1所示。变压器输入电压U 1=220V，变频电源输出交流电压U O 为36V ，额定负载电流I O 为2A ，负载为电阻性负载。

图1 单相正弦波变频电源原理框图

1.2设计要求

（1） 输出频率范围为20Hz~100Hz，U O =36±0.1V 的单相正弦波交流电。

（2） 输出频率f O =50±0.5Hz ，电流I O =2±0.1A 时，使输出电压U O =36±0.1V 。

（3） 负载电流I O 在0.2～2A 范围变化时，负载调整率S I ≤0.5%。）

（4） 负载电流I O =2A，U 1在198V ～242V 范围变化时，电压调整率S U ≤0.5%。

（5） 具有过流保护，动作电流I O(th)=2.5±0.1A ，保护时自动切断输入交流电源。

（6） I O =2A，U O =36V时，输出正弦波电压的THD≤2%。

（7） I O =2A，U O =36V时，变频电源的效率达到90%。）

（8） 其他。

2、方法比较与论证

2.1方案设计

方案1：使用单片机产生SPWM 波并进行控制

方案2：采用纯硬件电路产生SPWM 波并进行控制

2.2方案论证

方案一，通过初步尝试使用单片机产生SPWM 波，虽然最后实验能够得到正弦波，但是波形并不是很完美，加上自身对单片机领域不是相当了解，很难调节出完美的SPWM 波，那么就很难完成题目所需的要求。

方案二，纯硬件电路在焊接电路上比较复杂，但是调节出来的SPWM 波形比较完美，波形失真也挺小，且容易调节，对于题目的要求相对来说也易于满足。

2.3方案对比

综上所述，方案二是本次比赛的最佳选择，就选用方案二来完成本次比赛所出题目。

3、硬件设计

3.1、文氏电桥振荡器

电路中的U1B 组成一个文氏电桥振荡器 ,它的特点是起振容易, 波形失真很小, 频率也很稳定，为了使输出波形频率可调，R1、R2采用双联电位器。U1A 是一级隔离放大器, 其电压增益为2倍, 也可以接成跟随器的形式, 因为我考虑到5532在做跟随器时是否会不稳定, 所以给它一定的增益, 它的主要作用是隔离振荡电路和输出4路负载.

3.2、精密整流电路、加法电路

U3B 为稳压放大器:从精密整流电路出来的馒头波进入U3B 的同相端, 从H 桥取样变压器次级出来的馒头波(也经整流, 不能滤波) 进入U3B 的反相端, 用来控制该运放的输出电压, 起到稳压作用. U3A为加法电路:从U3B 出来的馒头波进入U3A 的同相端, 同时U3A 的同相端也接在一个直流电位上, 把PP 值为4V 的馒头波, 垫高2.5V. 这个经垫高的馒头波就可以送到SPWM 调制电路中, 做为SPWM 的基波信号.

3.3、SPWM 波发生器、同步波发生电路

本电路的载波振荡器的核心是一块NE555时基电路U4. 它实际上是一个高线性度的三角波发生器, 三角波频率由R29,R30及C7决定, 如图中所标的数值R29,R30为470R,C7为822, 这时, 三角波的频率约为20K, 能满足SPWM 调制电路的要求. 为确保三角波的线性度, 由Q1,Q2,Q3,Q4为电容充放电回路组成恒流源. 三角波信号经Q5的E 极输出, 分别送到SPWM 调制器U5A,U5B 的同相端和反相端. 这个调制电路实际上是一个电压比较器, 它把20K 的三角波信号和100HZ 的馒头波信号进行比较, 在输出端1脚和7脚分别输出二路极性相反的SPWM 信号.U5可以用LM339或LM393, 不能用速度较慢的普通运放, 如324,358等等. 另一块5532即U6A,U6B 组成一个50HZ 同步方波发生电路:从正弦波振荡器过来的正弦波信号(约12VPP), 经二个电压比较器U6A,U6B 后, 产生二路带死区时间的低频同步波, 电路中R39,R14决定二路方波的死区时间. 经试验, 当用5532时,R39,R14取510R 时, 死区时间大约为100US .U6A,U6B用358时死区时间为200US.

3.4、时序电路

本电路将SPWM 发生器所产生的波形变换为驱动H 桥四个桥臂的波形，SPWM 波经74HC08与同步波发生电路相与产生两路相同的驱动波，两路经由或门与同步波发生电路相或，产生四路驱动H 桥臂SPWM 波形。考虑到上下桥臂导通时应该存在合理的死区时间，SPWM 发生器输入到74LS08之间加入了阻容充放电回路。即R47、R40、C20，通过合理设置电阻电容的数值，可以达到死区延时1us 的时间。

3.5、H 桥逆变电路

经由U2整流所得到的直流电压输入到H 桥的VCC 与GND 端，Q1、Q2、Q3、Q4四个桥臂分别通以SPWM 驱动波。在输出电压Uo 的正半周期时，Q1导通，Q2关闭，Q3、Q4交替导通，在输出电压Uo 的负半周时Q2导通，Q1断开，Q3、Q4交替通断，即可得到频率一定的正弦波。滤波电路采用巴特沃斯型逆变电路，用于滤除输出波形中高次谐波分量。

3.6、过流保护电路

流经0.01欧的采样电阻所得到的电压，经由LM358放大50倍后送入到OP07的同相输入端，与反向输入端的电压进行比较，若电流大于设定值，则OP07输出正向电压驱动8550、8050三极管实现自锁，KM 驱动继电器常闭触点断开切断交流电源，恢复则切断继电器电源。

3.7、电源电路

运放采用双电源供电，时序电路数字芯片采用5V 供电，整个系统需用到正负12V 及5V 电源，采用7812、7912、7805。

4、系统测试与调试

4.1 信号板电路的调试:

1. 信号板通入正负12V 及5V 电源，测量电流均正常。

2. 用示波器测S1点, 调节VR3, 应该看到正弦波, 频率在50HZ 左右, 调VR3使S1点的正弦波幅度在10Vpp, 振荡器就基本调好了.

3. 用示波器测S2点波形, 可以看到馒头波, 调VR1使馒头波的幅度在6Vpp, 一般大于11V 就会出现削顶, 这样, 精密整流电路就调好了.

4. 用示波器测S3点波形, 也应该是馒头波, 调VR4让S3点的波形幅度在4Vpp, 再调VR2使馒头波的谷点离开直流底线2.5V, 这样, 加法器电路就基本调好。

4.2接上H 桥联调:

1. 断开反馈稳压调节的跳线帽, 也就是, 让H 桥处在开环状态.

2. 把信号板J2和H 桥连接好.

3. 接上母线电源, 为了安全起见，初次调试使用30V 直流电，且限流保护设定为1A 。

4. 把示波器的探头打在10:1档, 夹在H 桥AC 输出的二个端子上, 再接上一点负载, 使用20Ω/100W的电阻.

5. 接通信号板电源,H 桥应该有正弦波输出.

6. 细调信号板上的VR2, 让正弦波上下二个半波的过渡光滑自然, 没有阶梯感; 再调VR4, 慢慢调大, 正弦波会出现削顶, 再稍回调一点, 让正弦波顶部光滑自然, 这样整个系统就基本调试好了.

5、设计总结

这次比赛的四天三夜，让人紧张而激动，看到测试结果失败时情绪落寞，看到测试结果貌似有点接近时又让人无比欢喜激动，这就是电子设计的奇妙之处，时而让人欢喜，时而让人忧伤。也多谢了大学生设计竞赛给我们这个平台让我们进行团队合作，共同努力奋斗，协作钻研的机会。

在比赛时我们需要有塌实肯干，锲而不舍的精神才能有机会走向成功。在这次比赛中，我们也遇到很多困难，刚开始确定了题目的时候，本来想着是用单片机来产生SPWM 波形，结果程序调制了很久但是得出来的波形就是不完美，这一步都不完美 ，后面的制作就更无法进行下去了。本身就对单片机领域不是非常了解，没办法，只有换另一种思路了，采用纯硬件电路产生SPWM 波了。但是这个过程更艰难，首先硬件电路的焊接就很困难，然而焊接完成之后得出来的波形并不正确，这一检查过程就很复杂。虽然困难重重，但是只要我们相互协作，相互鼓励，不放弃，团队的力量是强大的，不懂的问题就相互交流，相互探讨，这样问题终会解决，而自身能力也会有所提高。遇到困难时，我们的心态要放好，可以失败，但是我们不能失望，遇到问题就想办法解决问题，就算到最后不能够成功，但毕竟我们努力过。

在完成比赛的过程中，我们遇到了很多我们不熟悉的知识，甚至有些东西都没接触过。这就需要我们自己查找资料，自己学习消化，而我们也遇到了很多课堂上的理论知识，这就需要我们把理论与实际想结合起来. 这次比赛让我们受益颇深，学到了很多新的知识，也锻炼了我们把理论知识结合到实际的能力。