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随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，变频器作为变频调速技术的主体，也有了较大的发展。

电动机利用变频器可以实现无级调速，满足生产工艺对电机调速控制的高性能要求，以提高产品的产量和质量。特别用于变负荷的风机和水泵上，可以大幅度的节约能源、降低生产成本。

近年来，低压小功率变频器占据着变频器的大部分市场，形成了近乎统一的拓扑结构。根据有无中间直流环节，可分为交—交变频器和交—直—交变频器。在交—直—交变频器中，按中间直流环节的不同，可分为电压源型和电流源型。

根据设计要求，本次设计了由PIC单片机控制的基于SPWM技术的电压型变频器。该变频器的设计主要由软件、硬件两部分组成，本论文系统的介绍了电压型变频器的工作原理，软硬件设计方法，保护方法等。

关键词： 变频器 ;    SPWM技术  ; PIC单片机

由于电力电子技术、微电子技术和现代控制理论以惊人的速度向前发展，随之带动了交流传动技术日新月异的进步。交流传动经过近二十年的发展，目前它正成为电气传动的主流。变频调速是交流传动中最主要的一种。随着变频调速技术的迅速发展和其性能的不断提高，近年来变频器也得到了相应的发展，特别是一些新建的工程项目，一改往日对电动机无特别要求时，不考虑调速方案的设计思想，从节能、生产工艺要求出发，在设计中大都考虑了调速的系统，或将原来的低效、简单的调速系统改造成高效、高性能的变频调速系统。这在近年来已成为一种时尚，在有些领域也作为其系统先进性的一个标志。

变频调速技术涉及电子，电工，信息与控制等多个学科领域。通用变频器大都为电压型交－直－交变频器。三相交流电首先通过二极管不可控整流桥得到脉动的直流电，再经电解电容滤波稳压，{zh1}经无缘逆变输出电压，频率可调的交流电供给电动机供电。控制单元的主要功能是给主电路的功率器件提供触发脉冲。在这次设计中，控制功率器件的触发脉冲我们选用的是SPWM（正弦脉宽调制）波。所谓SPWM波形是指脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。这种波形可以用正弦脉宽调制技术来获得。

正弦脉宽调制技术（简称为SPWM技术）以其优良的传输特性成为电力电子装置中调制技术的基本方式。SPWM法就是以正弦波作为基准波（调制波），用一列等幅的三角波（载波）与基准正弦波相交，由交点来确定逆变器的开关模式。这样产生的脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小。同时，根据调制波波形的不同，还可以派生出许多方法，但着眼点都在于如何使变频器的输出电压更好地获得三相对称的正弦波。

基于对以上的了解和在现实生活中对变频器的需求，在本次设计中我们设计一个基于SPWM调制技术的低压小功率变频器。

．2．1  变频器的发展现状

交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以及提高产品质量的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起动性能，高效率、高功率因数和节电效果，适用范围广泛等诸多优点而被公认为是最有发展前途的调速方式。在低压交流电动机传动领域，变频调速技术已经获得广泛应用。作为低压变频调速的主体，低压变频器在近年来有了很大的发展

．2．2  变频器的发展趋势

变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。

．2．3  低压变频器的类型

近年来，在中国使用的变频调速装置基本都是低压变频器。低压小功率变频器占据着变频器的大部分市场。其按以下方法主要可以分为以下几类：

一、按主电路工作方法         

1 、 电压型变频器
2 、电流型变频器         

交—直—交变频器电路中，中间直流环节可以不同。中间直流环节可以是电流源，也可以是电压源。如果直流侧是电流源，则称为电流源型逆变电路（Current Source Type Inverter-CSTI）, 如果直流侧是电压源，则称为电压源型逆变电路（Voltage Source Type Inverter-VSTI）。   

二、变换频率方法可分为       

 1、 交－直－交变频器
        2、交－－交变频器                

在逆变电路根据有无中间直流环节，可分为交—交变频器和交—直—交变频器。所谓交—交变频是指把电网频率的交流电变成可调频率的交流电的变流电路，属于直接变频电路。                                     

    所谓交—直—交变频器是指把工频交流电经过整流器变为脉动的直流电，然后经过储能滤波部分变为稳定的直流电，再经过逆变电路得到频率和电压可调的交流电，属于间接变频电路。

三、按变频器调压方法         

1、PAM变频器
2、 PWM变频器                      

PAM （Plus Amptitude Modulation）是一种通过改变电压源Ud 或电流源Id的幅值进行输出控制的。
    PWM  （ Plus width Modulation）方式是在变频器输出波形的一个周期产生个脉冲波个脉冲，其等值电压为正弦波，波形较平滑。

四、按工作原理              

1、 U/f控制变频器（VVVF控制）
2、 控制变频器（转差频率控制）
3、 VC控制变频器（Vectory Control 矢量控制)

  变频器的设计主要包括主电路的设计和控制电路的设计两部分。而控制电路又包括硬件设计和软件设计。

．3．1  变频器主电路的设计内容

通用型变频器的主电路主要由3部分组成：整流电路、储能滤波电路以及逆变电路。整流电路将工频交流电整流为脉动的直流电，经过储能滤波部分的大电容滤波后供给逆变单元；逆变电路是由IGBT组成的全桥逆变电路。所以对主电路来说，我们设计的主要工作主要有以下几个部分：

1、三相不可控整流电路的设计

2、储能滤波电路的设计

3、三相全桥逆变电路的设计

4、主电路的保护电路设计

．3．2  变频器控制电路的设计内容

这次设计的重点是控制电路。在控制电路的设计中，我们主要要完成两方面的设计内容，即控制电路的硬件设计和软件设计。

在变频器控制电路的硬件设计中，除了要包括可以改变输出频率的频率调节装置、防止上下桥臂同时导通的脉冲互锁装置等可以实现设计要求的装置外，还应该包括适当的控制电路保护装置。在控制电路的软件设计中，要包括能够处理外部输入的处理程序，能够实现故障的判断和处理的程序和能实现SPWM波所要的波形的发生程序。

一、变频器的设计参数

输入参数：

额定电压：380V              频   率：50HZ

输出参数：

额定电压：380V              额定功率：50KW   

控制方式：VVVF控制          频   率：0－60HZ连续可调

二、控制电路硬件部分主要设计内容

1、频率给定电路的设计

2、三相正弦波发生电路设计

3、等腰三角波发生电路设计

4、SPWM波形发生电路设计

5、SPWM波分配互锁电路设计

6、IGBT驱动电路设计

7、单片机手动复位电路设计

8、报警及故障处理电路设计

9、IGBT驱动电路设计

三、控制电路软件部分设计内容  

1、频率和幅值可调的三相正弦波发生程序

2、频率可调的方波发生程序

3、故障处理及报警程序设计

由于电机调速总希望其气隙磁场保持恒定，既保持恒压频比控制。按照这样的设计思想，来设计变频器。

三相交流电首先通过二极管不可控整流桥得到脉动的直流电，再经电解电容滤波稳压，{zh1}经无缘逆变输出电压，频率可调的交流电(通过对开关器件（IGBT）的通断频率的控制可以改变逆变输出的交流电的频率，对通断时间长短的控制可以改变逆变输出的交流电压的大小)供给电动机供电，在本次设计中选用的逆变电路是三相全桥逆变电路。

由于三相桥式不可控整流电路后得到的直流电的谐波少，有比较好的性能，所以主电路的整流部分我们选用三相桥式不控整流电路就可以满足设计要求。储能滤波部分主要是稳压和补偿吸收无功功率。这部分主要由四个电容组成，两个大电容和两个小电容。大电容选用电解电容。逆变电路在本次设计中选用三相全桥逆变电路，在逆变电路中的开关电力电子元器件选用IGBT。

图2.1  变频器主电路的基本原理框图

根据控制电路的控制方式的不同，可以选择输出交流电压是单极性还是双极性。这个主要取决于载波的形式。如果载波是单极性的，则逆变出的交流电是单极性的SPWM波，如果载波是双极性的，则逆变出的交流电是双极性的SPWM波。

．2．1  整流部分原理分析及方案对比选择

整流电路是电力电子中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛。下面分别介绍各种常见的几种三相桥式整流电路。

下图是常用的三种三相桥式整流电路：不控整流、全控整流和半控整流电路