CN2437076Y - 精密正弦波变频电源 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种精密正弦波变频电源,由主控板、功率因数校正器、直流－直流变换器、逆变线路和SPWM控制系统组成,其性能指标为:输出电压波形失真率≤0.5%,负载稳定率≤0.2%,功率因数≥0.99,输入电压范围170～270V,输出电压范围0～300V,输出频率(HZ)50、60、400及47～63可调,输出电压与电网电压同步,对电网无干扰,提供电压、电流、功率、频率显示。

Description

精密正弦波变频电源
本实用新型涉及一种电源，具体地说是涉及一种精密正弦波变频电源。
众所周知，正弦波变频电源广泛应用于航空、船舶以及各类电气产品的模拟测试。一方面我国电气行业要走出国门开拓国际市场，而国外电网电压、频率与我国不同，因此国内各家电厂家迫切需要用来模拟不同电网电压、频率的高精度测试电源；另一方面，随着军事装备现代化的快速发展，急需一种重量轻、体积小的变频电源来代替体积庞大、精度低的中频机组。
迄今为止，比较先进的变频电源有两种：一种是利用晶体管放大来实现变频、变压，其制作成本较高，难以实现大功率输出；另一种是利用单片机内部的PWM控制大功率晶体管的通断来实现变频、变压，由于微处理器对反馈信号的处理要经A/D转换、计算和PWM输出，响应速度慢，难以实现高精度控制，故而输出波形失真大，见中国专利93223751,94108078,94230086。
本实用新型的目的是对现有变频电电源进行改进，提供一种输出电压与电网电压同步，变压变频范围宽、波形失真小，并且对电网无干扰，易于监控的变频电源，并将电参数表的测试功能集成到变频电源中，构成精密正弦波变频电源。
本实用新型的精蜜正弦波变频电源由主控板、功率因数校正器、直流--直流变换器、逆变线路和SPWM控制系统组成，其特征是该电源采用模块设计(图1)，共分三个模块：模块Ⅰ为输入整流及功率因数正模块；模块Ⅱ为SPWM模块；模块Ⅲ为DC/AC模块，每一部分独立设计、制造、调试，采用即插即用结构。
本实用新型的变频电源其工作原理是输入50HZ交流电经整流及功率因数校正模块后变为稳定的360V直流电压，使功率因数提高到0.99以上；SPWM模块首先把360V直流电变为含有正弦低频分量的高频交流电，经变压器降压，快恢复二极管整流，电容滤波，得到正弦整流后的波形；DC/AC模块进行简单的变换将正弦整流后的波形变为正弦波输出。该电路采用双环控制，内环为瞬时控制，外环为有效值控制，由CPU对输出电压进行有效值计算，与设定值比较后作为参考电压给EPROM来调节Vg的大小。
以下结合附图详细说明该实用新型精密正弦波变频电源的电路结构。
图2是输入整流及功率因数校正模块Ⅰ的线路图，其特征是采用了平均型功率因数校正芯片UC3854，电压负反馈Uf与给定Ug(7.5V)比较放大，产生误差信号Ue,Ue与电源输入整流电压U1给乘法器后得到ig=Ue.U1.Um｜sint｜,ig与if经比较放大再经PWM比较后驱动MOSFET，使输入电压和电流同相，从而消除谐波分量，使输入功率因数等于基波功率因数。
该芯片具有完善的保护及控制功能，采用双环控制，外环为电压环，保护输出电压稳定；内环为电流环，以保证网侧电压和电流同步，UC3854还有具尖峰抑制和软启动功能，为后级SPWM变换提供稳定的直流电压和电流。
图3是输入整流及功率因数校正(模块Ⅰ)与直流--直流变换器和逆变线路即DC/AC模块(模块Ⅲ)的线路连接图，直流--直流变换器和逆变线路其特征是采用两级变换，第一级变换采用半桥电路选用MOSFET作为功率开关器件，第二级变换选用四只IGBT组成全桥电路，高频变压器采用微晶材料。
本实用新型的精密正弦波变频电源的SPWM控制电路由正弦波发生器、电压瞬时闭环反馈电路和SPWM驱动波形产生电路及保护电路构成。
图4为正弦波发生器的线路图，其特征是采用NE555构成脉冲频率可调的振荡器，用3片4位二进制芯片4520构成12位地址计数器，为了提高精度采用32位EPROM27256存放正弦波数据。
正弦波发生器的工作原理是计数器4520将基准正弦波扫描频率变成地址扫描信号送到EPROM27256的地址线上，将EPROM中存放的一个周期正弦波数据通过D/A转换器转换成模拟量送给SG3525作为给定正弦波信号，其幅值可调节，通过调节S/A的参考值来实现。
要求：
(1)47～63连续可调
(2)50HZ,60HZ,400HZ变频
实现方法：
(1)将一个周期正弦波固化在EPROM27256中，地址空间为OOOH～OFFFH，通过改变555振荡频率来改变基准正弦波输出频率，一个周期正弦波可分成4095个点，实现47～63HZ连续可调。
(2)计数频率一定，通过选取不同地址来输出不同频率正弦波。
地址分配：
A14 A13 A12                  频率
0    0   1    1000～1FFFH    50HZ
0    1   0    2000～2FFFH    60HZ
1    0   0    4000～4FFFH    400HZ
图5是电压瞬时闭环反馈电路，其特征是利用电压互感器采样输出电压，经全桥整流，反相后与来自正弦波发生器并经整流电路(由O1,D1,D2,R14等构成)整流的给定信号比较后得误差信号Ve，对Ve进行PI调节后送到SG3525的PWM比较端。
增加电压瞬时反馈及PI调节后，可使系统动静特性得到明显改善，输出电压更加稳定，波形失真大为减小。
图6是SPWM驱动波形产生电路及保护电路，其特征是利用开关电源专用集成电路SG3525产生SPWM驱动波形，驱动电路采用脉冲变压器。SG3525是电压型脉宽调制芯片，内含有+5V基准电流和锯齿波发生器(振幅为5V)无须另设而且抗干扰能力强，此外该芯片还具有软启动及欠压保护功能，将反相输入端(1脚)与补偿端(9脚)相连构成跟随器，使反馈和给定合成的误差信号直接与锯齿波比较，得到SPWM驱动波形，经脉冲变压器驱动MOSFET，则输出脉冲宽度随误差信号的大小而变窄，变宽从而稳定输出电压。
该电源的保护电路是电流互感器取出变压器原边电流经整流后给电容C3充电，当过流时，过流电压大于稳压管W的稳压值，3525(10)脚为高电平，封脉冲，当风扇出现故障或其它原因使散热器过热时，热继电器常闭触点断开，光耦中三极管导通，SG3525(10)脚为高电平，同样封脉冲。
以上为单相正弦波脉宽调制变频电源的电路构成。三相正弦波输出由三台单相组合而成，用微处理器80C196来实现通讯，参数设定、显示、缺相保护等。在A、B、C三相中均设有微处理器、均设有RS232通讯口，由A相向B、C二相波形发生器发统一时钟，使A、B、C三相互差120°，A相还设有锁相环实现与电网同步，此外缺相保护信号使三相同时停电并报警，显示故障相。
本实用新型的精密正弦波变频电源与同类产品相比具有结构简单、体积小、精度高，输出电压与电网电压同步，变压变频范围宽，波形失真小，对电网无干扰，易于监控等特点，并提供电压、电流、功率、频率显示。各项性能指标如下：
输出电压波形失真率≤0.5％
        负载稳定率≤0.2％
          功率因数≤0.99
输入电压范围170～270V
输出电压范围  0～300V
输出频率(HZ)50、60、400及47～63可调。附图说明：
图1是精密正弦波变频电源工作原理框图
图2是输入整流及功率因数校正电路图
图3是精密正弦波变频电源主电路图
图4是正弦波发生器电路图
图5是电压瞬时反馈闭环控制电路图
图6是SPWM驱动波形产生及保护电路图

Claims (7)

1．一种精密正弦波变频电源由主控板、功率因数校正器、直流--直流变换器、逆变线路和SPWM控制系统组成，其特征是该电源采用模块化设计，共分三个模块：模块Ⅰ为输入整流及功率因数校正模块；模块Ⅱ为SPWM模块；模块Ⅲ为DC/AC模块，输入50Hz交流电经整流及工率因数校正模块后变为稳定的360V直流电压，使功率因数提高到0.99以上；SPWM模块首先把360V直流电变为含有正弦低频分量的高频交流电，经变压器降压，快恢复二极管整流，电容器滤波，得到正弦整流后的波形；DC/AC模块进行简单的变换将正弦整流后的波形变为正弦波输出，该电路采用双环控制，内环为瞬时控制，外环为有效值控制，由CPU对输出电压进行有效值计算，与设定值比较后作为参考电压给EPROM来调节Vg的大小。
2．根据权利要求1所述的精密正弦波变频电源其特征是所述的输入整流及功率因数校正模块Ⅰ采用了平均型功率校正芯片UC3854。
3．根据权利要求1所述的精密正弦波变频电源其特征是所述的直流--直流变换器和逆变线路采用两级变换，第一级变换采用半桥电路，选用MOSFET作为功率开关器件，第二级变换选用四只IGBT组成全桥电路，高频变压器采用微晶材料。
4．根据权利要求1所述的精密正弦波变频电源其特征是所述的SPWM控制电路由正弦波发生器、电压瞬时闭环反馈电路和SPWM驱动波形产生电路及保护电路构成。
5．根据权利要求4所述的精密正弦波变频电源其特征是所述的正弦波发生器采用NE555构成脉冲频率可调的振荡器，用3片4位二进制芯片4520构成12位地址计数器，采用32位EPROM27256存放正弦波数据。
6．根据权利要求4所述的精密正弦波变频电源，其特征是所述的电压瞬时闭环反馈电路是利用电压互感器采样输出电压，经全桥整流反相后与来自正弦波发生器并经整流电路整流的给定信号比较后得到误差信号Ve，对Ve进行PI调节后送到SG3525的PWM比较端。
7．根据权利要求4所述的精密正弦波变频电源，其特征是所述的SPWM驱动波形产生电路是利用开关电源专用集成电路SG3525产生SPWM驱动波形，驱动电路采用脉冲变压器，将反相输入端(1脚)与补偿端(9脚)相连构成跟随器，使反馈和给定合成的误差信号直接与锯齿波比较，得到SPWM驱动波形，经脉冲变压器驱动MOSFET。
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