三相正弦波变频电源软件设计说明

三相正弦波变频电源摘要：本设计由整流滤波电路、DC-AC变换器、检测模块和单片机控制及显示模块4个模块电路构成。

系统以英飞凌单片机XE164FN为控制核心，采用规则采样法和DDS实现频率可变的三相交流电SPWM信号输出，实现DC-AC转换，输出频率围为20～100HZ，输出线电压有效值为36V，最大负载电流有效值为3A。

采用互感器对电压、电流进行采样以及反馈，实现了对输出线有效值的控制以及缺相和过流保护，并实时显示电压、电流、频率、功率等。

关键字：变频电源三相正弦波逆变正弦脉宽调制一．方案论证与比较1.1 三相逆变主拓扑方案方案一：采用三个独立的单相逆变器经过一定的连接方式组成三相逆变，该系统可以三相运行，也可以单相独立运行，灵活性较高。

方案二：如图1所示，采用三相三桥臂逆变电路拓扑，同一桥臂上、下两个开关管互补通、断，输出的电压经滤波后得到三相交流电。

方案的选择：采用方案一所用元器件比较多，适用于高压大容量的逆变器。

方案二所用元器件少，电路简单，满足题目要求，故本设计采用方案二。

1.2 SPWM（正弦脉宽调制）波产生方案根据题目的要求将交流电经整流后，经过逆变从而产生三相正弦波电源。

而实现三相正弦波变频电源的关键在于逆变过程。

对于小功率逆变电路一般都采用PWM技术，为了实现正弦波变频电源，本设计采用了SPWM技术。

实现SPWM有以下几种方案。

方案一：采用对称规则采样法。

规则采样法一般采用三角波作为载波。

其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。

方案二：采用自然采样法。

以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。

其优点是所得SPWM波形最接近正弦波。

方案的选择：方案二由于计算繁琐，不适用于数字控制器实现。

而对于现在的控制器来说，软件可以生成一个较大的正弦表，使得计算变得简单，减轻单片机的工作量，故本设计采用方案一。

1.3 测量有效值电路方案方案一：信号经互感器及调理电路处理后直接连接到A/D器件，单片机控制A/D器件首先进行等间隔采样，并将采集到的数据存到RAM中，然后处理采集到的数据，可在程序中判断信号的周期，根据连续信号的离散化公式，做乘除法运算，得到信号的有效值。

方案二：信号经互感器之后先经过真有效值转换芯片AD637，AD637输出信号的有效值模拟电平，然后通过A/D采集送到单片机，直接计算输出电压、电流有效值。

方案三：信号经互感器之后利用峰值检测电路保持为峰值送入单片机，再用正弦波幅值和有效值的关系通过软件计算出有效值。

方案的选择：方案一计算复杂，占用大量单片机资源，给单片机造成很大的负担，且精度不高。

方案二需要用到真有效值转换芯片AD637，价格昂贵，成本太高。

方案三电路较为复杂，但成本低，精度可以做到很高，故采用方案三。

二.系统总体设计方案和实现框图2.1 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由整流桥后，产生全波整流信号，全波整流信号经过滤波生成直流电，实现AC-DC的转换。

三相逆变器在单片机产生的三相SPWM脉冲的控制下产生三相交流电。

逆变器的输出交流电的频率等于SPWM脉冲的基波频率，通过控制 DDS模块的可控分频比N，实现对调制正弦波频率的控制。

逆变器输出的三相交流电经过缓冲吸收和LC滤波电路，生成三相正弦交流电。

利用互感器对输出的相电压、相电流进行采样，并利用过零检测电路结合单片机的捕获端口实现频率的测量。

系统根据采样值计算各相交流电的电压有效值、电流有效值，交流电的功率，并进行控制和显示。

系统根据得到的各相交流电的有效值，采用PI算法，通过改变调制比控制SPWM 脉冲的占空比，实现输出线电压的稳定。

2.2 系统实现框图图 1 系统框架图三.理论分析与计算3.1 SPWM 逆变电源的谐波分析在调制度a 一定，并且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，可以发现输出线电压的谐波角频率为：c r n k ωωω=±式中，n 为奇数时，()3211,k m m =-±=1，2……；n 为偶数时，6161{m m k +-=；61k m =+ ； m =0，1，2……；61k m =+ ；m =1，2…。

由式(3-1)可知输出线电压的频谱没有载波频率c ω的整数倍次谐波分量谐波中幅值较高的谐波分量是2c r ωω±和2c r ωω±。

从上述分析可知：SPWM 波形中所含的谐波主要是角频率为c ω、2c ω及其附近的谐波。

由于本设计采用的是异步调制方式， cr ωω，所以PWM 波形中所含的主要谐波分量的频率比基波分量的频率高很多，谐波分量很容易被滤出。

3.2 三相交流电电压、电流有效值和功率的计算对于负载端采用Y 形连接组成的三相电路，每相交变电压信号输入端相对于Y 形连接公共点的电压称为相电压p u ，该输电线称为火线，采样三相四线制的交变电路有三条火线，各相电压信号间的相位差为120o ，火线之间的电压称为线电压l u 。

假设输电线上输送的交变电压信号是标准的正弦信号，则l pU =,l p U U 分别表示相电压和线电压的有效值。

因此当线电压的有效值36l U V =，各相相电压的有效值20.78p U V =，每相中的电流称为相电流p i ，火线中的电流成为线电流l i ，在Y 形连接中相电流等于线电流p i =l i 。

每相负载的功率为p P =cos p p zU I Φ其中,p z I Φ分别表示相电流的有效值、每相中电流和电压的相位差，由于Y 形负载要求负载严格对称，因此每相中电流和电压的相位差都是相等的。

所以三相的总功率为33cos p p p zP P U I ==Φ当Y 形负载为纯阻性负载时，每相中电流和电压都是同相的，即0z Φ=，所以当Y 为形纯阻性负载时，三相的总功率为3p pP U I =由于AD 采样得到的是正弦信号的幅值U 、I ，由/p U U =p I I =值。

四.软件设计4.1 单片机主程序流程单片机产生SPWM 波形主程序程序流程图如下图所示（图3-1）图 2 程序流程图4.2 SPWM波产生算法SPWM波的产生，首先存入单片机的1000点正弦表，读取正弦表每两个点之间的时间间隔既可决定输出正弦波的频率，而正弦表两个点之间时间间隔由定时器T12决定。

对于不同频率计算出正弦表中每两点对应的计数值n，作为T12的周期值，同时将周期数进行累加，在T12周期中断时，将累加值取出作为递增角度偏移，并将查表所得正弦值作为比较值赋给比较寄存器。

通过外部按键可改变n，即可改变输出正弦波频率，进而实现变频的功能。

4.3 测量系统软件设计测量系统软件主程序分为键盘扫描，SPWM产生，数据计算，测量显示几个部分。

五.测试仪器与测试方法5.1 测量仪器1.交流调压器：0～250V交流可调；2.Tektronix TDS1002示波器；3.FLUKE数字万用表；4.滑线式变阻器3个；5.失真度测试仪。

5.2 测试方法及数据1)变频电源输出频率围各相电压有效值之差的测试(1)测试方法将调压器的输出调到200V，将负载三相电阻的阻值都调整到30Ω。

改变系统的输出频率，将示波器和交流电压表分别接到变频电源某一相的输出端，调节示波器，观察波形是否对称，记录各相的输出的频率值，同时调节交流电压表，记录各相相电压有效值。

测量的频率点在20HZ-100HZ之间时， 10HZ一个测量步进。

(2)测试数据及结果分析表格 1 各相相电压输出频率的精确设定最大偏差１%。

各相电压的最大偏差为0.2V。

2）输出线电压有效值误差测量(1)测试方法I.变频电源的输出频率保持在50HZ,改变调压器使输入电压在198V～242V之间变化，在负载端用交流电压表并联在任意两个负载的输入端，测量这两相的线电压有效值。

II. 变频电源的输出频率保持在50HZ,保持调压器使输入电压在220V，改变负载的电阻值，用交流电流表测量负载电流值，使负载电流从0.5A开始每隔0.5A一个电流步进，直到负载电流达到3A。

每调节一次负载电流值，在负载端用交流电压表并联在任意两个负载臂的输入端，测量这两相的线电压有效值。

表格 2 AB相间线电压可知输出负载电流1.5A恒定，和频率50HZ恒定，输入电压在198V-242V之间变化时，输出线电压的有效值保持在36V,最大偏差为0.083%。

可知输入电压保持220V恒定，输出电压的频率50HZ不变，输出负载电流在0.5A-2A 变化时，输出线电压的有效值保持在36V,最大偏差为0.083%。

3)变频电源输出电压、电流、频率和功率的测量(1)测量方法改变自耦调压器的输入电压值，改变变频电源的输出频率。

在各相的负载输入端分别用交流电压表，交流电流表测量该相的电压、电流有效值，用示波器测量相电压的输出频率，与系统测量的电压有效值、电流有效值、频率值对比。

功率的测量是建立在电压有效值、电流有效值测量的基础上，每相的功率等于该相电流与电压的有效值之积，变频电源的总功率等于三相各相的功率之和。

表格 3 输出电压、电流、频率和功率测量分析可知，变频电源系统能准确测量该变频电源的输出电压、电流、频率和功率，并且显示值和测量值之间的误差绝对值小于5%。

4)相电压失真度测量(1)测量方法将变频电源的输出经过适当的衰减后接到失真度测试仪，在同一输出电压下，改变输出频率，用失真度测试仪测量各相相电压的失真度。

改变输出电压，再按照上述方法测量几组数据。

(2)测量数据及结果分析表格 4 相电压失真度根据测量数据可知，相电压失真度的最大值出现在100Hz时，为4.3%。

附录电路图图 3 主拓扑电路图图 4 开关管驱动电路图图 5 采样电路图。