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，61

61{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， c

r 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 p

U =

,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 z

U 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 z

P 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 p

P 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）