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1、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，输出频率范围为20100HZ，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
2、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
3、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
4、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
5、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，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
6、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：式中，为奇数时，=1，2； 为偶数时， ； ； =0，1，2； ；=1，2。由式(3-1)可知输出线电压的频谱没有载波频率的整数倍次谐波分量谐波中幅值较高的谐波分量是和。从上述分析可知：SPWM波形中所含的谐波主要是角频率为、及其附近的谐波
7、。由于本设计采用的是异步调制方式， ，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，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，火线之间的电压称为线电压。假设输电线上输送的交变电压信号是标准的正弦信号，则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，各相相电压的有效值，每相中的电流称为相电流，火线中的电流成为线电流，在Y形连接中相电流等于线电流=。每相负载的功率为= 其
8、中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 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，所以当Y为形纯阻性负载时，三相的总功率为由于AD采样得到的是正弦信号的幅值、，由,即可得到有效值。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
9、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：0250V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)变频电源输出频率范围各相电压有效值之差的测试(
10、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30。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 各相相电压频率/Hz2030405060708090100A相电压/V20.7920.8120.8020.8720.6920.8020.8020.8220.81B相电压/V20.7020.7420.6320.8020.8420.6720.8620.6420
11、.67C相电压/V20.6420.6920.7220.8120.7120.7020.6720.8420.74最大相电压差/V0.150.120.170.070.150.130.190.200.14数据表明本变频电源系统的输出频率范围为20Hz-100Hz,在该频段范围内可以实现变频电源输出频率的精确设定最大偏差%。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198V242V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
12、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相间线电压输出电流/Hz0.51.01.52.02.53.0AB相间线电压/V36.0136.0235.9935.97/输入电压/V198208218228238248AB相间线电压/V36.0235.9836.0136.0035.9736.01(2)测量数据及结果分析可知输出负载电流1.5A恒定，和频率50HZ恒定，输入电压在198V-242
13、V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
14、相各相的功率之和。表格 3 输出电压、电流、频率和功率测量电压/V电流/A频率/Hz功率/W显示值35.991.5150.0194.13实际值35.871.4649.9990.71误差绝对值/%0.3353.420.043.77 (2)测量数据及结果分析分析可知，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 相电压失真度频率/Hz5060708090100相电压失真度/%0.141.22.43.23.54.1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
