三相正弦波变频电源软件设计

1、 HYPERLINK 三相正弦波波变频电源源摘要：本设设计由整流滤波波电路、DDC-ACC变换器、检测模块块和单片机机控制及显显示模块44个模块电电路构成。系统以英英飞凌单片片机XE1164FNN为控制核核心，采用用规则采样样法和DDDS实现频频率可变的的三相交流流电SPWWM信号输输出，实现现DC-AAC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：变变频电源 三相正正弦波 逆变 正弦脉脉宽调制一方案论论证与比较较1.1

2、三相逆变变主拓扑方方案方案一：采采用三个独独立的单相相逆变器经经过一定的的连接方式式组成三相相逆变，该该系统可以以三相运行行，也可以以单相独立立运行，灵灵活性较高高。方案二：如如图1所示示，采用三三相三桥臂臂逆变电路路拓扑，同同一桥臂上上、下两个个开关管互互补通、断断，输出的的电压经滤滤波后得到到三相交流流电。方案的选择择：采用方方案一所用用元器件比比较多，适适用于高压压大容量的的逆变器。方案二所所用元器件件少，电路路简单，满满足题目要要求，故本本设计采用用方案二。1.2 SPWMM（正弦脉脉宽调制）波波产生方案案根据题目的的要求将交交流电经整整流后，经经过逆变从从而产生三三相正弦波波电源。而

3、而实现三相相正弦波变变频电源的的关键在于于逆变过程程。对于小小功率逆变变电路一般般都采用PPWM技术术，为了实实现正弦波波变频电源源，本设计计采用了SSPWM技技术。实现现SPWMM有以下几几种方案。方案一： 采用对称称规则采样样法。规则采样样法一般采采用三角波波作为载波波。其原理理就是用三三角波对正正弦波进行行采样得到到阶梯波，再再以阶梯波波与三角波波的交点时时刻控制开开关器件的的通断，从从而实现SSPWM法法。方案二： 采用自然然采样法。以正弦波波为调制波波，等腰三三角波为载载波进行比比较，在两个波波形的自然然交点时刻刻控制开关关器件的通通断，这就就是自然采采样法。其其优点是所所得SPWW

4、M波形最最接近正弦弦波。 方案的选择择：方案二二由于计算算繁琐，不不适用于数数字控制器器实现。而对对于现在的的控制器来来说，软件件可以生成一一个较大的的正弦表，使使得计算变变得简单，减减轻单片机机的工作量量，故本设设计采用方方案一。1.3 测量有效效值电路方方案方案一：信信号经互感感器及调理理电路处理理后直接连连接到A/D器件，单单片机控制制A/D器器件首先进进行等间隔隔采样，并并将采集到到的数据存存到RAMM中，然后后处理采集集到的数据据，可在程程序中判断断信号的周周期，根据据连续信号号的离散化化公式，做做乘除法运算，得得到信号的的有效值。方案二：信信号经互感感器之后先先经过真有有效值转换换

5、芯片ADD637，AAD6377输出信号号的有效值值模拟电平平，然后通通过A/DD采集送到到单片机，直直接计算输输出电压、电流有效效值。方案三：信信号经互感感器之后利利用峰值检检测电路保保持为峰值值送入单片片机，再用用正弦波幅幅值和有效效值的关系系通过软件件计算出有有效值。方案的选择择：方案一一计算复杂杂，占用大大量单片机机资源，给给单片机造造成很大的的负担，且且精度不高高。方案二二需要用到到真有效值值转换芯片片AD6337，价格格昂贵，成成本太高。方案三电电路较为复复杂，但成成本低，精精度可以做做到很高，故故采用方案案三。二.系统总总体设计方方案和实现现框图2.1 系统总体体设计方案案将市电

6、通过过隔离变压压器输入到到交流变频频电源系统统。隔离变变压器的输输出经过由由整流桥后后，产生全全波整流信信号，全波波整流信号号经过滤波波生成直流流电，实现现AC-DDC的转换换。三相逆逆变器在单单片机产生生的三相SSPWM脉脉冲的控制制下产生三三相交流电电。逆变器器的输出交交流电的频频率等于SSPWM脉脉冲的基波波频率，通通过控制 DDS模模块的可控控分频比，实实现对调制制正弦波频频率的控制制。逆变器器输出的三三相交流电电经过缓冲冲吸收和LLC滤波电电路，生成成三相正弦弦交流电。利用互感感器对输出的相相电压、相相电流进行行采样，并并利用过零零检测电路路结合单片片机的捕获获端口实现现频率的测测量

7、。系统统根据采样样值计算各各相交流电电的电压有有效值、电电流有效值值，交流电电的功率，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 系系统实现框框图图 SEQ 图 * ARABIC 1 系统框架架图三.理论分分析与计算算3.1 SPWMM逆变电源源的谐波分分析 在调调制度一定定，并且三三相共用一一个载波信信号的情况况下，对输输出线电压压进行频谱谱分析，可可以发现输输出线电压压的谐波角角频率为：式中，为奇奇数时，=1，2； 为偶数数时， ； ； =0，11，2； ；=1，22。由式(3-1)可知知输出线电电

8、压的频谱谱没有载波波频率的整整数倍次谐谐波分量谐谐波中幅值值较高的谐谐波分量是是和。从上述分析析可知：SSPWM波波形中所含含的谐波主主要是角频频率为、及其附近近的谐波。由于本设设计采用的的是异步调调制方式， ，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 三相交流流电电压、电流有效效值和功率率的计算对于负载端端采用Y形形连接组成成的三相电电路，每相相交变电压压信号输入入端相对于于Y形连接接公共点的的电压称为为相电压，该输电线线称为火线线，采样三相相四线制的的交变电路路有三条火火线，各相相电压信号号间的相位位差为，火线之间间的电压称称为线电压压。

9、假设输电电线上输送送的交变电电压信号是是标准的正正弦信号，则则分别表示相相电压和线线电压的有有效值。因此当线电电压的有效效值，各相相相电压的的有效值，每相中的的电流称为为相电流，火火线中的电电流成为线线电流，在在Y形连接接中相电流流等于线电电流=。每相负载的的功率为= 其中分别别表示相电电流的有效值值、每相中中电流和电电压的相位位差，由于于Y形负载载要求负载载严格对称称，因此每每相中电流流和电压的的相位差都都是相等的的。所以三三相的总功功率为 当YY形负载为为纯阻性负负载时，每每相中电流流和电压都都是同相的的，即，所所以当Y为为形纯阻性性负载时，三三相的总功功率为由于AD采采样得到的的是正弦信

10、信号的幅值值、，由,即可得到到有效值。四.软件设设计4.1 单片机主程程序流程单片机产生生SPWMM波形主程程序程序流流程图如下下图所示（图图3-1）图 SEQ 图 * ARABIC 2 程序流程程图4.2 SPWM波产生算法法SPWM波波的产生，首首先存入单单片机的11000点点正弦表，读读取正弦表表每两个点点之间的时时间间隔既既可决定输输出正弦波波的频率，而而正弦表两两个点之间间时间间隔隔由定时器器T12决定定。对于不不同频率计计算出正弦弦表中每两两点对应的的计数值nn，作为TT12的周周期值，同同时将周期期数进行累累加，在TT12周期期中断时，将将累加值取取出作为递递增角度偏偏移，并将将

11、查表所得得正弦值作作为比较值值赋给比较较寄存器。通过外部部按键可改改变n，即即可改变输输出正弦波波频率，进进而实现变变频的功能能。4.3 测测量系统软软件设计测量系统软软件主程序序分为键盘盘扫描，SSPWM产产生，数据据计算，测测量显示几几个部分。五.测试仪仪器与测试试方法5.1 测测量仪器1.交流调调压器：00250VV交流可调调；2.Tekktronnix TTDS10002示波波器；3.FLUUKE数字字万用表；4.滑线式式变阻器33个；5.失真度度测试仪。5.2 测测试方法及及数据1)变频电电源输出频频率范围各各相电压有有效值之差差的测试(1)测试试方法 将将调压器的的输出调到到200

12、VV，将负载载三相电阻阻的阻值都都调整到330。改变系系统的输出出频率，将将示波器和和交流电压压表分别接接到变频电电源某一相相的输出端端，调节示示波器，观观察波形是是否对称，记记录各相的的输出的频频率值，同同时调节交交流电压表表，记录各各相相电压压有效值。测量的频频率点在220HZ-100HHZ之间时时， 100HZ一个个测量步进进。(2)测试试数据及结结果分析表格 SEQ 表格 * ARABIC 1 各相相相电压频率/Hzz2030405060708090100A相电压/V20.79920.81120.80020.87720.69920.80020.80020.82220.811B相电压/V

13、20.70020.74420.63320.80020.84420.67720.86620.64420.677C相电压/V20.64420.69920.72220.81120.71120.70020.67720.84420.744最大相电压压差/V0.150.120.170.070.150.130.190.200.14数据表明本本变频电源源系统的输输出频率范范围为200Hz-100Hz,在该频频段范围内内可以实现现变频电源源输出频率率的精确设设定最大偏偏差%。各相电电压的最大大偏差为00.2V。2）输出线线电压有效效值误差测测量(1)测试试方法 = 1 * ROMAN I.变频电电源的输出出频率

14、保持持在50HHZ,改变变调压器使使输入电压压在1988V2442V之间变化化，在负载载端用交流流电压表并并联在任意意两个负载载的输入端端，测量这这两相的线线电压有效效值。 = 2 * ROMAN II. 变变频电源的的输出频率率保持在550HZ,保持调压器器使输入电电压在2220V，改改变负载的的电阻值，用用交流电流流表测量负负载电流值值，使负载载电流从00.5A开开始每隔00.5A一一个电流步步进，直到到负载电流流达到3AA。每调节节一次负载载电流值，在在负载端用用交流电压压表并联在在任意两个个负载臂的的输入端，测测量这两相相的线电压压有效值。 表格 SEQ 表格 * ARABIC 2 A

15、B相相间线电压压输出电流/Hz0.51.01.52.02.53.0AB相间线线电压/VV36.01136.02235.99935.977/输入电压/V198208218228238248AB相间线线电压/VV36.02235.98836.01136.00035.97736.011(2)测量量数据及结结果分析可知输出负负载电流11.5A恒恒定，和频频率50HHZ恒定，输输入电压在在198VV-2422V之间变变化时，输输出线电压压的有效值值保持在336V,最最大偏差为为0.0883%。可知输入电电压保持2220V恒恒定，输出出电压的频频率50HHZ不变，输输出负载电电流在0.5A-2A变化时时，

16、输出线线电压的有有效值保持持在36V,最最大偏差为为0.0883%。3)变频电电源输出电电压、电流流、频率和和功率的测测量(1)测量量方法改变自耦调调压器的输输入电压值值，改变变变频电源的的输出频率率。在各相相的负载输输入端分别别用交流电电压表，交交流电流表表测量该相相的电压、电流有效效值，用示示波器测量量相电压的的输出频率率，与系统统测量的电电压有效值值、电流有有效值、频频率值对比比。功率的的测量是建建立在电压压有效值、电流有效效值测量的的基础上，每每相的功率率等于该相相电流与电电压的有效效值之积，变变频电源的的总功率等等于三相各各相的功率率之和。表格 SEQ 表格 * ARABIC 3 输出电电压、电流流、频率和和功率测量量电压/V电流/A频率/Hzz功率/W显示值35.9991.5150.01194.133实际值35.8771.4649.99990.711误差绝对值值/%0.33553.420.043.77 (2)测测量数据及及结果分析析分析可知，变频电源源系统能准准确测量该该变频电源源的输出电电压、电流流、频率和和功率，并并且显示值值和测量值值之间的误误差绝对值值小于5%。4)相电压压失真度测测量(1)测量量方法将变频电源源的输出经经过适当的的衰减后接接到失真度度测试仪，在在同一输出出电压下，改改变输出频频率，用