三相正弦波變頻電源軟件設(shè)計(jì)

1、 HYPERLINK 三相正弦波波變頻電源源摘要：本設(shè)設(shè)計(jì)由整流濾波波電路、DDC-ACC變換器、檢測模塊塊和單片機(jī)機(jī)控制及顯顯示模塊44個(gè)模塊電電路構(gòu)成。系統(tǒng)以英英飛凌單片片機(jī)XE1164FNN為控制核核心，采用用規(guī)則采樣樣法和DDDS實(shí)現(xiàn)頻頻率可變的的三相交流流電SPWWM信號輸輸出，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)DC-AAC轉(zhuǎn)換，輸出頻率范圍為20100HZ，輸出線電壓有效值為36V，最大負(fù)載電流有效值為3A。采用互感器對電壓、電流進(jìn)行采樣以及反饋，實(shí)現(xiàn)了對輸出線有效值的控制以及缺相和過流保護(hù)，并實(shí)時(shí)顯示電壓、電流、頻率、功率等。關(guān)鍵字：變變頻電源 三相正正弦波 逆變 正弦脈脈寬調(diào)制一方案論論證與比較較1.1

2、三相逆變變主拓?fù)浞椒桨阜桨敢唬翰刹捎萌齻€(gè)獨(dú)獨(dú)立的單相相逆變器經(jīng)經(jīng)過一定的的連接方式式組成三相相逆變，該該系統(tǒng)可以以三相運(yùn)行行，也可以以單相獨(dú)立立運(yùn)行，靈靈活性較高高。方案二：如如圖1所示示，采用三三相三橋臂臂逆變電路路拓?fù)?，同同一橋臂上上、下兩個(gè)個(gè)開關(guān)管互互補(bǔ)通、斷斷，輸出的的電壓經(jīng)濾濾波后得到到三相交流流電。方案的選擇擇：采用方方案一所用用元器件比比較多，適適用于高壓壓大容量的的逆變器。方案二所所用元器件件少，電路路簡單，滿滿足題目要要求，故本本設(shè)計(jì)采用用方案二。1.2 SPWMM（正弦脈脈寬調(diào)制）波波產(chǎn)生方案案根據(jù)題目的的要求將交交流電經(jīng)整整流后，經(jīng)經(jīng)過逆變從從而產(chǎn)生三三相正弦波波電源。而

3、而實(shí)現(xiàn)三相相正弦波變變頻電源的的關(guān)鍵在于于逆變過程程。對于小小功率逆變變電路一般般都采用PPWM技術(shù)術(shù)，為了實(shí)實(shí)現(xiàn)正弦波波變頻電源源，本設(shè)計(jì)計(jì)采用了SSPWM技技術(shù)。實(shí)現(xiàn)現(xiàn)SPWMM有以下幾幾種方案。方案一： 采用對稱稱規(guī)則采樣樣法。規(guī)則采樣樣法一般采采用三角波波作為載波波。其原理理就是用三三角波對正正弦波進(jìn)行行采樣得到到階梯波，再再以階梯波波與三角波波的交點(diǎn)時(shí)時(shí)刻控制開開關(guān)器件的的通斷，從從而實(shí)現(xiàn)SSPWM法法。方案二： 采用自然然采樣法。以正弦波波為調(diào)制波波，等腰三三角波為載載波進(jìn)行比比較，在兩個(gè)波波形的自然然交點(diǎn)時(shí)刻刻控制開關(guān)關(guān)器件的通通斷，這就就是自然采采樣法。其其優(yōu)點(diǎn)是所所得SPWW

4、M波形最最接近正弦弦波。 方案的選擇擇：方案二二由于計(jì)算算繁瑣，不不適用于數(shù)數(shù)字控制器器實(shí)現(xiàn)。而對對于現(xiàn)在的的控制器來來說，軟件件可以生成一一個(gè)較大的的正弦表，使使得計(jì)算變變得簡單，減減輕單片機(jī)機(jī)的工作量量，故本設(shè)設(shè)計(jì)采用方方案一。1.3 測量有效效值電路方方案方案一：信信號經(jīng)互感感器及調(diào)理理電路處理理后直接連連接到A/D器件，單單片機(jī)控制制A/D器器件首先進(jìn)進(jìn)行等間隔隔采樣，并并將采集到到的數(shù)據(jù)存存到RAMM中，然后后處理采集集到的數(shù)據(jù)據(jù)，可在程程序中判斷斷信號的周周期，根據(jù)據(jù)連續(xù)信號號的離散化化公式，做做乘除法運(yùn)算，得得到信號的的有效值。方案二：信信號經(jīng)互感感器之后先先經(jīng)過真有有效值轉(zhuǎn)換換

5、芯片ADD637，AAD6377輸出信號號的有效值值模擬電平平，然后通通過A/DD采集送到到單片機(jī)，直直接計(jì)算輸輸出電壓、電流有效效值。方案三：信信號經(jīng)互感感器之后利利用峰值檢檢測電路保保持為峰值值送入單片片機(jī)，再用用正弦波幅幅值和有效效值的關(guān)系系通過軟件件計(jì)算出有有效值。方案的選擇擇：方案一一計(jì)算復(fù)雜雜，占用大大量單片機(jī)機(jī)資源，給給單片機(jī)造造成很大的的負(fù)擔(dān)，且且精度不高高。方案二二需要用到到真有效值值轉(zhuǎn)換芯片片AD6337，價(jià)格格昂貴，成成本太高。方案三電電路較為復(fù)復(fù)雜，但成成本低，精精度可以做做到很高，故故采用方案案三。二.系統(tǒng)總總體設(shè)計(jì)方方案和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)框圖2.1 系統(tǒng)總體體設(shè)計(jì)方案案將市電

6、通過過隔離變壓壓器輸入到到交流變頻頻電源系統(tǒng)統(tǒng)。隔離變變壓器的輸輸出經(jīng)過由由整流橋后后，產(chǎn)生全全波整流信信號，全波波整流信號號經(jīng)過濾波波生成直流流電，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)AC-DDC的轉(zhuǎn)換換。三相逆逆變器在單單片機(jī)產(chǎn)生生的三相SSPWM脈脈沖的控制制下產(chǎn)生三三相交流電電。逆變器器的輸出交交流電的頻頻率等于SSPWM脈脈沖的基波波頻率，通通過控制 DDS模模塊的可控控分頻比，實(shí)實(shí)現(xiàn)對調(diào)制制正弦波頻頻率的控制制。逆變器器輸出的三三相交流電電經(jīng)過緩沖沖吸收和LLC濾波電電路，生成成三相正弦弦交流電。利用互感感器對輸出的相相電壓、相相電流進(jìn)行行采樣，并并利用過零零檢測電路路結(jié)合單片片機(jī)的捕獲獲端口實(shí)現(xiàn)現(xiàn)頻率的測測量

7、。系統(tǒng)統(tǒng)根據(jù)采樣樣值計(jì)算各各相交流電電的電壓有有效值、電電流有效值值，交流電電的功率，并進(jìn)行控制和顯示。系統(tǒng)根據(jù)得到的各相交流電的有效值，采用PI算法，通過改變調(diào)制比控制SPWM脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)輸出線電壓的穩(wěn)定。2.2 系系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框框圖圖 SEQ 圖 * ARABIC 1 系統(tǒng)框架架圖三.理論分分析與計(jì)算算3.1 SPWMM逆變電源源的諧波分分析 在調(diào)調(diào)制度一定定，并且三三相共用一一個(gè)載波信信號的情況況下，對輸輸出線電壓壓進(jìn)行頻譜譜分析，可可以發(fā)現(xiàn)輸輸出線電壓壓的諧波角角頻率為：式中，為奇奇數(shù)時(shí)，=1，2； 為偶數(shù)數(shù)時(shí)， ； ； =0，11，2； ；=1，22。由式(3-1)可知知輸出線電電

8、壓的頻譜譜沒有載波波頻率的整整數(shù)倍次諧諧波分量諧諧波中幅值值較高的諧諧波分量是是和。從上述分析析可知：SSPWM波波形中所含含的諧波主主要是角頻頻率為、及其附近近的諧波。由于本設(shè)設(shè)計(jì)采用的的是異步調(diào)調(diào)制方式， ，所以PWM波形中所含的主要諧波分量的頻率比基波分量的頻率高很多，諧波分量很容易被濾出。3.2 三相交流流電電壓、電流有效效值和功率率的計(jì)算對于負(fù)載端端采用Y形形連接組成成的三相電電路，每相相交變電壓壓信號輸入入端相對于于Y形連接接公共點(diǎn)的的電壓稱為為相電壓，該輸電線線稱為火線線，采樣三相相四線制的的交變電路路有三條火火線，各相相電壓信號號間的相位位差為，火線之間間的電壓稱稱為線電壓壓。

9、假設(shè)輸電電線上輸送送的交變電電壓信號是是標(biāo)準(zhǔn)的正正弦信號，則則分別表示相相電壓和線線電壓的有有效值。因此當(dāng)線電電壓的有效效值，各相相相電壓的的有效值，每相中的的電流稱為為相電流，火火線中的電電流成為線線電流，在在Y形連接接中相電流流等于線電電流=。每相負(fù)載的的功率為= 其中分別別表示相電電流的有效值值、每相中中電流和電電壓的相位位差，由于于Y形負(fù)載載要求負(fù)載載嚴(yán)格對稱稱，因此每每相中電流流和電壓的的相位差都都是相等的的。所以三三相的總功功率為 當(dāng)YY形負(fù)載為為純阻性負(fù)負(fù)載時(shí)，每每相中電流流和電壓都都是同相的的，即，所所以當(dāng)Y為為形純阻性性負(fù)載時(shí)，三三相的總功功率為由于AD采采樣得到的的是正弦信

10、信號的幅值值、，由,即可得到到有效值。四.軟件設(shè)設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)主程程序流程單片機(jī)產(chǎn)生生SPWMM波形主程程序程序流流程圖如下下圖所示（圖圖3-1）圖 SEQ 圖 * ARABIC 2 程序流程程圖4.2 SPWM波產(chǎn)生算法法SPWM波波的產(chǎn)生，首首先存入單單片機(jī)的11000點(diǎn)點(diǎn)正弦表，讀讀取正弦表表每兩個(gè)點(diǎn)點(diǎn)之間的時(shí)時(shí)間間隔既既可決定輸輸出正弦波波的頻率，而而正弦表兩兩個(gè)點(diǎn)之間間時(shí)間間隔隔由定時(shí)器器T12決定定。對于不不同頻率計(jì)計(jì)算出正弦弦表中每兩兩點(diǎn)對應(yīng)的的計(jì)數(shù)值nn，作為TT12的周周期值，同同時(shí)將周期期數(shù)進(jìn)行累累加，在TT12周期期中斷時(shí)，將將累加值取取出作為遞遞增角度偏偏移，并將將

11、查表所得得正弦值作作為比較值值賦給比較較寄存器。通過外部部按鍵可改改變n，即即可改變輸輸出正弦波波頻率，進(jìn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變變頻的功能能。4.3 測測量系統(tǒng)軟軟件設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)軟軟件主程序序分為鍵盤盤掃描，SSPWM產(chǎn)產(chǎn)生，數(shù)據(jù)據(jù)計(jì)算，測測量顯示幾幾個(gè)部分。五.測試儀儀器與測試試方法5.1 測測量儀器1.交流調(diào)調(diào)壓器：00250VV交流可調(diào)調(diào)；2.Tekktronnix TTDS10002示波波器；3.FLUUKE數(shù)字字萬用表；4.滑線式式變阻器33個(gè)；5.失真度度測試儀。5.2 測測試方法及及數(shù)據(jù)1)變頻電電源輸出頻頻率范圍各各相電壓有有效值之差差的測試(1)測試試方法 將將調(diào)壓器的的輸出調(diào)到到200

12、VV，將負(fù)載載三相電阻阻的阻值都都調(diào)整到330。改變系系統(tǒng)的輸出出頻率，將將示波器和和交流電壓壓表分別接接到變頻電電源某一相相的輸出端端，調(diào)節(jié)示示波器，觀觀察波形是是否對稱，記記錄各相的的輸出的頻頻率值，同同時(shí)調(diào)節(jié)交交流電壓表表，記錄各各相相電壓壓有效值。測量的頻頻率點(diǎn)在220HZ-100HHZ之間時(shí)時(shí)， 100HZ一個(gè)個(gè)測量步進(jìn)進(jìn)。(2)測試試數(shù)據(jù)及結(jié)結(jié)果分析表格 SEQ 表格 * ARABIC 1 各相相相電壓頻率/Hzz2030405060708090100A相電壓/V20.79920.81120.80020.87720.69920.80020.80020.82220.811B相電壓/V

13、20.70020.74420.63320.80020.84420.67720.86620.64420.677C相電壓/V20.64420.69920.72220.81120.71120.70020.67720.84420.744最大相電壓壓差/V0.150.120.170.070.150.130.190.200.14數(shù)據(jù)表明本本變頻電源源系統(tǒng)的輸輸出頻率范范圍為200Hz-100Hz,在該頻頻段范圍內(nèi)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)變頻電源源輸出頻率率的精確設(shè)設(shè)定最大偏偏差%。各相電電壓的最大大偏差為00.2V。2）輸出線線電壓有效效值誤差測測量(1)測試試方法 = 1 * ROMAN I.變頻電電源的輸出出頻率

14、保持持在50HHZ,改變變調(diào)壓器使使輸入電壓壓在1988V2442V之間變化化，在負(fù)載載端用交流流電壓表并并聯(lián)在任意意兩個(gè)負(fù)載載的輸入端端，測量這這兩相的線線電壓有效效值。 = 2 * ROMAN II. 變變頻電源的的輸出頻率率保持在550HZ,保持調(diào)壓器器使輸入電電壓在2220V，改改變負(fù)載的的電阻值，用用交流電流流表測量負(fù)負(fù)載電流值值，使負(fù)載載電流從00.5A開開始每隔00.5A一一個(gè)電流步步進(jìn)，直到到負(fù)載電流流達(dá)到3AA。每調(diào)節(jié)節(jié)一次負(fù)載載電流值，在在負(fù)載端用用交流電壓壓表并聯(lián)在在任意兩個(gè)個(gè)負(fù)載臂的的輸入端，測測量這兩相相的線電壓壓有效值。 表格 SEQ 表格 * ARABIC 2 A

15、B相相間線電壓壓輸出電流/Hz0.51.01.52.02.53.0AB相間線線電壓/VV36.01136.02235.99935.977/輸入電壓/V198208218228238248AB相間線線電壓/VV36.02235.98836.01136.00035.97736.011(2)測量量數(shù)據(jù)及結(jié)結(jié)果分析可知輸出負(fù)負(fù)載電流11.5A恒恒定，和頻頻率50HHZ恒定，輸輸入電壓在在198VV-2422V之間變變化時(shí)，輸輸出線電壓壓的有效值值保持在336V,最最大偏差為為0.0883%?？芍斎腚婋妷罕３?220V恒恒定，輸出出電壓的頻頻率50HHZ不變，輸輸出負(fù)載電電流在0.5A-2A變化時(shí)時(shí)，

16、輸出線線電壓的有有效值保持持在36V,最最大偏差為為0.0883%。3)變頻電電源輸出電電壓、電流流、頻率和和功率的測測量(1)測量量方法改變自耦調(diào)調(diào)壓器的輸輸入電壓值值，改變變變頻電源的的輸出頻率率。在各相相的負(fù)載輸輸入端分別別用交流電電壓表，交交流電流表表測量該相相的電壓、電流有效效值，用示示波器測量量相電壓的的輸出頻率率，與系統(tǒng)統(tǒng)測量的電電壓有效值值、電流有有效值、頻頻率值對比比。功率的的測量是建建立在電壓壓有效值、電流有效效值測量的的基礎(chǔ)上，每每相的功率率等于該相相電流與電電壓的有效效值之積，變變頻電源的的總功率等等于三相各各相的功率率之和。表格 SEQ 表格 * ARABIC 3 輸出電電壓、電流流、頻率和和功率測量量電壓/V電流/A頻率/Hzz功率/W顯示值35.9991.5150.01194.133實(shí)際值35.8771.4649.99990.711誤差絕對值值/%0.33553.420.043.77 (2)測測量數(shù)據(jù)及及結(jié)果分析析分析可知，變頻電源源系統(tǒng)能準(zhǔn)準(zhǔn)確測量該該變頻電源源的輸出電電壓、電流流、頻率和和功率，并并且顯示值值和測量值值之間的誤誤差絕對值值小于5%。4)相電壓壓失真度測測量(1)測量量方法將變頻電源源的輸出經(jīng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)牡乃p后接接到失真度度測試儀，在在同一輸出出電壓下，改改變輸出頻頻率，用