电源技术中的一种三相正弦波变频电源设计电源技术中的一种三相正弦波变频电源设计
1引言 由于我国市电频率固定为50 Hz，因而对于一些要求频率大于或小于50 Hz的应用场合，则必须设计
一个能改变频率的电源系统。目前最常用的是三相正弦波变频电源。三相变频电源的主电路及控制电路按照三
套独立的单相电源进行设计。主电路采用交一直一交结构，包括整流器、直流滤波器、逆变器、交流滤波及变
压器等组成部分。其中，交-直部分为桥式整流，经交流接触器软启到电解电容滤波，得到平稳电流。三套单相
逆变电路输出互差120电角度，在变压器原边彼此电气独立，在变压器副边接成星形，输出所要求的三相交流
电。电压及波形控制针对单相输出，采用了三套独立的单相控制器，使三相电源的任一相均可以作为单相电源
独立使用
1引言引言
由于我国市电频率固定为50 Hz，因而对于一些要求频率大于或小于50 Hz的应用场合，则必须设计一个能改变频率的电
源系统。目前最常用的是三相正弦波变频电源。三相变频电源的主电路及控制电路按照三套独立的单相电源进行设计。主电路
采用交一直一交结构，包括整流器、直流滤波器、逆变器、交流滤波及变压器等组成部分。其中，交-直部分为桥式整流，经
交流接触器软启到电解电容滤波，得到平稳电流。三套单相逆变电路输出互差120电角度，在变压器原边彼此电气独立，在变
压器副边接成星形，输出所要求的三相交流电。电压及波形控制针对单相输出，采用了三套独立的单相控制器，使三相电源的
任一相均可以作为单相电源独立使用，并可适应任意不平衡负载，从而极大的提高了电源的负载适应能力。
2系统总体设计方案系统总体设计方案
AC/DC即为将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源
的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可
少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及
使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解
决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关
使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一
定的满意程度。
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整流桥后，产生全波整流信号。全波整流信号滤
波生成与输入交流电对应的直流电，从而实现AC／DC转换。该系统全波整流桥采用集成整流桥KBL406，三相逆变器模块
IM14400在89S52和FPGA产生的三相SPWM脉冲控制下产生三相交流电。SPWM脉冲基波频率等于调制波频率，系统采用这
种方法实现变频。将锰铜电阻分别串联到三相交流电的相线，采集锰铜电阻上的电压来测量该相交流电的电流。测量相电压采
用电压互感器降压，再通过AD637测量有效值。系统根据得到的各相交流电的有效值，控制SPWM脉冲的占空比，实现线电
压的稳定输出。系统采用等精度法实现变频电源系统频率的测量，根据测量的频率值和用户没定频率的差值，控制DDS生成
正弦波频率，从而稳定变频电源的频率。图1给出了系统总体框图。
3系统主要功能的实现系统主要功能的实现
3.1逆变功能逆变功能
为实现方便，提高性能，采用集成逆变器模块lM14400设计。在相应的三相SPMW控制下，输出三相交流信号。IM14400
是Cyntec公司的IPM系列器件的三相电机驱动器，它包含三相桥式逆变电路及相关控制、驱动电路。控制简单，适合该系统应
用。图2示出IM14400电路接线图。图2中，在IM14400的P、N端施加整流输出电压，经过光耦隔离、晶体管驱动后的SPWM
控制信号输入到IM14400，之后可在U、V、W端得到满足幅值要求的SPWM信号。
SPWM（Sinusoidal PWM）法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结
论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲
宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积
与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。
PWM的全称是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛地用
于电动机调速和阀门控制，比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调
制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流交
流逆变器等，比如高级一些的UPS就是一个例子。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，在变频器领域被广泛的采
用。
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