三相正弦波变频电源.doc

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1、Abstract摘要本论文设计的是一个三相正弦波变频电源，即当输入电压为220V，50Hz时，输出为线电压有效值36V，输出频率范围20Hz100Hz，满足了工业设备和家用电器的需求，特别是应用于电动机调速。本设计从硬件和软件两方面设计，利用PIC系列单片机具有A/D转换模块，CCP模块，LCD驱动模块的优点，将PIC单片机与输入设备(键盘)，输出设备(LCD显示器)连起来构成测量显示电路。将PWM信号控制逆变电路，控制该脉冲的宽度改变输出电压的幅值，改变脉冲的调制周期来改变输出电压的频率。在测量交流电压时，通过真有效值转换电路，可以测得电压的有效值，通过ADC模块，将测量的电压有效值显示在L

2、CD显示器上，利用I/V，F/V转换器，同样可测得电流，频率。PIC系列单片机采用的是RISC精简指令集及其独立分开的数据总线和指令总线的哈佛结构，具有指令集小和简单易学等特点，且允许其指令码的位数多于8位的数据位数，PIC16F877数中级系列产品，其指令有37条，每条指令的字长为14位。关键词：三相正弦波；变频；正弦波脉冲宽度调制；PWMAbstractThis thesis is a three-phase sine wave inverter power supply, that is to say, when the input voltage is 220V and 50Hz, t

3、he output for the line voltage is over 36V, and the output frequency is range from 20Hz to 100Hz.It is used to meet the needs of industrial equipment and household appliances.In particular, it is applied to motor speed. The design is from both hardware and software,which uses PIC MCU with A / D conv

4、erter module, CCP modules, LCD driver module. The advantages of the PIC MCU are the input device (keyboard) and output device (LCD display) with up and form measurement display circuit. PWM signal is used to control the inverter circuit. Control the pulse width changes the output voltage amplitude,

5、pulse modulation period changed to change the frequency of the output voltage. In the measurement of AC voltage, through the RMS conversion circuit, the RMS voltage can be measured through the ADC module.The measured voltage is displayed on LCD monitors, the use of I / V, F / V converter, the same c

6、an be measured current, frequency. PIC MCU uses a RISC Reduced Instruction Set and independent separate data bus and instruction bus of the Harvard architecture, instruction set that has the characteristics of small and easy to learn, and to allow their script more than 8 bits of data bits , PIC16F8

7、77 number of intermediate products, the instructions are 37, each instruction word length to 14.Key words: three-phase sine wave;vary frequency; sinusoidal pulse width modulation;PWM目录目录摘要1Abstract2第一章 绪论11.1 课题的目的意义11.2 近年来国内外研究现状11.3 基本要求21.4 设计要求2第二章 方案论证32.1 变频器的类别32.2 AC-DC模块42.3 DC-DC模块42.3.1

8、MOSFET驱动电路52.3.2 PWM波产生电路62.4 DC-AC模块62.5 测量模块112.5.1 电压测量112.5.2 电流测量122.5.3 频率测量122.5.4 功率测量142.6 控制模块14第三章 硬件部分设计153.1 整流滤波电路153.2 斩波和驱动电路153.3 逆变和驱动电路163.5 真有效值转换电路213.6 单片机及其外围电路233.7 电源电路27第四章 软件部分设计284.1 PWM波的实现284.2 ADC的实现294.3 矩阵式键盘的设计304.4 液晶显示驱动的设计314.5 SPWM波的实现324.6 系统总体软件设计33第五章 系统测试355

9、.1 测试仪器与设备355.2 指示测试35结论39参考文献40致谢41附录一 总体电路142附录二 总体电路243附录三 程序清单44第一章 绪论第一章 绪论随着电力电子技术的发展，正弦波输出变压变频已被广泛应用在各个领域中，同时对变压变频电源的输出电压波形质量也提出了越来越高的要求，对逆变器输出波形质量的要求主要包括两个方面：一是稳态精度高；二是动态性能好。因此，研究开发既简单又具有优良动静态性能的逆变器控制策略，已成为电力电子领域的研究热点之一。1.1 课题的目的意义随着科学的发展，变频器的使用也越来越广泛，不管是工业设备上还是家用电器上都会使用到变频器。由于世界各国电网指标不统一，出口

10、电器厂商需要一种电源来模拟不同国家的电网状况，为工程师在设计开发生产线测试及品保的产品检测、寿命、过高压/低压模拟测试等应用中提供纯净可靠的、低谐波失真、高稳定的频率和稳压率的正弦波电力输出，另外进口原装电器、设备的用户也需要对我国电网进行变压变频以保证进口电器、设备的正常运转，还有为满足航空电子及军事设备高频的需求，故设计出了三相正弦波变频电源。变频电源主要用于对进出口电器产品的用电检测、调试，及用于精密仪器的供电，广泛适用于家电制造业、电子制造业、IT产业、电脑设备，实验室及测试单位，航空，军事单位，医疗设备，铁路，石油钻井平台等需要不同电力及特殊要求的场所。通过对三相正弦波变频电源的设计

11、，培养综合运用所学知识分析与解决实际问题的能力，增强计算，绘图，编制技术文件和动手制作的能力，强化实际应用技能训练，为今后在电子系统设计和开发方面打下基础，并将四年所学的专业知识应用到设计中，还自学了关于PIC单片机有关的知识。1.2 近年来国内外研究现状当今国际上先进的变频电源是采用IGBT逆变输出技术，用先进微处理器控制设计而成的高性能精密电源，它具有过流、短路、过压、欠压、过载等保护及报警故障显示功能，确保用电设备及变频电源安全；具有负载适应性强，输出波形品质好，良好的人机界面，操作简单，体积小，重量轻等特点；正弦波输出，可调输出电压及频率的变频电源为用电设备提供了所需要的交流电。国内研

12、究的变频电源以独特的技术特点和优越的性价比，形成紧凑型变频电源、常规型变频电源、精密型变频电源以及中频电源四大系列产品，分别满足不同客户对变频电源的需求。特点：1波形失真度小：0.5%；2电压稳定度高：0.2%；3紧凑型变频电源无输出变压器，体积小，重量轻，价格廉；4精密型变频电源干扰小、失真度小，能满足EMI中谐波测量要求；5独特的能量自循环负载技术保证了每台电源均经过老化试验，可靠性高。1.3 基本要求(1)当输入电压为220V时，负载电流有效值为0.53A；(2)输出线电压有效值稳定在36V以上；(3)输出频率范围20Hz100Hz；(4)过电压过电流保护告警装置；(5)测量显示：电压、

13、电流、频率、功率。1.4 设计要求(1)在调试过程中，注意安全；(2)必要时可以在隔离变压器前使用自耦变压器，调整输入电压，可用三相电阻箱模拟负载；(3)测量失真度时，应注意输入信号的衰减以及与失真度仪的隔离等问题；(4)测量功率可通过电流电压的测量计算。48第二章 方案论证第二章 方案论证2.1 变频器的类别1. 按变换环节分(1)交交变频器：把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源，其主要优点时没有中间环节，故变换效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。(2)交直交变频器：先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆

14、变成频率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此在频率的调节范围及改善变频后电动机的特性等方面都具有明显的优势，目前迅速的普及应用的主要是这一种。2.按电压的调制分(1)PAM(脉幅调制) 变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制，在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。(2)PWM(脉宽调制) 变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制，目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制方式(SPWM)。3.按直流环节的储能方式分(1)电流型 直流环节的储能元件是电感线圈(2)电压型 直流环节的储能元件是电容器三相正弦波变频电源系统方框图如图

15、2-1所示。图2-1 三相正弦波变频电源系统框图AC-DC模块的作用是把交流电变换成直流电，DC-DC模块的作用是将未经调节的不可控直流电压变换成按要求进行调整的可控直流电压，DC-AC模块的作用是将直流电变换成幅值及频率均可控制的正弦交流输出，PIC控制模块：用来驱动DC-DC，测量负载的电压，电流，频率，功率并在显示器上显示出来。下面对各个模块进行讨论。2.2 AC-DC模块图2-2 AC-DC的原理图原理图如图2-2所示，图中Tr是变压器，将220V降至100V，三相不可控桥式整流器，将交流电变成直流电，输出纹波小，功率处理能力较高，整流电路的输出电压包含一定的直流成分，须经过滤波才能得

16、到较平滑的直流电压。当单独使用电容或电感进行滤波效果仍不理想时，可采用复式滤波电路。本图所示为RC型滤波电路，为了保护整流桥，在变频器刚接通电源后的一段时间里，电路内串入限流电阻R1。其作用是将电容器C1的充电电流限制在允许范围之内，开关S0的功能是：当C1充电到一定程度时，令S0接通，将R1短路。图2-3 DC-DC的原理图2.3 DC-DC模块原理图如图2-3所示，由于实际负载多是感性的，即使是电阻性负载，也还存在着杂散电感，这意味着开关总要吸收电感能量，因而，可能引起开关损坏；输出电压在0Vd间跳变，这在许多应用中是不允许的。解决的途径是：通过图2-3中二极管续流方式释放储存在电感中的能

17、量，即在开关导通区间，由于二极管呈反向偏压，由输入端向负载和电感提供能量，而当开关断开时，电感电流经续流二极管将储存能量释放给负载，利用电感和电容元件组成的低通滤波器可削弱输出电压的跳变现象。方案一：开关器件选用双极型功率晶体管(BJT)，当有足够大的电流从基极流过，就能使集体管处于完全导通状态，因而要求控制电路能提供足够的基极电流，功率晶体管的饱和通态电压通常在12V之间，因而BJT的通态功耗很小。方案二：选用MOS场效应管(MOSFET)，由于采用了MOS集成技术，这类器件克服了BJT开关速度低、驱动功率大等性能限制，它属于单极型、电压驱动控制晶体管器件，这种器件的开关时间极短，一般在数十

18、纳秒至数百纳秒之间，MOSFET通态电阻较小，因而通态功耗较低。方案三：选用绝缘栅双极晶体管(IGBT)，它是80年代初功率半导体器件技术与MOS工艺技术相结合研制出的一种复合型器件。它将MOSFET器件门极驱动功率小、控制电路简单和BJT器件电流大、电压高等优点集成为一体，是近年来发展最快并且有广泛应用前景的新型功率器件，由于IGBT物理结构上的原因，其G-C极间存在有寄生晶体管作用，当器件两端出现过高的电压变化或工作电流较大超过额定值时。可以使该晶闸管导通，进而使等效BJT管的基极被箝制在零电位，以至于BJT被“锁定导通”，失去门极控制作用，即所谓的擎住效应。本设计采用方案二。在DC-DC

19、部分选定斩波电路方案后，斩波电路开关MOSFET需要驱动电路来控制关断，在给定直流输入电压下，通过调节电路开关器件的通断时间来控制平均输出电压，输出电压控制方法之一就是采用某一固定频率进行开关切换，并通过调整导通区间长度来控制平均输出电压，这种方法也称为脉宽调制(PWM)法。2.3.1 MOSFET驱动电路由于单片机为弱电系统，为保证安全需要与强电侧隔离，防止强电侧的电压回流，先用开关光耦进行光电隔离，再经三极管到MOSFET的驱动电路IR2101，IR2101是专门用来驱动耐高压高频率的N沟道MOSFET的。如图2-4所示为MOSFET驱动电路。图2-4 MOSFET驱动电路图2.3.2 P

20、WM波产生电路方案一：图2-5所示为PWM控制信号的形成过程框图。图2-5 PWM控制信号的形成过程框图方案二：采用PWM集成芯片，可供选择的PWM专用芯片有许多种，集成芯片TL494就可以采用。方案三：PIC16F877内部具有CCP模块，通过对其编程，产生PWM信号。本设计采用方案三。2.4 DC-AC模块1逆变管V1V6如图2-6所示，V1V6组成逆变桥，把VD1VD4整流所得的直流电，再逆变成频率可调的交流电，这是变频器实际变频的具体执行环节，因而是变频器的核心部分。图2-6 DC-AC的原理图2.续流二极管VD7VD12在图2-6中，二极管VD7VD12的主要功能是：(1)电动机的绕

21、组是电感性的，其电流具有无功分量，VD7VD12为无功电流返回直流电源时提供通道；(2)当频率下降，电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过VD7VD12返回给直流电路；(3)V1V6进行逆变的基本工作过程是，同一桥臂的两个逆变管处于不停地交替导通和截止的状态，在这交替导通和截止的换相过程中也不停的需要VD7VD12提供通路。3.缓冲电路(R01，VD01，C01R06，VD06，C06)不同型号的变频器中，缓冲电路的结构也不尽相同，在图2-6中：(1)C01C06 逆变管V1V6每次由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极和发射极间的电压Vce将极为迅速的由近乎0V上升至直流电压值Vd，这

22、过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。因此，C01C06的功能便是减小V1V6在每次关断时的电压增长率。(2)R01R06 V1V6每次由截止状态切换成导通状态的接通瞬间，C01C06上所充的电压将向V1V6放电，此放电电流的初始值将是很大的，并且将叠加到负载电流上，导致V1V6的损坏。因此，R01R06的功能是限制逆变器在接通瞬间C01C06的放电电流。(3)VD01VD06 R01R06的接入，又会影响C01C06在V1V6关断过程中，使R01R06不起作用，而在V1V6的接通过程中，又迫使C01C06的放电电流流经R01R06。方案一：电压型三相桥式逆变电路(a)(b) (c) (d) (

23、e) (f)(a)三相逆变主电路 (b)180导电波形 (c)星形负载 (d)T5、T6、T1导通等值电路(e)T6、T1、T2导通等值电路 (f)T1、T2、T3导通等值电路图2-7 电压型三相桥式逆变电路及其波形图2-7(a)是电压型三相桥式逆变电路。同一桥臂上下两个开关管互补通断，如C相桥臂上管T1导通时，下管T4截止；T4导通时，T1截止。当T1(D1)导通时，节点C接于直流电源正端，；当T4(D4)导通时，节点C接于直流电源负端，。同理，B点和A点也是根据上下管导通情况决定其电位，按图2-7(a)中依序标号的开关器件，其驱动信号彼此间相差60o。若每个开关管的驱动信号持续180o，如

24、图2-7(b)所示，则在任何时刻都有三个开关管同时导通，并按1、2、3；2、3、4；3、4、5；4、5、6；5、6、1；6、1、2顺序导通，从而能获得图2-7(b)所示的宽度为120o、幅值为VD彼此相差120o的输出线电压VAB、VBC、VCA波形。VAB=VAO-VBOVBC=VBO-VCO (式2-1)VCA=VCO-VAO逆变器的三相负载可按星形或三角形连接。当负载为2-7(c)所示星形接法时，必须先求出负载的相电压VAN，才能求出逆变器输出电流。由图2-7(b)波形图可知，在输出半周内逆变器有下述三种工作模式(开关状态)。(1)模式一(0wtp/3)T5、T6、T1有驱动信号，三相桥

25、的A、C两点接正端P，B端接Q。由图2-7(d)，等效电阻 (式2-2)(2)模式2(p/3wt2p/3)T6、T1、T2有驱动信号，三相桥的A两点接正端P，B、C端接Q。由图2-7(e)，等效电阻 (式2-3)(3)模式3(2p/3wtp)T1、T2、T3有驱动信号，三相桥的A两点接正端P，B、C端接Q。由图2-7(f)，等效电阻 (式2-4)根据上述分析，星形负载电阻上的相电压VAN、VBN、VCN波形是(b)所示的阶梯波，如果时间坐标起点取在阶梯波的起点，纵坐标为图中实线OY所示，利用傅里叶分析则图2-7(b)中A相电压的瞬时值为 (式2-5)基波幅值 (式2-6)无3次谐波，只含5、7

26、、11、13次高阶奇次谐波，n次谐波幅值为基波幅值的1/n，若将时间坐标起点取在阶梯波的中点M，则该阶梯波的瞬时值为(式2-7)同一个电压波形，时间坐标原点取得不同时，其傅里叶级数表达式不同，但基波谐波数值特性是一样的。图2-8 电流型三相桥式逆变电路方案二：电流型三相逆变如图2-8所示为电流型三相桥式逆变电路，逆变器的供电电源是电流源(图中的电感很大，使iD近似恒流，故称之为电流型逆变器)，负载电阻为星形接法。已知iA、iB、iC后很容易求得负载相电压，如VAN=RiA。在图2-8中，线电压VAB=VAN-VBN=R(iA-iB)，于是线电压也就知道了。本设计选用方案一。IGBT驱动电路通M

27、OSFET驱动电路。2.5 测量模块2.5.1 电压测量将三相电压分别取样后，经真有效值转换电路转换成直流电平，经PIC16F877中的ADC模块转换为数字量交给控制器处理。电路如图2-9所示。图2-9 真有效值转换电路IC3为精密半波整流电路，IC4为平均值有效值变换电路。IC3的输入端电压V是经衰减器和电压跟随后得到的电压，此交流电压被限制在2V以下，由IC3半波整流后变换成V均，再经IC4修正使之成为电压的V有，C1为平滑电容，将半波整流后的电压变为平滑，RW1用于调节输出电压的平均值，使之与有效值相等。2.5.2 电流测量方案一：电流电压传感器，交流电流信号转换为电压信号，经真有效值转

28、换电路转换为直流电平，经PIC16F877中的ADC模块转换为数字量交给数字量处理。方案二：电流/电压转换器图2-10 电流/电压转换框图2.5.3 频率测量方案一：频率计方案二：任取一相电压经整流电路整形后直接传送给控制器进行测试。方案三：经过频压转换器FVC，将三相正弦波中任意一相得周期波形产生与输入频率成比例的模拟量输出。通过适当调整阈值，增益及线性误差很低的输出失调电压，FVC可为频率电压转换所要求的许多应用提供一种经济的解决方法。图2-11为由LM311V/F转换器构成的两种F/V转换电路。(a)简单接法(b)精密接法图2-11 由LM331组成的F/V转换电路图2-11(a)为简单

29、的F/V转换电路，其输出关系可以表示为 (式2-8)图2-11(b)为精密F/V转换电路，其输出关系可以表示为 (式2-9)图2-12 LM311的引脚图由上面两个关系式都可看出，fi正比于VO，满足F/V转换关系。电路中，输入脉冲频率fi经过RC网络接到电压比较器阈值端上，脉冲的下降沿使输入比较器触发定时电路，1脚输出的平均电流I=i(1.1RtCt)，将此电流经过RC网络滤波即可得到与fi信号频率成正比的直流电压。在图2-11(a)中，R6=100kW，C3=1mF，对电流进行滤波的纹峰值小于10mV。在图2-11(b)中，由于运算放大器的缓冲作用，实现了双极点的滤波功能，对于所有高于1k

30、Hz的输入频率，电路的纹峰将要比图2-11(a)更差。图2-12所示为LM311的引脚，引脚1(PIN1)为电流源输出端。引脚2(PIN2)为增益调整，改变R6，C3的值可调节电路转换增益的大小。引脚3(PIN3)为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由R5和C2决定。引脚4(PIN4)为电源地。引脚5(PIN5)为定时比较器正相输入端。引脚6(PIN6)为输入比较器反相输入端。引脚7(PIN7)为输入比较器正相输入端。引脚8(PIN8)为电源正端。本设计采用图2-11(a)所示电路。2.5.4 功率测量在相电压，相电流测得之后，功率由控制器计算得出。2.6 控制模块方案一：PIC单片机PIC1

31、6F877具有明显优点：内部具有10位ADC；内部具有CCP模块和三组定时器，可以产生PWM信号；芯片的每一个I/O引脚都有直接驱动LCD的能力(其最大灌电流和拉电流分别可达25mA和20mA)，这样在不少场合就可以省去电流驱动器，从而降低了系统成本和电路的复杂性。方案二：80C51+FPGA控制系统：单片机为核心的单片机最小系统，配有按键，E2PROM，温度传感器等外围器件。本设计采用方案一。第三章 硬件部分设计第三章 硬件部分设计市电经整流滤波电路后由交流变成直流，又经斩波和驱动电路，将直流变成幅值可调的直流电压，又经逆变和驱动电路，在PIC16F877产生的PWM信号的控制下，逆变成频率

32、可变的三相正弦波交流电，PIC16F877对星形负载的任一相取样，经真有效值转换电路，由PIC16F877将值存储并显示在LCD上，由键盘可设定逆变输出电压的频率，显示数值类型(u，i，f，p)。3.1 整流滤波电路图3-1整流滤波电路原理图图3-1为整流滤波电路原理图，Tr为隔离变压器220V/100V，RC-p型滤波电路：对于交流，因XC2/RLR2，使直流绝大部分降至RL上，因UC1=1.2U2，经RL分压得3.2 斩波和驱动电路如图3-2所示，光电耦合器是一种把发光器件和光敏器件封装在同一壳内的光电转换器件(电信号-光信号-电信号)，当给输入端加电信号，内部发光器件发光，光检测器件检测

33、到光，再形成光电流输出。这样，利用光将信号耦合到输出端，输入端与输出端之间实现电隔离，输出信号对输入端无反馈，输入端与输出端之间有10101012W的高绝缘电阻，分布电容小于1pF，这就大大增强了抗干扰能力。OPTOISO1为塑料封装双列直插式光电耦合器。IR2101是专门用来驱动耐高压高频率的N沟道MOSFET和IGBT的。图3-2 斩波和驱动电路图3-3 IR2101的引脚图引脚7和5是两路独立的输出，分别是LO(低端输出) 和HO(高端输出)，引脚1和8分别是VCC(低端电源电压)和VB(高端浮置电源电压)，引脚4(COM)是低端电源公共端，引脚6是VS(高端浮置电源公共端)，引脚2(H

34、IN)是逻辑输入控制端，引脚3(LIN)是低端逻辑输入。开关管为MOSFET管，其瞬时值输出电压由开关状态确定，可以用开关占空比计算出平均输出电压 (式3-1)由此可见，通过改变占空比即可控制平均输出电压VO。3.3 逆变和驱动电路正弦波脉冲宽度调制的基本原理：逆变器理想的输出电压是图3-5(a)所示的正弦波u(t)=U1msinwt。逆变电路的输入电压是直流电压UD，依靠开关的通、断状态变换，逆变电路只能直接输出三种电压值+UD、0、-UD对单相电桥逆变器四个开关进行实时、适式的通、断控制，可以得到图3-5(b)所示在半个周期中有多个脉波电压的交流电源uab(t)。图中正、负半周(180)范

35、围被分为p个(p=5)相等的时区，每个时区宽度为图3-4 逆变和驱动电路 (a)正弦电压(b)SPWM等效电压图3-5 用SPWM电压等效正弦电压，每个时区有一个幅值为UD、宽度为qm的脉冲电压，相邻两个脉冲电压中点之间的距离相等()。5个脉冲电压的分别为q1、q2、q3、q4(=q2)、q5(=q1)，如果要求任何一个时间段的脉宽为qm、幅值为UD的矩形脉冲电压uab(t)等效于该时间段的正弦电压u(t)=U1msinwt，首要的条件应该是在该段时间段中两者电压对时间的的积分值相等，即 (式3-2) (式3-3)式中，第m个时间段中，矩形脉冲电压作用时间对应的脉宽角度为qm，故 (式3-4)

36、例如，图3-5(a)、(b)中正弦波第1段的起点a=0，终点，按面积相等原则，第一个幅值为UD的矩形脉冲其脉宽1应为 (式3-5)第m个时间段的幅值为UD的矩形脉冲其宽度qm应为 (式3-6)因此，第25时间段幅值为UD的矩形脉冲的宽度q2、q3、q4、q5分别为：当m=2时，当m=3时，当m=4时，当m=5时， (式3-7)采样控制理论有一个重要的原理冲凉等效原理：大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要他们的冲量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。大小、波形不相同的两个窄脉冲电压在某一时间段的正弦电压于与一时间段的等幅脉冲电压作用于L、R电路时，只要两个窄脉冲电压的冲量相等，则

37、它们形成的电流响应就相同。因此要使图3-5(b)的PWM电压波在每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲还必须很窄，这就要求脉冲数量p很多，不连续的按正弦规律改变宽度的多脉冲电压uab(t)就越等效于正弦电压。从另一方面分析，对开关器件通、断状态进行实时、适式的控制，使多脉冲的矩形脉冲电压宽度按正弦规律变化时，通过傅立叶分析可以得知，输出电压中除基波外仅含某些高次谐波而消除了许多低次谐波，开关频率越高，脉冲数也多，就能消除更多的低次谐波。如果按同一比例改变所有矩形波的宽度q，则可以成比例的控制输出电压中的基波电压数值。这种控制逆变器输出电压大小及波形的方式被称为正弦波脉宽调制SPWM。采用

38、软件生成SPWM波设三相逆变器电路的输出分别为A相、B相、C相。就A相而言，UA(t)=U1msinwt，将正弦函数一周分为2p个部分，考虑到对称性，只要计算正半周，负半周自然得到，即正半周分为p等分。第m个时间段的幅值为UD的矩形脉冲，其宽度m计算按式3-6计算，即 (式3-8)那么第m个时间段中，矩形脉冲电压的作用时间tm对应的相位宽度为m故 (式3-9)而每个区间的相交宽度为，则占空比系数D为 (式3-10)有以上两个式子可知，当参数U1m、UD、p和f被预置之后，通过Matlab仿真工具不难制出SPWM函数表。顺便指示，根据题意要求变频电源输出频率在50Hz以上时，输出相电压的失真度小

39、于5%，所以值不能太小，太小会使失真度这项技术指标不能满足，但太大了又会影响运算速度和占用太多的存储单元。要折衷考虑，这个问题最好通过实验解决。利用此方法容易实现PWM波。这就是前面提到的PWM波产生的方案三，PWM波是等幅宽度的矩形波，而SPWM波是等幅不等宽的矩形波。3.4 过压过流告警电路当电源供给电压或负载吸取的电流太大时，下图电路可断开负载给出故障指示。图3-6 过压过流告警电路正常工作时，Tr1和Tr2均截止，555复位，555中的放电晶体管导通，它从Tr3基极吸取电流，使Tr3处于饱和，电源Ui便直接送负载。当负载吸取电流超过规定时，R6上压降增加，使Tr1导通，555被触发，于

40、是内部放电，晶体管截止，跟着Tr3也截止，将电源与负载隔离，这时555处于单稳态，单稳时间一致，只要负载电流现象不排除，555又重新触发，Tr3继续将负载隔离。若负载出现过压，则经R4、Rw1、D1后Tr2导通，也使555导通，Tr3这时也将负载隔离。对于过流或过压，555的“3脚”均将输出高电位，使LED发光，表示负载处于隔离状态，由于Tr3或者处于饱和，或指责处于截止，因此只用一只功率晶体管便可工作。555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555。555的内部结构可等效成23个晶体三极管，17个电阻，两个二极管，组

41、成了比较器，RS触发器等多组单元电路，特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器，为上、下比较器提供基准电压，所以称之为555。内部结构如图3-7所示。图3-7 555定时器的内部结构图555引脚图介绍如下1 地GND2 触发输入端图3-8 555定时器的引脚图3 输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平；2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1VCC/3，此时3脚输出高电平。4 复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何

42、，输出端3脚都输出低电平5 控制端6 为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2VCC/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1VCC/3时才有效。7 放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高(或低)、7脚称为虚高8 集成电路工作电压输入端，电压为518V，以VCC表示；从分压器上看出，上比较器A1的5脚接在R1和R2之间，所以5脚的电压固定在2VCC/3上；下比较器A2接在R2与R3之间，A2的同相输入端电位被固定在VCC/3上。3.5 真有效值转换电路在图3-9中，IC3为精密半波整流电路，IC4为平均值

43、有效值变换电路。平波整流后的平均值与有效值的关系如下图所示，Vm为输入端电压V均的峰值。(注：V1即Vm，V2即V有，V3即V均)V有、V均、Vm之间的关系由图3-10可知： (式3-11)图3-9 真有效值转换电路图3-10 半波整流后的平均值与有效值的关系IC4是平均值有效值变换电路，其作用是将IC3半波整流后得到的输出电压加以平滑和放大，即将V均放大到V有。放大倍数为 (式3-12)IC4为反向放大器，放大倍数由R5、R6和RW1确定，当R5=20kW时，R6+RW1=AVR5=2.2220kW=44.4kW，选R6=39kW，RW1为10kW的可调电位器。下面验证电路如输入电压V有=2

44、V，Vm=2V=2.828V，IC3输出半波整流电压，其V均=0.318Vm=0.9V，IC4输出直流电压为AVV均=2.22V均=2V。所以，上面的电路设计达到了交流电压测量的目的，C1为平滑电容，将半波整流后的电压变为平滑，RW1用于调节输出电压的平均值，使之与有效值相等。3.6 单片机及其外围电路图3-11 单片机及其外围电路原理图PIC是Peripheral Interface Controller(外围接口控制器)的缩写，无需再扩展程序存储器，数据存储器和A/D转换器等外部芯片。PIC16F877属于PIC中级产品，14位RISC指令系统，8位数据线，DC-4MHz时钟，最快指令周期200ns，多种中断，带A/D转换器，内部E2PROM数据存储器与程序存储器FLASH，有捕获比较脉宽调制CCP模块，I2C和SPI接口，通用同步异步接收发送器USART,模拟电压比较器及LCD驱动等。输入输出口：A、B、C、D、E五组；有一个模拟数字转换模块，当需要检测模拟信号时相当方便。虽然PIC16F877只有一个A/D转换模块，但它最多可支持8个通道的模拟输入，模拟输入的模拟参考电压可以再寄存器中设定，它以单片机的的电压VDD为基准，A/D转换的模块有10位的