三项正弦电源设计

高佳欢 孟紫腾 洪海慧 牛建辉 朱学森 静大鹏 杨兴旺

摘要：当前电力电子技术发展迅速，如何进一步提高电网供电性能，变频技术成为其中的关键。本文将设计三相正弦电源，用以驱动电机，并给出了详细的设计方案。

关键词：逆变电路，三相正弦电源，SPWM波

当前电力电子技术发展迅速，如何进一步提高电网供电性能，变频技术成为其中的关键。通过变频技术，可以把直流电变成交流电。利用三极管等功率半导体器件及其他电子器件，将三相交流电变成用于驱动电机的恒压恒频的电源，且具有输出频率稳定、电压穩定，结构简单，可靠性高等优点。

因此该项技术广泛应用于各个领域，如新能源汽车、飞机、舰船等。综上所述，研究这种电源具有极其重要的意义。

本文将设计三相正弦电源，用以驱动电机，并给出了详细的设计方案，提供相关测试结果。

1 系统方案设计

三相弦波电源由直流输入模块、逆变电路模块、lc滤波电路模块、主控单元模块、信号隔离驱动电路模块、人机交互模块、隔离反馈电路电路及LCD显示模块等功能电路构成。

首先，由STM32产生SPWM波，即正弦波脉宽调制信号，信号经过光耦隔离电路，用以三相逆变驱动电路的控制。经过LC滤波器，将直流电变为所需的三相电压信号。其中，输出正弦波的幅度和频率可调。电压、电流测量电路分别测量各相电压和电流的三相纯正弦波，数据经过 STM32处理后，于液晶显示器上显示结果。通过人机交互模块，如按键等，对输出进行控制。

控制系统由STM32单片机及按键电路、显示电路、信号调理电路、复位电路、保护电路等外围电路组成。

2 功能模块设计

2.1 逆变电路

逆变电路能够将直流电变为交流电，主要由电解电容、功率开关等电子器件构成。通过单片机输出的SPWM波控制开关元件的导通与关断，使之有规律变化，实现直流电变为交流电。

电流型三相桥式逆变电路，只适用于单个电机传动，以及加、减速运行频繁或者经常反向场合，不予考虑。故采用电压型三相桥式逆变电路，其特点为：其直流侧电压基本无脉动，输出电压波形是矩形波，输出的电流因负载不同而变化。同时，逆变电路各臂并联反馈二极管，更好控制输出信号。电压型三相桥式逆变电路适用于同时向多个电机供电，故采用此方案。

2.2驱动电路

由于利用CMOS器件驱动，开关速度低，而采用光耦合器驱动，因其自身的速度不高，限制使用频率。

故利用MOSFET栅极驱动控制专用集成电路芯片IR2130实现对生成的SPWM波的驱动放大。该系列驱动芯片由3组半桥驱动电路构成，三组电路相互独立，可同时为其上下桥臂提供死区时间，拥有栅极驱动器，高速高压功率驱动器。该芯片满足主电路对功率开关器件的要求。

2.3显示模块

可采用3块12864液晶，分别显示频率，电压大小及电流大小等相关参数。该液晶是一种是图形点阵液晶显示器，主要由行驱动器/列驱动器及128×64点阵液晶显示器组成，成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备显示领域。

2.4 LC滤波器

在输出端增加 LC滤波电路，用于改善由于高频带来的整个系统的电磁兼容性变差的情况，避免对后级系统造成一些不良影响。

2.5滤波电路

电源EMI噪声滤波器能够无衰减地将交流电传输到电源，同时使随之传入的EMI噪声衰减。可以抑制电源等设备产生的噪声，阻止其对其他电子设备的干扰。

3系统软件设计

3.1主程序设计

除了硬件电路设计外，软件设计在完整系统设计中也很重要。主程序主要包括输出调压程序、输出调频程序等。

3.2 SPWM 控制技术

本次设计采用 STM32F407单片机，将其最小系统作为主要控制模块，生成SPWM波，控制三相逆变器的工作。

3.3 正弦波脉宽的生成

根据SPWM的产生原理，在半周期内把 进行 N等分，可以得到每个小段的面积，取任意小段，记为i，使得矩形波幅值同输入的正弦波的幅值 相等，同时使任意小段的矩形波面积同与之对应的正弦波面积相等，可得到矩形波脉冲宽度值：

脉冲宽度按照正弦波规律变化，由此把脉冲宽度的一系列值生成一个表，通过查阅此表，单片机输出脉冲序列。通常，只需要保存半个周期正弦波的值，交替输出，即可生成完整的SPWM 波，这种方法大大节约了单片机存储空间，同时可以控制逆变器。

4 测试结果及讨论

4.1测试方案

硬件测试利用示波器、数字直流电源、电参数分析仪、数字万用表对电路连通性及其他性能进行测试。

软件仿真通过Proteus软件进行测试，对电路参数进行仿真及设置。

4.2测试结果

1）当接通电源后，能够提供三相对称的正弦波交流电，波形稳定平滑，相位差约为120°。

2）当负载线电流I0的有效值为2 A时，测量多次取平均值，得到线电压频率f0为50 Hz±0.3 Hz，U0的有效值为24 V±0.2V。

3）当负载线电流的有效值I0为2 A，利用电参数分析仪，可以直接测得交流母线电压的THD为1.2%。

5 结论

本文设计了程控三相正弦电源，并完成相关测试，符合要求的结果。

参考文献

[1]袁越，曹阳，傅质馨等. 微电网的节能减排效益评估及其运行优化 [J].电网技术 ，2012，32（08）：12-18.

[2]孙玉星，杨宏，苏乘风.中国光伏产业发展[J].半导体技术，2010，35（02）：101-104.

[3] 吴静平，何浪，王根平. 基于KMTOA 的三相光伏逆变器双环控制研究 [J]. 电工电气 ，2018（08）：14-19.

[4]杨勇，赵方平，阮毅 ，赵春江 . 三相并网逆变器模型电流预测控制技术 [J]. 电工技术学报 ，2011，26（06）：153-159.

[5]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].第5版.北京：机械工业出版社，2009.

作者简介：高佳欢（1998-），女，籍贯：河北保定人，北华航天工业学院，20级在读研究生，硕士学位，专业：电子信息。研究方向：嵌入式系统研究，FPGA技术研究.