三相正弦波变频电源
摘要：本设计由整流滤波电路、DC-AC变换器、检测模块和单片机控制及显示模块4个模
块电路构成。系统以英飞凌单片机XE164FN为控制核心，采用规则采样法和DDS实现频
率可变的三相交流电SPWM信号输出，实现DC-AC转换，输出频率范围为20～100HZ，
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：变频电源三相正弦波逆变正弦脉宽调制
一．方案论证与比较
1.1三相逆变主拓扑方案
方案一：采用三个独立的单相逆变器经过一定的连接方式组成三相逆变，该系统可以三
相运行，也可以单相独立运行，灵活性较高。
方案二：如图1所示，采用三相三桥臂逆变电路拓扑，同一桥臂上、下两个开关管互补
通、断，输出的电压经滤波后得到三相交流电。
方案的选择：采用方案一所用元器件比较多，适用于高压大容量的逆变器。方案二所用
元器件少，电路简单，满足题目要求，故本设计采用方案二。
1.2SPWM（正弦脉宽调制）波产生方案
根据题目的要求将交流电经整流后，经过逆变从而产生三相正弦波电源。而实现三相正
弦波变频电源的关键在于逆变过程。对于小功率逆变电路一般都采用PWM技术，为了实现
正弦波变频电源，本设计采用了SPWM技术。实现SPWM有以下几种方案。
方案一：采用对称规则采样法。规则采样法一般采用三角波作为载波。其原理就是用
三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，
从而实现SPWM法。
方案二：采用自然采样法。以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个
波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。其优点是所得SPWM波形
最接近正弦波。
方案的选择：方案二由于计算繁琐，不适用于数字控制器实现。而对于现在的控制器来
说，软件可以生成一个较大的正弦表，使得计算变得简单，减轻单片机的工作量，故本设计
采用方案一。
1.3测量有效值电路方案
方案一：信号经互感器及调理电路处理后直接连接到A/D器件，单片机控制A/D器件
首先进行等间隔采样，并将采集到的数据存到RAM中，然后处理采集到的数据，可在程序
中判断信号的周期，根据连续信号的离散化公式，做乘除法运算，得到信号的有效值。
方案二：信号经互感器之后先经过真有效值转换芯AD637，AD637输出信号的有效
值模拟电平，然后通过A/D采集送到单片机，直接计算输出电压、电流有效值。
方案三：信号经互感器之后利用峰值检测电路保持为峰值送入单片机，再用正弦波幅值
和有效值的关系通过软件计算出有效值。
方案的选择：方案一计算复杂，占用大量单片机资源，给单片机造成很大的负担，且精
度不高。方案二需要用到真有效值转换芯AD637，价格昂贵，成本太高。方案三电路较
为复杂，但成本低，精度可以做到很高，故采用方案三。
二.系统总体设计方案和实现框图
2.1系统总体设计方案
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由整流桥后，
产生全波整流信号，全波整流信号经过滤波生成直流电，实现AC-DC的转换。三相逆变器
在单片机产生的三相SPWM脉冲的控制下产生三相交流电。逆变器的输出交流电的频率等
于SPWM脉冲的基波频率，通过控制DDS模块的可控分频比N，实现对调制正弦波频率
的控制。逆变器输出的三相交流电经过缓冲吸收和LC滤波电路，生成三相正弦交流电。利
用互感器对输出的相电压、相电流进行采样，并利用过零检测电路结合单片机的捕获端口实
现频率的测量。系统根据采样值计算各相交流电的电压有效值、电流有效值，交流电的功率，
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系统实现框图
交流输入不控整流三相逆变三相负载