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2 400Hz中频静止电源的实现原理
作为一种电源变换装置，400Hz中频静止电源将工频（50Hz）输入电压变换为频率为400Hz大小一定（115V/200V）的电压，整流和逆变是两个必不可少的环节，对逆变环节的控制是整个系统的核心它和逆变后的滤波环节一起决定了输出波形的质量。
2.1 系统总体框图
系统由主电路、检测调理电路、微控制器模块、光电隔离驱动电路和辅
助电源电路组成：
图1-1 系统总体设计方案框图
各个模块的作用：
（1）整流滤波模块：电网输入的交流电经三相桥式不可控整流电路整
流成有较大波纹的直流电，再经电容滤波后变成波纹较小的直流电压，提供给逆变器。
（2）三相桥式逆变器模块：把直流电压变成交流电压，其中开关器件
选用IGBT，具有开关频率高，耐电压高等优点。
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（3）LC滤波模块：滤除SPWM脉冲波中的高次谐波得到标准的正弦波。 （4）控制电路模块：检测输出电压、电流信号后，按照一定的控制算
法和控制策略产生SPWM波控制信号，通过IGBT驱动电路控制IGBT的通断从而保持电压波形的稳定。
（5）电压电流检测调理模块：根据要求，需要实时检测相电压、相电
流的变化，所以需要三路电压检测电路和三路电流检测电路。这些信号经过调理电路后变换为DSP能够接受的0-3v的电压信号输入到AD通道。
（6）辅助电源模块：为控制电路提供满足一定需要的直流电源，以保
证系统的稳定可靠的工作。
2.2 PWM逆变器工作原理
PWM逆变器是本电源系统的核心，PWM技术的理论依据是惯性对象脉冲响应的“冲量等效”现象。简言之，形状不同但冲量（幅值对时间的积分，即波形的“面积”）相等的窄脉冲激励信号施压于具有惯性的对象如低通滤波器时，它们所获得的响应基本相同。因此，可将期望输出的正弦电压波形假想成由一组等宽不等幅的片段组合而成，然后用一组冲量对应相等等幅不等宽（即脉冲宽度调制——PWM）脉冲将它们依次代替。后者可以由电子开关的通断控制实现。频谱分析表明：PWM脉冲电压具有与理想正弦电压相一致的基波分量，而其最低次谐波的频率可以提高到PWM调制频率(即开关频率，对应于每基波周期的脉冲个数)附近。因此，开关频率足够高时。利用较小的滤波器就可以将其中的谐波滤除。此外，只要同比地改变PWM脉冲宽度，还可以平滑地调节输出电压的基波幅值。
依据上述原理，可将任意波形用一系列冲量相同的窄脉冲进行等效。如图2.1所示的一正弦波，可将其N等分，将每一等分中的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等幅而不等宽的矩形脉冲的对称线和相应的正弦等分的中线重合。显然，各个矩形波脉宽是不同的，它们的宽度将按正弦规律变化。这就是SPWM控制的理论依据，由此得到的矩形脉冲序列称为SPWM波形。对上述等效调宽脉冲，在选定了分数N后，可以借助计算机严格的算出各段矩形脉
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冲宽度，以作为控制逆变器开关元件通断的依据。这种由控制线路按一定的规律控制开关元件的通断，从而得到等效于正弦波的一组等幅不等宽的矩形脉冲的方法称为正弦脉宽调制（SPWM）。
图 2-1 正弦脉宽调制
在实际应用中，人们常采用正弦波与三角波相交的方法来确定各段矩形脉冲的宽度。如图2.2(a)所示，三角波是上下宽度按线性变化的对称波形，如果任何一条光滑的曲线与其相交，并令该曲线值大于三角波时输出高电平，小于三角波时输出低电平，那我们就能得到一组等幅的、脉冲宽度正比于该函数值的矩形脉冲。如果使正弦波和三角波相交，则得到一组矩形脉冲，其幅值为直流电压的一半而宽度按正弦规律变化，我们称这里的正弦波为调制波，三角波为载波。
图2-2 正弦脉宽调制
以上介绍了PWM逆变器的基本原理，但这是用模拟的方法，在本系统中用数字方法来实现，在下文中会介绍数字化的SPWM算法。
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2.3 硬件电路设计
2.3.1 主电路的设计
中频电源系统主电路如图所示，采用AC-DC-AC复合变流电路。它包括全桥整流电路、DC/AC逆变桥和输出滤波器三部分。
图2-3-1 主电路拓扑
AC/DC整流电路将输入的220V的交流电变换成直流电压，作为DC/AC逆变桥的输入电压。
DC/AC逆变桥由六个IGBT功率器件构成，其作用是将全桥整流电路输出的直流电压变换成基波频率为400Hz的调制电压波。
输出低通滤波电路由滤波电感Lf，滤波电容构成，其作用是将DC/AC逆变桥输出的含有高次谐波分量、基波频率为400Hz的调制电压波滤成低谐波含量(THD)115V/400Hz的交流正弦波，供交流负载使用。 （1）整流电路参数计算
输入为交流电压220V，其峰值电压2202=311V。由于滤波电容的作用，
其输出直流最大电压约为310V左右。本电源样机的额定容量为200VA，为了降低难度本电源只带阻性负载，要求整机效率为85%，则有输入功率为200/0.85=235(W)，系统工作时，考虑到电压会下降，设电压值为(1.1～1.2)*220V，则输入电流平均值Iun为 235/(1.1×220) ＝0.97(A)，考虑到输入电压的波动及降额使用，由于电网波动造成的浪涌电流，因此必须保留一定的安全裕量。因此整流电路元件选取整流模块为20A、600V的标准整流模块。 （2）功率开关的选取
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