【正文】 述了變頻調速的基本原理。2. 變頻器控制系統(tǒng)的控制策略及功能實現(xiàn)。3. 介紹了控制器的硬、軟件結構。4. 三相 PWM 技術及變頻調速的仿真研究。第2章 通用變頻器的結構及工作原理 通用變頻器的基本結構變頻器分為交交和交直交兩種形式。交交變頻器可將工頻交流直接變換成頻率、電壓均可控的交流，又稱為直接式變頻器。而交直交變頻器則是先把工頻交流點通過整流器變成直流電，然后把直流電變成頻率、電壓均可控的交流電，它又稱之為間接式變頻器。本文的目的是研究通用變頻器，所以主要是交直交變頻器。這種結構主要包括整流環(huán)節(jié)、中間環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)。其中間直流環(huán)節(jié)是儲能元件，用于負載和直流電源之間的無功功率交換，根據(jù)此儲能元件是電容還是電感，將變頻器分為電壓型和電流型兩大類。變頻器的基本構成如21所示，由主電路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制電路組成，分述如下：1. 整流器：電網(wǎng)側的變流器Ⅰ是整流器，它的作用是把三相（也可以是單相）交流電整流成直流電。2. 逆變器：負載側的變流器Ⅱ為逆變器。最常見的結構形式是利用六個半導體主開關器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關器件的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流電輸出。3. 中間直流環(huán)節(jié)：由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載。無論電動機處于電動或者發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會為1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或者電抗器）來緩沖。所以又稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。4. 控制電路：控制電路常由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅動電路等構成。其主要任務是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等?？刂品椒梢圆捎媚M控制或數(shù)字控制。高性能的變頻器目前已經(jīng)采用模擬控制或數(shù)字控制。高性能的變頻器目前已經(jīng)采用微型計算機進行全數(shù)字控制，采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數(shù)字控制方式?？梢酝瓿赡M控制方式難以完成的功能。圖21 變頻器基本結構當交－直－交變煩器的中間環(huán)節(jié)用大電感作為儲能和濾波時，直流電流波形比較平直，電源內阻較大，對負載來說相當于是恒流源，其拓撲結構如圖22所示。其顯著的優(yōu)點是容易實現(xiàn)回饋制動，便于四象限運行，不需附加任何設備。適合于需要頻繁快速加減速和可逆運行的電動機負載，但由于電流源型變頻器屬于恒流源，對系統(tǒng)負載電流的變化反應慢，不適合帶多臺電動機同步運行，只能帶單臺電機運行。 圖22 電流型逆變器拓撲結構 電壓型變頻器 電壓源型變頻器主電路的中間環(huán)節(jié)主要采用大電容進行儲能、濾波。其直流電壓波形比較平直，理想狀態(tài)下電源內阻為零，對負載而言是恒壓源，其拓撲結構如圖23所示，其電壓無法迅速反向。由于大電容的平波作用，主電路的直流電壓比較平穩(wěn)。因此，電壓源型變頻器無法實現(xiàn)回饋制動。而對于負載而言，電壓型變頻器相當于一個電壓源，電壓控制相應慢，可以同時帶多臺電機運行。本文所研究與實現(xiàn)的通用變頻器是電壓源型變頻器。圖23 電壓型逆變器拓撲就夠 通用變頻器工作原理異步電動機的同步轉速，既旋轉磁場的轉速為： (21)式中，n—同步轉速（r/min）；f—定子頻率（Hz）；p—磁極對數(shù)。而一步電動機的軸轉速為： 式中s—異步電動機的轉差率，s=(/。改變一步電動機的供電頻率，可以改變其同步轉速，實現(xiàn)調速運行。對異步電動機進行調速控制時，希望電動機的主磁通保持額定值不變。磁通太弱，貼心利用不充分，同樣的轉子電流下，電磁轉矩小，電動機的負載能力下降；磁通太強，則處于過勵磁狀態(tài)，使勵磁電流過大，這就限制了定子電流的負載分量，為使電動機不過熱，負載能力也要下降。異步電動機的氣隙磁通（主磁通）是定、轉子合成磁動勢產(chǎn)生的，下面說明怎樣才能使氣隙磁通保持恒定。由電機理論知道，三相異步電動機定子每相電動勢的有效值為 = (22)式中—定子每相由氣隙磁通感應的電動勢的方均根值(V)；—定子頻率(Hz)； —定子相繞組有效匝數(shù)； —每極磁通量(Wb)。由上式可見，是由和共同決定的，對和進行適當?shù)目刂?，就可以使氣隙磁通保持額定值不變。下面分兩種情況說明：1. 基頻以下的恒磁通變頻調速這是考慮從基頻（電動機額定頻率）向下調速的情況。為了保持電動機的負載能力，應保持氣隙主磁通不變，這就要求降低供電頻率的同時降低感應電動勢，保持/=常數(shù)，即保持電動勢與頻率之比為常數(shù)進行控制。這種控制又稱之為恒磁通變頻調速，屬于恒轉矩調速方式。如圖24所示。圖24 基頻以下變頻調速機械特性但是,難于直接檢測盒直接控制。當和的值較高時，定子的漏阻抗壓降相對比較小，如忽略不計，則可以近似地保持定子相電壓和頻率的比值為常數(shù)，即認為=，保持/=常數(shù)即可。這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。當頻率較低時，和都變小，定子漏阻抗壓降（主要是定子電阻壓降）不能再忽略。這種情況下，可以認為的適當提高定子電壓比補償定子電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。如圖25所示，其中1為/=C時的電壓、頻率關系，2為有電壓補償時（近似的C）的電壓、頻率關系。實際裝置中與的函數(shù)關系并不簡單的如曲線2所示。通用變頻器中與之間的函數(shù)關系有很多種，可以根據(jù)負載性質和運行狀況加以選擇。圖25 恒壓頻比控制特性2. 基頻以上的弱磁變頻調速 這是考慮由基頻開始向上調速的情況。頻率有額定值向上增大，但電壓受額定電壓的限制不能再升高，只能保持=不變。必然會使主磁通隨著的上升而減小，相當于直流電動機弱磁調速的情況，屬于近似的恒功率調速方式。如圖26所示。圖26 基頻以上變頻調速機械特性綜合上述兩種情況，異步電動機變頻調速的基本控制方式如圖27所示。由上面的討論可知，異步電動機的變頻調速必須按照一定的規(guī)律同時改變其定子電壓和頻率，即必須通過變頻裝置獲得電壓、頻率均可調節(jié)的供電電源，實現(xiàn)所謂的VVVF(Variable Voltage Variable frequency)調速控制。通用變頻器可適應這種異步電動機變頻調速的基本要求。圖27 異步電動機變頻調速機械特性 本章小結本章介紹了變頻器的常用拓撲結構、分類，分析了他們各自的特定及應用場合。同時又闡述了變頻調速的原理以及不同情況下變頻調速的機械特性。第 3章 通用變頻器的硬件電路和軟件設計 通用變頻器設計指標變頻器是一種新穎的可以實現(xiàn)連續(xù)無級調速的裝置，衡量系統(tǒng)性能的技術指標與傳統(tǒng)的調速系統(tǒng)也有較大不同，如變頻器、伺服驅動器的速度調節(jié)總是連續(xù)的，故無需考慮平滑性指標；而系統(tǒng)對指令的影響性能則反映了系統(tǒng)的跟蹤能力，因此，必須作為衡量系統(tǒng)性能的重要指標。變頻器的主要技術指標如下。1. 調速范圍調速范圍是衡量系統(tǒng)變速能力的指標。調速范圍有兩種表述方式：一是以調速系統(tǒng)實際可以達到的最低轉速與最高轉速之比表示，如1:100等；二是以最高轉速與最低轉速的比值(D)表示，如D=100等，兩者本質相同。需要注意的是：定義變頻調速的調速范圍時，應以電動機能夠帶動額定負載的最低與最高轉速作為計算調速范圍的依據(jù)，它與變頻器技術參數(shù)中的頻率控制范圍是完全不同的兩個概念。2. 調速精度調速精度是衡量系統(tǒng)調速穩(wěn)定性的指標。變頻器的調速精度計算方法與傳統(tǒng)調速系統(tǒng)不同，計算式如下： (31)調速精度與調速系統(tǒng)的結構密切相關，一般而言，調速系統(tǒng)采用閉環(huán)控制后，調速精度可比開環(huán)控制提高10倍左右。3. 最大輸出頻率變頻器最大輸出頻率是決定調速范圍與衡量高速性能的指標。對于同樣極對數(shù)的電機，頻率越高，可以達到的最高轉速也越大；當最低頻率不變時，其調速范圍也就越大。4. 速度響應與頻率響應“速度響應”是衡量變頻器對指令的跟隨性能與靈敏度的重要指標。速度響應是調速系統(tǒng)在負載慣量與電動機慣量相等的情況下，電機可以完全跟蹤給定變化的最大指令變化率?！八俣软憫笨梢杂媒撬俣然蝾l率值表示。用角速度表示的“速度響應”值直接稱為“速度響應”，單位為rad/s；而將用頻率表示的“速度響應”稱為“頻率響應”，單位Hz。“響應速度”與“頻率響應”的實質相同，兩者可以用1Hz=2(rad/s)進行相互轉化。5. 調速效率調速效率是衡量調速系統(tǒng)經(jīng)濟性能的技術指標，它以調速系統(tǒng)的輸出功率與輸入功率之比進行標示，即 (32) 控制器的選型 TMS320F2812是美國得克薩斯州儀器公司(TI)最新推出的基于代碼兼容C28x內核的新型高性能32位定點數(shù)字信號處理器，它專門為數(shù)字控制設計，可實現(xiàn)高性能DSP與高精度模擬及閃存的完美結合。F2812具有高集成度，從而提供了整套的片上系統(tǒng)，同時降低了板級空間及系統(tǒng)成本，實現(xiàn)了更簡單、更高效和更經(jīng)濟的設計。F2812有如下特點：1. 具有EVA、EVB兩個時間管理其，每個EV都有8個16位的脈沖調制通道，可以實現(xiàn)對外部時間定時的捕獲、16個通道A/D轉換、可編程PWM死區(qū)功能等。2. 片內高達128K16位的Flash存儲器，1K16位的一次性編程存儲器(OTPROM)、M0和M1兩個1K16位的存儲器(SARAM)、L0和L1兩個4K16位的存儲器(SARAM)。3. 片外可擴展高達1M的存儲內容，并有讀/寫信號選通時序可編程、編程等待狀態(tài)和3個獨立的片選信號。4. 內置有兩個8選1多路切換器和雙采樣保持器的12位ADC內核，最快轉換時間80ms。ADC模塊具有16個模擬通道，并可以配置為用于ePWM模塊的2個獨立的8通道模塊?？蓪蓚€獨立的8通道模塊級練成一個通道。5. 多達56個獨立可編程服用的通路I/O引腳(GPIO)。6. 包含串行外設借口(SPI)、兩個串行通信端口(SCI)即標準的UART、增強的區(qū)域控制網(wǎng)(eCAN)及多通道緩沖串口(McBSP)。 硬件系統(tǒng)總體設計總系統(tǒng)以TI公司的TM320F2812DSP芯片為控制核心，設計相應主電路、驅動電路采樣電路、保護電路等。其框圖如圖32所示。圖32 系統(tǒng)硬件結構總圖 主電路設計控制系統(tǒng)主電路采用交—直—交拓撲結構，如圖33所示。圖33 交直交拓撲結構先將三相交流電(50Hz)經(jīng)三相不可控整流橋整流成直流電，再經(jīng)電容濾波成平滑直流電，最后經(jīng)三相逆變橋逆變成復制和頻率都可變的交流電，來驅動電機，達到調速的目的。 信號采集電路的設計現(xiàn)代電氣測量、控制中，常常需要用低壓器件去測量、控制高電壓、強電流等模擬量，如果模擬量與數(shù)字量之間沒有電氣隔離，那么，高電壓、強電流很容易串入低壓器件，并將其燒毀。本實驗中從輸出端采樣的模擬信號由于要連入DSP端口，為了使電源輸入和輸出之間進行絕緣，同時也為穩(wěn)定控制回路提供一條信號通道[5]，:方案一：最常用到的就是利用光耦元件對所采樣的電壓、電流進行采樣。光電耦合器因其良好的性能和抗干擾能力而被廣泛地應用于輸入和輸出信號的電氣隔離。但是,在利用光電耦合器的線性耦合直接對模擬信號進行隔離傳輸時, 由于光電耦合器內部發(fā)光二級管和光敏三級管的伏安特性, 使得光電耦合器的“線性區(qū)”實際上比較小并且存在一定程度的非線性失真。由于光電耦合器件非線性的輸入輸出特性所限,一般來講, 光耦器件主要應用于數(shù)字信號的隔離, 而較少用于模擬信號的隔離。方案二：采用諸如霍爾器件等特殊傳感器,其線性度高，頻率響應速度快， 但其價格較貴。且硬件電路較為簡單，因此在精度等要求比較高的情況下可以予以考慮。方案三：首先進行A/D 轉換或V/F轉換, 再用光耦進行隔離的方法, 但處理過程較為復雜, 并且如果能夠使用霍爾器件完成對模擬信號的隔離, 無疑是很有意義的。系統(tǒng)需要實時檢測直流母線的電壓，以供整流器構成電壓閉環(huán)并為母線過壓保護提供開啟信號。常用的電壓檢測方法有電阻分壓法，電壓互感器法和霍爾電壓傳感器法。電阻分壓法檢測精度低，電壓互感器則只能測交流量，雖然霍爾電壓傳感器價格較高但檢測性能非常好。本系統(tǒng)采用具有高度電絕緣(2500V)的霍爾電壓傳感器 HNV025A，HNV025A型是利用磁補償原理的一種霍爾電壓傳感器，能夠測量直流、交流以及各種波形電壓，同時在電氣上是高度絕緣的，其原理圖如圖34所示。測量時強、弱電隔離，避免用電阻分壓法測電阻方法帶來的電氣干擾，具有高過載容量、體積小、全封閉、高可靠性等優(yōu)點。誤差在177。%，非線性度%，響應時間40μS。輸入端分別接母線電容的正負極。為使傳感器達到最佳精度初級電阻R應盡量選擇使得輸入電流為10mA。本系統(tǒng)直流電壓為540V，忽略初級線圈的電阻，選擇阻值為40K，10W的水泥電阻。測量電阻選用精密電阻，根據(jù)需要的輸出電壓和公式確定阻值。如圖34 HNV025A外接電路輸出調理電路如圖35所示。第一級是低通濾波；第二級是由LM35