【正文】 其整流電路一般是12脈沖,整流變壓器初級接成三角形,次級需要兩個繞組,一個接成三角形,另一個接成星型。由于兩個次級繞組線電壓相同, 則它們各相之間相位差為30176。,這樣5次、7次諧波會在初級抵消, 17次、19次諧波也會互相抵消。當(dāng)經(jīng)過兩個整流橋的串聯(lián)疊加后,可得到12個波頭的整流輸出波形,。如果要求更高, 整流電路還可以采用24脈沖, 此時整流變壓器次級需4個繞組, 整流橋需4個串聯(lián)。三電平逆變的變頻器,輸出波形中會不可避免地產(chǎn)生較大的諧波分量,因此在變頻器的輸出側(cè)必須配置輸出LC濾波器才能用于普通的籠型電機。經(jīng)LC濾波后,總諧波畸變率THD1%,已符合規(guī)定要求。這類變頻器的特點是:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、效率高(98%)；采用直接矢量控制,電機轉(zhuǎn)矩可快速變化而不影響磁通,其運行效果接近于直流傳動裝置。另外,由于是直接變頻,電網(wǎng)電壓與電機電壓相同,容易實現(xiàn)旁路控制。使用中考慮到電流的諧波成分較大,需要專門設(shè)計輸出濾波器,才能夠供電機使用。如果輸入端用可控器件實現(xiàn)PWM 整流,會使電網(wǎng)側(cè)的諧波增大,需加進線電抗器濾波[6]。 中壓變頻器主電路結(jié)構(gòu)高壓變頻器是指輸出電壓為6～10kV 的變頻器。其主電路一般采用單元串聯(lián)多重化技術(shù),即每相由幾個低壓PWM 變頻功率單元串聯(lián)來實現(xiàn)直接高壓輸出,。圖中左邊的隔離變壓器次級繞組的個數(shù)與三相功率單元個數(shù)相等, 每個繞組給各自的功率單元供電。中間一套3個繞組采用三角形接法,上下各有兩套分別超前(12176。、24176。)與滯后(12176。、24176。)的4個繞組。由5對依次相移12176。的三角載波對基波電壓進行調(diào)制,A、B、C各相基波調(diào)制所得的5個信號,分別控制該相的5個功率單元,每相經(jīng)疊加后可得到具有11級階梯電平的相電壓、21級階梯電平的線電壓,相當(dāng)于30脈沖變頻。每個功率單元都是由低壓IGBT構(gòu)成的三相輸入、單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器組成。這類變頻器的特點是:輸出諧波很小(有完美無諧波的美稱),消除了諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動,電機的發(fā)熱與噪聲大大減少。同時，無須采用均壓電路、吸收電路與輸入、輸出濾波器；輸入功率因數(shù),總效率(包括隔離變壓器)96%。其中，每個功率單元輸出電壓為0、－1三種狀態(tài)電平，每相5個單元疊加，就可產(chǎn)生11種不同的電平等級，分別為177。177。177。177。177。1和0[7]。 高壓變頻器主電路結(jié)構(gòu) 功率單元電路 變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方法隨著交流電機控制等各種技術(shù)的發(fā)展，矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等高性能調(diào)速系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，其中矢量控制以其優(yōu)良的性能成為目前實際應(yīng)用最為廣泛的調(diào)速方法[8]。根據(jù)生產(chǎn)的要求，變頻器的型式和電動機的種類，會出現(xiàn)多種多樣的變頻調(diào)速控制方案。目前，交直交變頻器常用的三種控制方法是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制、轉(zhuǎn)速閉環(huán)矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制方法。（1）開環(huán)控制通用變頻器常用轉(zhuǎn)速開環(huán)、恒壓頻比加定子電壓低頻補償?shù)目刂品绞?，主要由斜坡函?shù)模塊、恒壓頻比模塊、PWM信號生成模塊組成。這種控制方案結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高?？梢韵齽討B(tài)過程中轉(zhuǎn)矩電流的波動,從而提高了通用變頻器的動態(tài)性能。但是，由于是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制方式，其調(diào)速精度和動態(tài)響應(yīng)特性并不是十分理想。尤其是在低速區(qū)域電壓調(diào)整比較困難，不可能得到較大的調(diào)速范圍和較高的調(diào)速精度。異步電動機存在轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷力矩變化而變動，即使目前有些變頻器具有轉(zhuǎn)差補償功能及轉(zhuǎn)矩提升功能，%的精度，因此，采用這種控制方法只適用于一般調(diào)速要求不高的場合[9]。 開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖（2）矢量控制，這是一種新的控制理論和控制技術(shù)，它解決了交流電機的瞬時轉(zhuǎn)矩控制問題。矢量控制技術(shù)根據(jù)磁動勢等效原則，通過坐標(biāo)變換將交流異步電機模型等效為直流電動機模型，實現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，對交流電機的磁鏈和電流進行分別控制，從而達到控制瞬時電磁轉(zhuǎn)矩的目的。因而獲得了與直流調(diào)速系統(tǒng)相同的靜、動態(tài)性能。首先，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的MT坐標(biāo)系中計算出定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量給定值和，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換2r/2s得到和，再經(jīng)過2/3變換得到，和。然后，通過電流閉環(huán)的跟隨控制，輸出異步電動機所需的三相定子電流。轉(zhuǎn)子磁場定向控制有兩種實現(xiàn)方法：轉(zhuǎn)子磁鏈直接反饋型（稱之為直接矢量控制）和磁鏈前饋型（稱之為間接矢量控制，也稱作轉(zhuǎn)差頻率矢量控制）。目前，實用中較多采用后者，由于其沒有實現(xiàn)直接磁鏈的閉環(huán)控制，無需檢測出轉(zhuǎn)子磁鏈，因而容易實現(xiàn)。但是，其控制器的設(shè)計在某種程度上依賴于電機的參數(shù)，為了減少控制上對電機參數(shù)的敏感性，已經(jīng)提出了許多參數(shù)辨識、參數(shù)補償和參數(shù)自適應(yīng)方案，取得了良好的效果[10]。 矢量控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)原理框圖（3）直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù),是利用空間矢量、定子磁場定向的方法,在定子坐標(biāo)系下分析異步電動機的數(shù)學(xué)模型,計算與控制異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩,采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器(BandBand控制),把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較,使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi),容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制,并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號,直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制,以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。它的控制效果不取決于異步電動機的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡化,而是取決于轉(zhuǎn)矩的實際狀況,它不需要將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉(zhuǎn)化,即不需要模仿直流電動機的控制。由于它省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與計算和為解耦而簡化異步電動機數(shù)學(xué)模型,沒有通常的PWM脈寬調(diào)制信號發(fā)生器,因此它的控制結(jié)構(gòu)簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào),是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。直接轉(zhuǎn)矩控制在克服了矢量控制弊端的同時，這種粗況式控制方式也暴露出固有的缺陷。一方面控制器采用BangBang控制，實際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動；另一方面調(diào)速范圍受限，低速時，轉(zhuǎn)矩脈動會增加，而且定子磁鏈觀測值會不準(zhǔn)。另外，電機參數(shù)的時變對直接轉(zhuǎn)矩控制也有影響[11]。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計任務(wù)與要求 本設(shè)計主要是完成380V/5KVA矢量控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計、控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計，并用MATLAB/SIMULINK軟件平臺建立系統(tǒng)仿真模型，進行系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能分析。 第二章 系統(tǒng)主電路設(shè)計，分為主電路和控制電路兩大部分。主電路主要由三相整流橋、直流側(cè)濾波電路、PWM逆變器、輸出濾波器組成；控制電路是以DSP控制器為核心，由PWM波形發(fā)生器、隔離電路、保護電路、信號采樣電路、液晶顯示與鍵盤電路等組成。其基本原理是：將380V/50Hz的三相交流電壓經(jīng)二極管不控整流電路與直流側(cè)電容濾波后變?yōu)橹绷麟妷?，以DSP為核心的控制電路實時采樣電壓、電流、轉(zhuǎn)速的瞬時值，按照矢量控制算法產(chǎn)生PWM脈沖信號去控制PWM逆變器開關(guān)器件的通斷，再經(jīng)輸出LC濾波器獲得幅值、頻率可調(diào)的三相正弦交流電壓。 變頻電源硬件結(jié)構(gòu)框圖 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計380V/，主要由三相整流橋、軟啟動電路、直流濾波電路、指示燈電路、制動電路、PWM逆變器、輸出濾波器等組成。各部分的主要作用如下：（1）三相整流電路：將電網(wǎng)輸入的三相380VAC進行整流濾波，為變換器提供波紋較小的530VDC直流電壓。（2）三相逆變電路：將DC530V電壓逆變?yōu)轭l率、幅值可調(diào)的三相交流電，提供給負(fù)載。（3）輸出濾波電路：濾除干擾和諧波，使輸出為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。（4）直流濾波電路：整流部分和逆變部分的中間環(huán)節(jié)，起到穩(wěn)定電壓的作用。（5）軟啟動電路：限制啟動電流，保護功率器件。（6）制動電路：實現(xiàn)能耗制動，避免產(chǎn)生泵升電壓，損壞功率器件。 主電路結(jié)構(gòu)圖 主電路參數(shù)計算及元器件選型分析 整流電路及其參數(shù)計算通常有三種整流方式:二極管不控整流，晶閘管半控整流和晶閘管全控整流。采用晶閘管半控、全控整流既可以在開機上電后使整流電壓逐漸上升到最大值,實現(xiàn)軟啟動；又可以在電源出現(xiàn)故障時,關(guān)斷晶閘管,從而關(guān)閉直流環(huán)節(jié)。但由于可控整流的控制比較復(fù)雜,目前在大功率變頻器等應(yīng)用領(lǐng)域,整流部分多采用不控整流,跟可控整流相比,這種方式可以提高網(wǎng)側(cè)電壓功率因數(shù),而且控制簡單,較為經(jīng)濟。本設(shè)計中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點是電路簡單，功率因數(shù)接近于1。選用整流管組成三相整流橋，對三相交流電進行全波整流。濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時保持電壓平穩(wěn)。因為受電容量和耐壓的限制，濾波電路通常由若干個電容器并聯(lián)成一組，又由兩個電容器組串聯(lián)而成。由于兩組電容特性不可能完全相同，在每組電容組上并聯(lián)一個阻值相等的分壓電阻R1和R2。當(dāng)變頻器通電時，濾波電容的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會損壞三相整流橋中的二極管，為了保護二極管，在電路中串入限流電阻R5，從而使電容的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)電容充電到一定程度時，使S5閉合，將限流電阻短路。電源指示燈DS除了指示電源通電外，還作為濾波電容放電通路和指示。整流二極管的選擇整個電源容量為5KVA,輸入電壓為三相市電,線電壓有效值為,輸出電壓為三相三線制,相電壓有效值為，根據(jù)系統(tǒng)容量和輸入電壓值可計算出直流側(cè)最大電壓和電流。(1)直流電壓Ud 輸入為三相交流電壓,其峰值電壓為,公式（）是三相橋式可控整流電路的公式, Ud是整流出來的直流電壓值,U是輸入整流橋的交流相電壓有效值,ɑ是觸發(fā)角。當(dāng)把整流橋的可控器件換為二極管時,即不控整流時,ɑ=0,則三相不控整流的輸出直流電壓為 () 實際應(yīng)用中,由于直流側(cè)電解電容的穩(wěn)壓作用,當(dāng)變頻電源空載時,直流側(cè)電壓的值基本維持在左右。(2)額定狀態(tài)下直流側(cè)的平均功率 本電源的額定容量為,，考慮到實際中功率開關(guān)管等會有損耗。 ()(3) 直流電流平均值 () 整流電路元件選取需要從電流定額和電壓耐量兩個方面考慮。電流定額： ()電壓耐量： ()其中、分別為電流、電壓安全裕量系數(shù)。為交流輸入線電壓有效值。 儲能電容的設(shè)計 儲能電容的參數(shù)通常按如下公式計算： （） 式中T為輸入側(cè)直流電壓的脈動周期,為直流側(cè)等效負(fù)載電阻,裝置的額定容量為,考慮阻性負(fù)載,直流母線電壓為,則： ()直流側(cè)為交流電壓(50Hz)經(jīng)三相全橋整流后的電壓,其輸出電壓一周期內(nèi)有6個脈波,則,代入式()可得： () 考慮到為了提供更穩(wěn)定的直流母線電壓,實際設(shè)計中取181。F/的電解電容兩個串聯(lián),相當(dāng)于一個181。F/的電容。充電限流電阻為了在上電時限制電容的充電電流,需要設(shè)置充電限流電阻,如圖21中的電阻R5,設(shè)計時希望充電電流最大值在10A左右,而上電瞬間電位差為,那么限流電阻R1的值為： ()考慮到瞬時電流很大,要求電阻可以承受,所以選用大功率的水泥電阻,水泥電阻放熱面積大,溫度上升率較小,水泥型卷線電阻器耐脈沖特性良好,能面對很大的瞬間電流經(jīng)過,大約可以承受10倍于額定功率的瞬時功率達5秒鐘,即使電阻上功率大了也不容易燃燒,有非常好的阻燃性。而且水泥電阻比較便宜,因此經(jīng)常被選作為電源上的充電限流電阻。功率的選取,是由電阻上消耗的平均功率來決定的,計算方法如式()所示： () 其中P為平均功率,時間T為5秒鐘,整流后的直流電壓E為530V。又有：，則： ()