【正文】 極性脈寬調(diào)制波的形成 綜上所述，雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，而流過負(fù)載 Z的電流是按線電壓規(guī)律變化的交變電流，如圖 215 所示： 19 V1V2Z 圖 2 15 雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn) SPWM 的調(diào)制方式 SPWM 波畢竟不是真正的正 弦波，它仍然含有高次諧波的成分，因此盡量采取措施減少它。在一個調(diào)制信號周期內(nèi)所包含的三角載波的個數(shù)稱為載波頻率比。由于波形的左右對稱，這就不會出現(xiàn)偶次諧波問題。優(yōu)化異步調(diào)制是指在一定的頻率范圍內(nèi)，采用同步調(diào)制，保持輸出波形對稱的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)頻率降低較多時(shí)，使載波比分段有級 的增加，這樣就利用了異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。把上述各種故障信號進(jìn)行綜合處理后形成總的故障信號送入 DSP(TMS320LF2407A)的 PDPINTA故障中斷入口，進(jìn)而封鎖 DSP的 PWM 波輸出。發(fā)光二極管 DS1用來顯示濾波電容兩端的電量。整流二級管的電壓額定值： ( 2 ~ 3 ) ( 2 ~ 3 ) 2 2 2 0 6 2 2 ~ 9 3 3nmU U V? ? ? ? ? （ 34） 選用 1000nUV? ?？紤]到紋波的需要，最小的交流輸入電壓應(yīng)該在 200V 以上，所以有： 2 2 2 2m i n2 2 6 0 47( ) 0 . 9 5 0 ( 3 1 1 2 0 0 )OUTmpkPCFn f U U ??? ? ?? ? ? （ 38） 濾波電容理論上講越大越好，實(shí)際中考慮價(jià)格我們選擇 4個 450 伏 330 F? 的電解電容，分別兩個并聯(lián)后再 2個串聯(lián)，最后等效為一個耐壓 900 伏 330 F? 的電容。而智能功率模塊 (IPM)是將大功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路、保護(hù)電路、檢測電路等集成在同一個模塊內(nèi)，是電力集成電路 PIC 的一種。 3)IPM 內(nèi)置各種保護(hù)功能。 3)IGBT(Q1Q6)進(jìn)行逆變的基本工作過程：同一橋臂的兩個逆變管，處于不停的交替導(dǎo)通和截止的狀態(tài)。 (1)驅(qū)動電源 1)當(dāng)控制信號 (柵極驅(qū)動 )與主電流共用一個電流路徑時(shí)，由于主回路有很高的 di/dt，至使在具有寄生電感的功率回路產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而導(dǎo)致可能感應(yīng)到柵極把本來截止的 IGBT導(dǎo)通。可在控制電源輸出端接 10 F? 及 F? 的濾波電容，保持電源平穩(wěn)，修正線路阻抗。 (3)IPM 的自保護(hù)功能 IPM 內(nèi)部集成自保護(hù)功能，共有 4路保護(hù)，分別是上橋臂三路保護(hù) FOU ， FOV ， FOW ，下橋臂公用保護(hù) OF 。這就要求我們在設(shè)計(jì)保護(hù)電路的同時(shí)應(yīng)該考慮抗干擾問題。 31 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eBD a t e : 13 J un 20 08 S h e e t of F il e : E : \畢業(yè)設(shè)計(jì) \最終論文 \ pr ot e l \主電路 ~ D B D r a w n B y:R215 5K / 2 WR41. 1KR61KR16. 8K6. 8K1K U 1AL M 3 93U 1BL M 3 93T L P 52 1R P 110 KR P 210 KR P 310 K+ 5V+ 5V+ 12V+ 12V+ 12V+ 12VP1234845678O V HO V L 圖 3 6 過壓、欠壓保護(hù)電路 (1)工作原理 在過 (欠 )壓保護(hù)中，當(dāng)采樣電壓高 (低 )于保護(hù)參考點(diǎn) 2V （ 1V ），則 OVH(OVL)輸出低電平，與其它故障信號相與后送入 DSP 的 /PDPINTA 中斷口，當(dāng) DSP 的 /PDPINTA 管腳 接收到低電平信號， DSP 將做出相應(yīng)的中斷處理，立即封鎖 PWM 輸出及停止運(yùn)行。電路如圖 37所示。由于 LF2407A 芯片供電電壓只能是 ，所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要將 5V電源變換為 給 CPU供電，因此使用了 TI公司的 5V/電源轉(zhuǎn)換芯片 TPS767D301，該芯片最大輸出電流為 1A。電路如 圖 311 所示。 1 23 45 67 89 1011 1213 14T M ST D IT D OT C KE M U 0T R S TE M U 1+ 5VC50. 1uR 2620 kR 2620 k+ 3. 3 V 圖 3 12 JTAG引腳圖 (5)外部擴(kuò)展接口 DSP 最小系統(tǒng)板為用戶提供了總線擴(kuò)展口，其中包括了幾乎所有來自 DSP 的信號。電路如圖 314 所示。為了與仿真器通信， DSP 控制板必須帶有 14 引腳的雙排直插管座。內(nèi)部振蕩器 CLKIN 和 CLKOUT1 信號，使 CLKOUT1=CLK1N/2。 DSP(TMS320LF2407A)的最小系統(tǒng)電路 DSP 目標(biāo)板能為使用者提供一個方便的開發(fā)環(huán)境，開發(fā)者可以根據(jù)自己實(shí)際的使用情況設(shè)計(jì)不同的目標(biāo)，本次研究使用 的 TMS320LF2407A 目標(biāo)板是能夠開發(fā)使用 DSP 的最小系統(tǒng)板，它主要由 TMS320LF2407A 芯片、電源電路、時(shí)鐘、片外數(shù)據(jù) /程序存儲器、譯碼電路、 JTAG 仿真接口、外部總線擴(kuò)展接口等組成。 限流啟動電路 此電路是用來防止在開啟主回路時(shí)，由于儲能電容大，加之在接入電源時(shí)電容器兩端的電壓為零，故當(dāng)主電路剛合上電源的瞬間，濾波電容器的充電電流是很大的，過大的沖擊電流將可能使整 流橋的二極管損壞。被測信號通過光電耦合獲得通路，而共模干擾由于不能形成回路而得到有效抑制。電路如圖35 所示。因而在 OF 輸出時(shí)系統(tǒng)必須在 內(nèi)使PWM 信號無效，等故障排除后方可重新有效。典型的工作電壓一般取 15V。本系統(tǒng)開關(guān)頻 27 率選用 。續(xù)流二極管為無功電流返回直流電源提供“通道”。以嚴(yán)密的時(shí)序邏輯監(jiān)控保護(hù)，可防止過電流、短路、過熱及欠電壓等故障發(fā)生。 IGBT 是 80 年代出現(xiàn)的新一代復(fù)合型電力電子器件，它集合了 MOSFET和 GTR 的優(yōu)點(diǎn)，適合于高速、低功耗的場合，如電機(jī)控制，開關(guān)電源等。 在沒有加入濾波 電容時(shí)，單相整流橋輸出平均直流電壓為： 3 2 3 2 2 2 0 2 9 7DNU U V??? ? ? ? （ 35） 加上濾波電容后， NU 的最高電壓可達(dá)交流線電壓的峰值： 24 2 2 22 0 31 1D m NU U V? ? ? ? （ 36） 假設(shè)輸入電壓的波動范圍為 200 V ~240 V ，當(dāng)輸入電壓對應(yīng) 240 V 的輸入，整流后的電壓為 324 V 。本設(shè)計(jì)采用的是單相整流橋。由于功率器件開關(guān)頻率過高，會產(chǎn)生電壓尖脈沖，因此需要吸收電路來消除該尖峰。 系統(tǒng)保護(hù)電路包括過壓、欠壓保護(hù)、限流啟動、 IPM 故障保護(hù)與泵升控制等。但是由于載波比隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，逆變器輸出電壓的波形其相位也會發(fā)生變化，很難保持三相輸出的對稱關(guān)系，因此會引起電動機(jī)的工作不穩(wěn)定。處，載波的正負(fù)半周恰好分布在 180176。但是，提高載波的頻率要受逆變開關(guān)管的最高開關(guān)頻率限制，而且也形成對周圍電路的干擾源。 ABU 的脈沖幅值為 +U和－ U。 17 u0ttu0S P W M 波調(diào) 制 波載 波( A )( B ) 圖 2 12單極性脈寬調(diào)制波的形成 單極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：每半個周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)斷的工作，另一個完全截止；而在另 半個周期內(nèi)，兩個器件的工作情況正好相反。如果把一個正弦半波分作 n等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點(diǎn)與正弦波每一等分的中點(diǎn)相重合。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等。 15 逆變器：負(fù)載側(cè)的變流器為逆變器。 13 f4f3f 2f1n0Tf1 f2 f3 f4恒 P 圖 2 8 恒電壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性 因?yàn)殡姶?功率 1eeP Tw? ，其中 22cosemT K I ???? （ 222） 1 2 pfw n?? （ 223） 式中， mK 為異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)確定的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 2cos? 為異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子功率因數(shù)； 2I?為折算到定 子側(cè)的轉(zhuǎn)子相電流。故低頻啟動時(shí)，啟動轉(zhuǎn)矩也將減小，甚至不能帶動負(fù)載。在頻率較高時(shí)， 1 20 1X X r???，于是式（ 211）可寫成： ? ?2 21 122 11 1 2038 pm nU UT ff L L? ???? ?????? （ 214） 式中 1L 、 20L? 為定子和轉(zhuǎn)子的漏電感。 當(dāng) 1f 小于 1Nf 時(shí)， ? 就大于額定值。 應(yīng)用范圍廣，可用于籠型交流電動機(jī)。若每相繞組有兩個線圈串聯(lián)，繞組的始端相差 60 度空間角，則產(chǎn)生兩對極，即 pn =2。電磁力 F的方向可由左手定則確定。 假設(shè)將定子繞組聯(lián)接成星形，并接在三相電源上，繞組中便通入三相對稱電流： si numi I t?? （ 21） 6 si n( 120 )vmi I t??? （ 22） si n( 120 )wmi I t??? （ 23） 波形圖如圖 22： i01 8 0 176。主要部分介紹如下： 定子：定子是電動機(jī)的不動部分、它主要由鐵心、定子繞組和機(jī)座組成。 在電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動控制技術(shù)迅速發(fā)展的今天，電氣傳動技術(shù)正面臨著一場歷史性的革命。就目前而言，電能是全 世界消耗最多的能源之一，同時(shí)也是浪費(fèi)最多的能源之一，為解決能源問題必須先從電能著手，其中起代表性的就是電機(jī)的控制。其高檔型： 8X196KB， 8X196KC， 8X196MC 等在通用開環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用較多。 到 20 世紀(jì) 70年代出現(xiàn)了變頻調(diào)速技術(shù)，變頻調(diào)速具有效率高、精度高和范圍寬等特點(diǎn)，是目前運(yùn)用最廣泛且最具有發(fā)展前途的調(diào)速方式。接著介紹了 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320LF2407A 的一些特點(diǎn)和內(nèi)部資源以及 SPWM 波形原理和控制算法。 本文分別介紹了課題的研究背景和意義以及國內(nèi)外變頻調(diào)速發(fā)展的情況，以及三相交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理和 SPWM 控制技術(shù)，然后給出了系統(tǒng)各部分硬件電路的工作原理、參數(shù)計(jì)算以及各部分器件的選取。晶閘管具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、管壓低等優(yōu)點(diǎn)，從而產(chǎn)生了新的調(diào)速系 統(tǒng)。例如由 Intel 公司 1983 年開發(fā)生產(chǎn)的 MCS96 系列是目前性能較高的單片機(jī)系列之一，適用于高速、高精度的工業(yè)控制。充分有效地利用能源已成為緊迫的問題，為了尋求高效可用的能源，各個國家都投入了大量人力財(cái)力，進(jìn)行不懈的努力。為此，國家十五計(jì)劃中，在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方而投入的資金高達(dá) 500 億元左右，由此可見，在我國異步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)將有巨大的市場潛能。 5 第二章 異步電動機(jī)變頻調(diào)速的基本理論 三相交流異步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖 2 1 三相交流異步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 三相交流異步電機(jī)如圖 21所示，它由定子 (包括機(jī)座 )、轉(zhuǎn) 子、端蓋等組成，其中定子和轉(zhuǎn)子是能量傳遞的主要部分。因此，我們首先討論在交流電動機(jī)定子繞組中通以三相交流電所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用便產(chǎn)生電磁力 F施加于導(dǎo)體上。當(dāng)電流交變一次時(shí)，磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周 ，旋轉(zhuǎn)磁場的 (每分鐘 )轉(zhuǎn)速 0n =601f 。 優(yōu)點(diǎn)： 效率高，調(diào) 速過程中沒有附加損耗。但是，對于異步電動機(jī)來說，若電源頻率 1f 變化而其電源電壓 1U 值不變的話，將會引起磁通的變化，因?yàn)? 1 1 1 f N K?? (28) 式中 1U 為定子相電壓； 1E 為定子相電動勢； 1N 為定子每相繞組的匝數(shù)； 1K 為定子的繞組系數(shù)； ? 為每極氣息磁通。 將式 (211)對 s 求導(dǎo)令其為零，即可求得電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 mT 及臨界轉(zhuǎn)差率 ms ： 10 21221 1 1 2034 ( )pmnUTf r r X X?? ???? ? ????? （ 212） 2221 1 20()mrsr X X????? (213) 由 mT 、 ms 可繪出保持 11Uf =常數(shù)的條件下異步電動機(jī)調(diào)頻時(shí)的機(jī)械特性曲線族，如圖（ 26）所示，圖中 1 2 3 4f f f f? ? ?