【文章內(nèi)容簡介】 系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，這些波形與正弦波等效，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。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，各脈沖的中點與正弦波每一等分的中點相重合。這樣，有n個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效，稱為SPWM波形。SPWM波形如圖26所示。產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波SPWM的原理是。用一組等腰三角形波與一個正弦波進行比較，如圖27所示，其相交的時刻(即交點)來作為開關管“開”或“關”的時刻。正弦波大于三角波時，使相應的開關器件導通。當正弦波小于三角載波時，使相應的開關器件截止。 u (a) 0 u 0 圖26與正弦波等效的等幅脈沖序列波＋10－1＋10－1 圖27 SPWM控制的基本原理圖如圖28所示。這時的調(diào)制情況是:當正弦調(diào)制波電壓高于三角載波電壓時，相應比較器的輸出電壓為正電平，反之則為零電平。只要正弦調(diào)制波的最大澎氏于三角載波的由圖29（A)的調(diào)制結果必然形成圖29(B)所示的等幅不等寬而且兩側(cè)窄中間寬的SPWM脈寬調(diào)制波形。負半周用同樣的方法調(diào)制后再倒相而成。 調(diào)制波 載波（a）（B） (A)調(diào)制波和載波 (B)單極性SPWM波形圖28單極性脈寬調(diào)制波的形成 V1 Z V2圖29單極性調(diào)制工作特點 單極性調(diào)制的工作特點: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)律時通時斷的工作，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。流經(jīng)負載Z的便是正、負交替的交變電流，如圖29所示。雙極性調(diào)制技術與單極性相同，只是功率開關器件通斷情況不一樣。繪出了三相雙極式的正弦脈寬調(diào)制波形。當A相調(diào)制波時，V1導通，V2關斷，使負載上的相電壓為UA=+U/z(假設交流電機定子繞組為星型聯(lián)接，其中性點0與整流器輸出端濾波電容器的中點0相連，那么當逆變器任一相導通時在電機繞組上所獲得的相電壓為U/2,當，V1關斷而V2導通，則UA=U/2 )所以A相電壓是以+U/2和U/2為幅值作正、負跳變的脈沖波形。同理，的是由V3和V4交替導通得到的，的是由V5和V6交替導通得到的。由和相減，可得逆變器輸出的線電壓波形。的脈沖幅值為+U和－U。盡管相電壓是雙極性的，但是合成后的線電壓脈沖系列與單極性相電壓合成的結果一樣都是單極性的。綜上所述，雙極性調(diào)制的工作特點:逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導通和關斷，而流過負載Z的電流是按線電壓規(guī)律變化的交變電流，如圖210所示。 V1 Z V2 圖210雙極性調(diào)制工作特點 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。圖247是通過電動機繞組的SPWM電流波形。顯然，它僅僅是通過電動機繞組濾波后的近似正弦波。圖中給出了載波在不同頻率時的SPWM電流波形，可見載波頻率越高，諧波波幅越小，SPWM波形越好。因此希望提高載波頻率來減小諧波。另外，高的載波頻率使變頻器和電機的噪聲進入超聲范圍，超出人的聽覺范圍之外，產(chǎn)生“靜音”的效果。但是，提高載波的頻率要受逆變開關管的最高開關頻率限制，而且也形成對周圍電路的干擾源。I (a)調(diào)制頻率較低時的電流波形 (b)載波頻率較高時的電流波形 圖212 SPWM電流波形SPWM的調(diào)制方式有三種:同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段同步調(diào)制。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。在變頻過程中艱口調(diào)制信號周期變化過程中，載波個數(shù)不變的調(diào)制稱為同步調(diào)制，載波個數(shù)才應變化的調(diào)制稱為異步調(diào)制。 （l)同步調(diào)制在改變正弦信號周期的同時成比例地改變載波周期，使載波周期與信號頻率的比值保持不變。對于三相系統(tǒng)，為了保證三相之間對稱，互差相位角，通常取載波頻率為3的整數(shù)倍。而且，為了雙極性調(diào)制時每相波形正負波形對稱，上述倍數(shù)必須是奇數(shù)，這樣在信號波處，載波的正負半周恰好分布在處的左右兩側(cè)。由于波形的左右對稱，這就不會出現(xiàn)偶次諧波問題。但是這種調(diào)制，在信號頻率較低時，載波的數(shù)量顯得稀疏，電流波形脈動大，諧波分量劇增，電動機的諧波損耗及脈動轉(zhuǎn)矩也相應增大。而且，此時載波的邊頻帶靠近信號波，容易干擾基波頻域。為了克服這個缺點，必須在低頻時提高載波比，這就是異步調(diào)制方式。(2)異步調(diào)制異步調(diào)制方式是指在整個變頻范圍內(nèi)，載波比都是變化的。一般在改變調(diào)制頻率時保持三角載波頻率不變，因此提高了低頻時的載波比，在低頻工作時，逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)可以隨著輸出頻率的降低而增加，相應的減小了負載電機的轉(zhuǎn)矩與噪聲，改善了低頻時的工作特性。但是由于載波比隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時，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系，因此會引起電動機的工作不穩(wěn)定。 （3）分段同步調(diào)制為了克服同步調(diào)制和異步調(diào)制的缺點，可以將他們結合起來，組成分段同步調(diào)制方式。分段同步調(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，當頻率降低較多時，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。具體實現(xiàn)方法是把逆變器整個變頻范圍劃分為若干個頻段，在每個頻段內(nèi)都維持載波比恒定，對于不同頻段取不同的載波比，頻率較低載波比取大點，一般有經(jīng)驗參數(shù)可取.第三章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設計本文設計的系統(tǒng)以TI公司的TMS320LF2407A為控制核心，其總體設計圖如圖311 M限流起動電壓檢測IPM故障保護泵升控制過欠壓保護驅(qū)動電路光電耦合頻率輸入中央處理器故障保護PWMIO接口IO接口 圖31基于DSP的變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設計圖其中主電路部分由整流電路、濾波電路、逆變電路(和IPM驅(qū)動電路與吸收電路組成。幾其工作原理是把單相交流電壓通過不可控整流模塊變?yōu)橹绷麟妷海骱蟮拿}動電壓再經(jīng)過大電容平滑后成為穩(wěn)定的基于DSP的交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計直流電壓。IPM逆變電路對該直流電壓進行斬波，形成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電，提供給電機。系統(tǒng)保護電路包括過壓、欠壓保護、限流啟動、IPM故障保護與泵升控制等。過壓，欠壓保護是利用電阻分壓采集母線電壓，與規(guī)定值相比較。限流啟動是由于開啟主回路時，大電容充電瞬間引起的電流過大，這樣可能會損壞整流橋，因此在主回路上串聯(lián)限流電阻R1，當電容電壓達到規(guī)定值時，啟動繼電器把R1短路，主回路進入正常工作狀態(tài)。IPM故障保護是IPM內(nèi)部集成的各種保護功能，包括過電流保護功能、短路保護功能、控制電源欠電壓保護和管殼及管芯溫度過熱保護。把上述各種故障信號進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，進而封鎖DSP的PWM波輸出。 控制電路包括DSP最小系統(tǒng)電路、頻率輸入電路、光耦隔離電路等。最小系統(tǒng)由DSP本身和外擴的數(shù)據(jù)SRAM,程序SRAM、復位電路、晶振、譯碼電路、電源轉(zhuǎn)換電路和仿真接口JTAG電路組成，仿真接口JTAG電路是為了實現(xiàn)在線仿真，同時在調(diào)試過程裝載數(shù)據(jù)代碼和程序代碼。頻率輸入電路可以設置系統(tǒng)要輸出的SPWM波的頻率。光耦隔離電路是為了把DSP輸出的弱電信號和主電路的強電信號進行可靠隔離。主電路原理圖如圖32所示，由整流電路、濾波電路、逆變電路(IPM)和IPM的吸收電路組成。主電路采用典型的交一直一交電壓源型通用變頻器結構，輸入功率級采用單相橋式不可控整流電路RB1，整流輸出經(jīng)中間環(huán)節(jié)大電容(由C1到C4電容組成)濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過功率器件IGBT的導通和關斷，輸出交變的脈沖電壓序列。由于功率器件開關頻率過高，會產(chǎn)生電壓尖脈沖，因此需要吸收電路來消除該尖峰。圖中C5為C型吸收電路，R6到R11和C6到C11組成RC型吸收電路。發(fā)光二極管DS1用來顯示濾波電容兩端的電量。圖32主電路原理圖 下面詳細介紹各個部分電路及元件參數(shù)(被控電動機參數(shù)為:△聯(lián)接，額定功率為= 60W,額定電壓=220V,額定電流=,額定頻率= 50Hz，額定轉(zhuǎn)速n=1400r/min.)整流電路由4個整流二極管組成單相不可控整流橋，它們將電源的單相交流全波整流成直流。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。小功率的，輸入電源多用220V，整流電路為單相全波整流橋。大功率的，一般用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。本設計采用的是單相整流橋。整流二極管的計算，通過二極管的峰值電流: (31) 流過二極管電流的有效值: (32) 二極管電流定額:= (33)考慮濾波電容的充電電流影響，要有更大的電流裕量，選用整流二極管的電壓定額: (34) 選用1000V。根據(jù)上面計算的電壓和電流以及市場價格和供貨情況，實際選用的單相整流橋為10A, 1000V.在整流電路中輸出電壓是脈動的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動電流和負載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個低通濾波電路。這里采用常用的電容濾波電路，在整流輸出端并入大電容，整流輸出直流電壓含有很多偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，分流作用越大，諧波被濾除的就越多，輸出電壓的平均值就越大。濾波電容除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負載的電動機提供必要的無功功率。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大，起到儲能作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲能電容器。在沒有加入濾波電容時，單相整流橋輸出平均直流電壓為: (35) 加上濾波電容后，的最高電壓可達交流線電壓的峰值: (36)假設輸入電壓的波動范圍為200V ~240V，當輸入電壓對應240V的輸入，整流后的電壓為324V。，那么每一個周期，電容吸收的能量為: (37)式中為電機輸出功率，為峰值電壓，為最小交流輸入電壓。考慮到紋波的需要，最小的交流輸入電壓應該在200V以上，所以有: (38)濾波電容理論上講越大越好，實際中考慮價格我們選擇4個450伏330叮的電解電容，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叮的電容。并聯(lián)在電容兩端的為均衡電阻，由于電容的各個參數(shù)不是完全相同，此均衡電阻使串聯(lián)的電容分壓相同，同時在電源關斷時，給電容提供一個放電回路，此電阻阻值選用47。 發(fā)光二極管DS1除了表示電源是否接通以外，還有一個十分重要的功能，即在主電路切斷電源后，顯示濾波電容上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢。由于濾波電容的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進行，如果濾波電容沒有快速放電的回路，其放電時間往往長達數(shù)分鐘。又由于濾波電容上的電壓較高，如電荷不放完，將對人身安全構成威脅。逆變電路的功率開關器件選用的是以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為核心的智能功率模塊(IPM) 。.IGBT是80年代出現(xiàn)的新一代復合型電力電子器件