【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(gè)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(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)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。這樣，有n個(gè)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(chēng)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(gè)正弦波進(jìn)行比較，如圖27所示，其相交的時(shí)刻(即交點(diǎn))來(lái)作為開(kāi)關(guān)管“開(kāi)”或“關(guān)”的時(shí)刻。正弦波大于三角波時(shí)，使相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通。當(dāng)正弦波小于三角載波時(shí)，使相應(yīng)的開(kāi)關(guān)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(shí)的調(diào)制情況是:當(dāng)正弦調(diào)制波電壓高于三角載波電壓時(shí)，相應(yīng)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(jié)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(fù)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(diǎn) 單極性調(diào)制的工作特點(diǎn):每半個(gè)周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中，只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)斷的工作，另一個(gè)完全截止。而在另半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)器件的工作情況正好相反。流經(jīng)負(fù)載Z的便是正、負(fù)交替的交變電流，如圖29所示。雙極性調(diào)制技術(shù)與單極性相同，只是功率開(kāi)關(guān)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(dāng)A相調(diào)制波時(shí)，V1導(dǎo)通，V2關(guān)斷，使負(fù)載上的相電壓為UA=+U/z(假設(shè)交流電機(jī)定子繞組為星型聯(lián)接，其中性點(diǎn)0與整流器輸出端濾波電容器的中點(diǎn)0相連，那么當(dāng)逆變器任一相導(dǎo)通時(shí)在電機(jī)繞組上所獲得的相電壓為U/2,當(dāng)，V1關(guān)斷而V2導(dǎo)通，則UA=U/2 )所以A相電壓是以+U/2和U/2為幅值作正、負(fù)跳變的脈沖波形。同理，的是由V3和V4交替導(dǎo)通得到的，的是由V5和V6交替導(dǎo)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(jié)果一樣都是單極性的。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(gè)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(guò)負(fù)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(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。圖247是通過(guò)電動(dòng)機(jī)繞組的SPWM電流波形。顯然，它僅僅是通過(guò)電動(dòng)機(jī)繞組濾波后的近似正弦波。圖中給出了載波在不同頻率時(shí)的SPWM電流波形，可見(jiàn)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(lái)減小諧波。另外，高的載波頻率使變頻器和電機(jī)的噪聲進(jìn)入超聲范圍，超出人的聽(tīng)覺(jué)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(kāi)關(guān)管的最高開(kāi)關(guān)頻率限制，而且也形成對(duì)周?chē)娐返母蓴_源。I (a)調(diào)制頻率較低時(shí)的電流波形 (b)載波頻率較高時(shí)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(gè)調(diào)制信號(hào)周期內(nèi)所包含的三角載波的個(gè)數(shù)稱(chēng)為載波頻率比。在變頻過(guò)程中艱口調(diào)制信號(hào)周期變化過(guò)程中，載波個(gè)數(shù)不變的調(diào)制稱(chēng)為同步調(diào)制，載波個(gè)數(shù)才應(yīng)變化的調(diào)制稱(chēng)為異步調(diào)制。 （l)同步調(diào)制在改變正弦信號(hào)周期的同時(shí)成比例地改變載波周期，使載波周期與信號(hào)頻率的比值保持不變。對(duì)于三相系統(tǒng)，為了保證三相之間對(duì)稱(chēng)，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(shí)每相波形正負(fù)波形對(duì)稱(chēng)，上述倍數(shù)必須是奇數(shù)，這樣在信號(hào)波處，載波的正負(fù)半周恰好分布在處的左右兩側(cè)。由于波形的左右對(duì)稱(chēng)，這就不會(huì)出現(xiàn)偶次諧波問(wèn)題。但是這種調(diào)制，在信號(hào)頻率較低時(shí)，載波的數(shù)量顯得稀疏，電流波形脈動(dòng)大，諧波分量劇增，電動(dòng)機(jī)的諧波損耗及脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。而且，此時(shí)載波的邊頻帶靠近信號(hào)波，容易干擾基波頻域。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，必須在低頻時(shí)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(gè)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(shí)保持三角載波頻率不變，因此提高了低頻時(shí)的載波比，在低頻工作時(shí)，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(yīng)的減小了負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與噪聲，改善了低頻時(shí)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(shí)，逆變器輸出電壓的波形其相位也會(huì)發(fā)生變化，很難保持三相輸出的對(duì)稱(chēng)關(guān)系，因此會(huì)引起電動(dòng)機(jī)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(diǎn)，可以將他們結(jié)合起來(lái)，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(duì)稱(chēng)的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)頻率降低較多時(shí)，使載波比分段有級(jí)的增加，這樣就利用了異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)方法是把逆變器整個(gè)變頻范圍劃分為若干個(gè)頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)都維持載波比恒定，對(duì)于不同頻段取不同的載波比，頻率較低載波比取大點(diǎn)，一般有經(jīng)驗(yàn)參數(shù)可取.第三章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以TI公司的TMS320LF2407A為控制核心，其總體設(shè)計(jì)圖如圖311 M限流起動(dòng)電壓檢測(cè)IPM故障保護(hù)泵升控制過(guò)欠壓保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路光電耦合頻率輸入中央處理器故障保護(hù)PWMIO接口IO接口 圖31基于DSP的變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(dòng)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(guò)不可控整流模塊變?yōu)橹绷麟妷海骱蟮拿}動(dòng)電壓再經(jīng)過(guò)大電容平滑后成為穩(wěn)定的基于DSP的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直流電壓。IPM逆變電路對(duì)該直流電壓進(jìn)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(jī)。系統(tǒng)保護(hù)電路包括過(guò)壓、欠壓保護(hù)、限流啟動(dòng)、IPM故障保護(hù)與泵升控制等。過(guò)壓，欠壓保護(hù)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(dòng)是由于開(kāi)啟主回路時(shí)，大電容充電瞬間引起的電流過(guò)大，這樣可能會(huì)損壞整流橋，因此在主回路上串聯(lián)限流電阻R1，當(dāng)電容電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，啟動(dòng)繼電器把R1短路，主回路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。IPM故障保護(hù)是IPM內(nèi)部集成的各種保護(hù)功能，包括過(guò)電流保護(hù)功能、短路保護(hù)功能、控制電源欠電壓保護(hù)和管殼及管芯溫度過(guò)熱保護(hù)。把上述各種故障信號(hào)進(jìn)行綜合處理后形成總的故障信號(hào)送入DSP (TMS320LF2407A)的PDPINTA故障中斷入口，進(jìn)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(kuò)的數(shù)據(jù)SRAM,程序SRAM、復(fù)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(shí)現(xiàn)在線仿真，同時(shí)在調(diào)試過(guò)程裝載數(shù)據(jù)代碼和程序代碼。頻率輸入電路可以設(shè)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(hào)和主電路的強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)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(jié)構(gòu)，輸入功率級(jí)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(guò)功率器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列。由于功率器件開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生電壓尖脈沖，因此需要吸收電路來(lái)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(lái)顯示濾波電容兩端的電量。圖32主電路原理圖 下面詳細(xì)介紹各個(gè)部分電路及元件參數(shù)(被控電動(dòng)機(jī)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(gè)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(shè)計(jì)采用的是單相整流橋。整流二極管的計(jì)算，通過(guò)二極管的峰值電流: (31) 流過(guò)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(jì)算的電壓和電流以及市場(chǎng)價(jià)格和供貨情況，實(shí)際選用的單相整流橋?yàn)?0A, 1000V.在整流電路中輸出電壓是脈動(dòng)的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流和負(fù)載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動(dòng)，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(gè)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(fù)載的電動(dòng)機(jī)提供必要的無(wú)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(chǔ)能作用，所以中間直流電路的電容器又稱(chēng)儲(chǔ)能電容器。在沒(méi)有加入濾波電容時(shí)，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(dá)交流線電壓的峰值: (36)假設(shè)輸入電壓的波動(dòng)范圍為200V ~240V，當(dāng)輸入電壓對(duì)應(yīng)240V的輸入，整流后的電壓為324V。，那么每一個(gè)周期，電容吸收的能量為: (37)式中為電機(jī)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(yīng)該在200V以上，所以有: (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(gè)450伏330叮的電解電容，分別兩個(gè)并聯(lián)后再2個(gè)串聯(lián)，最后等效為一個(gè)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(gè)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(shí)在電源關(guān)斷時(shí)，給電容提供一個(gè)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(gè)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(jìn)行，如果濾波電容沒(méi)有快速放電的回路，其放電時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)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(duì)人身安全構(gòu)成威脅。逆變電路的功率開(kāi)關(guān)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(fù)合型電力電子器件