【文章內(nèi)容簡介】 弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量相等）就得到圖52b所示的脈沖序列。這就是PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦波是等效的。對于正弦波得負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（Sinusoidal PWM）波形[5]。圖52用PWM波代替正弦半波 PWM波形的生成PWM波形由三相橋式逆變電路(如圖34）產(chǎn)生，來給三相勵磁繞組提供勵磁電源。采用脈寬調(diào)制方法可以產(chǎn)生合格的三相交流電，如圖53，即三相勵磁繞組產(chǎn)生的交流電。圖53 三相交流電下面來分析一個周期內(nèi)的IGBT導(dǎo)通情況。單獨觀察一相電壓，每有一個電壓過零點，上下兩個橋臂的通斷狀態(tài)就要互換，即180176。導(dǎo)電方式。從整體看三相交流電，則是每60176。就會出現(xiàn)IGBT的通斷互換。每一時刻都有三個IGBT導(dǎo)通。把三相交流電分成六等份進(jìn)行分析，每段寬度為60176。每個橋臂上的某個IGBT從電壓過零點開始導(dǎo)通到開始換相關(guān)斷，要經(jīng)過180176。如圖54所示，三相PWM波形。下面來分析一個周期內(nèi)PWM波形的產(chǎn)生過程，當(dāng)0—時，V1在一周期內(nèi)開始接收脈沖信號，此時間段VVV6的柵極G接收脈沖信號。當(dāng)—時，V5關(guān)斷不再接收脈沖信號，V2開始接收脈沖信號，此時間段VVV6的柵極G接收脈沖信號。當(dāng)—時，V6關(guān)斷不再接收脈沖信號，V3開始接收脈沖信號，此時間段VVV3的柵極G接收脈沖信號。當(dāng)—時，V1關(guān)斷不再接收脈沖信號，V4開始接收脈沖信號，此時間段VVV4的柵極G接收脈沖信號。當(dāng)—時，V2關(guān)斷不再接收脈沖信號，V5開始接收脈沖信號，此時間段VVV5的柵極G接收脈沖信號。當(dāng)—時，V3關(guān)斷不再接收脈沖信號，V6開始接收脈沖信號，此時間段VVV6的柵極G接收脈沖信號。當(dāng)—時，V4關(guān)斷不再接收脈沖信號，V1開始接收脈沖信號，此時間段VVV6的柵極G接收脈沖信號。經(jīng)過一個周期的分析可以看出，六個IGBT陸續(xù)接收第一個脈沖的順序是VVVVVV6，對應(yīng)的關(guān)斷順序是VVVVVV3，同時存在兩個繼續(xù)接收脈沖的IGBT，詳細(xì)通斷狀態(tài)如表51所示。表51各IGBT通斷情況0——————導(dǎo)通V1V2V3V4V5V6120176。V6V1V2V3V4V5180176。V5V6V1V2V3V4關(guān)斷V4V5V6V1V2V3圖54各相PWM波形上述分析是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的絕大部分運(yùn)行工況，設(shè)計的同步轉(zhuǎn)速是在最大風(fēng)速時才能達(dá)到的。在風(fēng)速達(dá)到最大時，逆變電路輸出直流，此時選擇V1與V6導(dǎo)通，有兩相繞組為風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供勵磁。 PWM逆變電路及其控制方法逆變電路分為電壓型和電流型。目前實際應(yīng)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路，下面介紹基于電壓型逆變電路介紹PWM逆變電路的控制方法。PWM逆變電路的控制方法有很多，主要方法有計算法、調(diào)制法、跟蹤法。由PWM控制的基本原理可知，如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)，PWM波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計算出來。按照計算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。下面分析脈寬的計算過程：找到輸出電壓的表達(dá)式: （直流母線電壓） (51)對式51定積分，可以求出(52)第一個脈寬表達(dá)式(53)第二個脈寬表達(dá)式(54)第三個脈寬表達(dá)式(55)第四個脈寬表達(dá)式每一個輸出正弦半波波形都是由四個不同數(shù)值并且對稱的脈寬組成，進(jìn)而組成完整的PWM波形。 調(diào)制法調(diào)制法的實現(xiàn)需要有專門的調(diào)制電路完成，調(diào)制電路可以是單片機(jī)內(nèi)的調(diào)制模塊或是專門的調(diào)制芯片如SA8281。要向調(diào)制電路輸入信號波和載波，調(diào)制信號是希望輸出的波形，載波是接受調(diào)制的信號。等腰三角形是應(yīng)用較多的載波信號，此外有些情況也使用鋸齒波作為載波。因為等腰三角形上任一點的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時，如果在交點時刻對電路中開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。在調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。這是應(yīng)用最廣的調(diào)制方法[5]。 圖56 調(diào)制法波形發(fā)生圖6 門極控制信號的產(chǎn)生逆變電路的六路柵極觸發(fā)信號是由PLC高速脈沖產(chǎn)生，再由合適的驅(qū)動電路驅(qū)動?？删幊炭刂破鳎≒LC）是在計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和繼電控制技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開發(fā)而來的，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。它以微處理器為核心，用編寫的程序進(jìn)行邏輯控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等，并通過數(shù)字量和模擬量的輸入/輸出來控制機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。高速脈沖輸出功能是指在PLC的某些輸出端產(chǎn)生高速脈沖，用來驅(qū)動負(fù)載，實現(xiàn)高速輸出和精確控制，它在步進(jìn)電機(jī)控制中具有廣泛應(yīng)用。使用高速脈沖輸出功能時，PLC主機(jī)應(yīng)選用晶體管輸出型而不能采用繼電器輸出型，以滿足高速輸出的頻率、快速響應(yīng)的要求。三相逆變電路的六個IGBT的柵極要從PLC接收高速脈沖串，這組脈沖串占空比可調(diào)、周期可調(diào)、脈沖寬度可調(diào)。PLC模式選擇PWM模式[11]。寬度可調(diào)脈沖輸出PWM主要是用來輸出占空比可以調(diào)節(jié)的高速脈沖串，用戶可以控制脈沖的周期和脈沖寬度。寬度可調(diào)脈沖輸出PWM的周期單位、脈沖數(shù)的規(guī)定與高速脈沖串輸出PTO相同。當(dāng)設(shè)定脈寬等于周期時（使占空比為100%），輸出連續(xù)接通；設(shè)定脈寬定于0時（使占空比為0%），輸出斷開。改變PWM波形特性的方法有兩種：同步更新和異步更新。不改變脈沖的時基基準(zhǔn)，只改變脈沖的寬度，稱為同步更新；既改變脈沖的時基基準(zhǔn)又改變脈沖的寬度，稱為異步更新。同步更新使新、舊兩個脈沖開始的上升沿和結(jié)束的下降沿保持同步，波形特性的變化發(fā)生在周期的邊沿，兩個脈沖能平滑轉(zhuǎn)換。異步更新使新舊兩個脈沖不同步，會造成PTO/PWM功能被瞬時禁止，這會引起被控設(shè)備的振動[11]。高速脈沖輸出指令高速脈沖輸出指令的梯形圖和語句表如圖61所示。數(shù)據(jù)輸入Q端取值范圍必須是0或1。當(dāng)EN輸入有效時，首先檢測用程序設(shè)置的特殊標(biāo)志位存儲器位，激活由控制位定義的脈沖操作。高速脈沖串輸出PTO和寬度可調(diào)脈沖輸出PWM都PLS指令激活輸出。 圖62高速脈沖輸出指令PLS指令讀取存儲在指定的SM內(nèi)存位置的數(shù)據(jù)，并以此為PTO/PWM發(fā)生器編程。SMB67控制PTO0或PWM0，SMB77控制PTO1或PWM1。PTO/ PWM控制寄存器表描述用于控制PTO/PWM操作的寄存器[12] 。PWM控制寄存器在電氣控制領(lǐng)域中，隨著自關(guān)斷器件技術(shù)水平的不斷提高，脈寬調(diào)制技術(shù)（簡稱PWM技術(shù)）也日趨成熟。PMW交流變頻調(diào)速以其高效率、高功率因數(shù)、輸出波形好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在井下風(fēng)機(jī)、水泵、造紙機(jī)等設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。將PLC應(yīng)用于交流勵磁控制系統(tǒng)，可有效地避免系統(tǒng)運(yùn)行中的一些缺點，達(dá)到了提高控制精度的目的，其特點：　　，簡化了電路。　　，運(yùn)算速度快，精度高，有大容量的存儲單元，可以實現(xiàn)較為復(fù)雜的控制?！　。刂凭雀?。7轉(zhuǎn)速測量與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中需要引入轉(zhuǎn)速作為反饋變量，對系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。從而是系統(tǒng)達(dá)到輸出近似工頻電壓的要求。如圖71 所示轉(zhuǎn)速測測量電路，RP為可調(diào)電位器，TG為電動機(jī)同軸的測速發(fā)電機(jī)。它與電動機(jī)同軸安裝一臺測速發(fā)電機(jī)，從而引出與風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系的反饋電壓，調(diào)節(jié)電位器即可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。他勵式ZCF221型直流發(fā)電機(jī)，額定數(shù)據(jù)為。為了使測速發(fā)電機(jī)的電樞壓降對轉(zhuǎn)速檢測信號的線性度沒有顯著的影響，考慮測速發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，應(yīng)該保證在輸出最高電壓時，其電流不能超過額定值的。測速發(fā)電機(jī)工作最高電壓： (71)測速反饋電位器阻值： (72)此時RP所消耗的功率為： (73)為了使電位器溫升較小，實選電位器的瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率的一倍以上，因此RP4選為5W，1kΩ的可調(diào)電位器。調(diào)節(jié)電位器使Un的范圍在0—10V，以接入S7200的模擬量輸入模塊。這樣0—10V的電壓范圍就和0—1500r/min的轉(zhuǎn)速范圍相對應(yīng)了。電壓信號進(jìn)入模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換為范圍在032000二進(jìn)制數(shù)。8 IGBT驅(qū)動電路絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)在今天的電力電子領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，在實際使用中除IGBT自身外，IGBT 驅(qū)動器的作用對整個換流系統(tǒng)來說同樣至關(guān)重要。驅(qū)動器的選擇及輸出功率的計算決定了換流系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動器功率不足或選擇錯誤可能會直接導(dǎo)致 IGBT 和驅(qū)動器損壞。以下總結(jié)了一些關(guān)于IGBT驅(qū)動器輸出性能的計算方法以供選型時參考。IGBT 的開關(guān)特性主要取決于IGBT的門極電荷及內(nèi)部和外部的電阻。圖81是IGBT 門極電容分布示意圖，其中是柵極發(fā)射極電容、是集電極發(fā)射極電容、是柵極集電極電容或稱米勒電容（Miller Capacitor）。門極輸入電容 由和來表示，它是計算IGBT 驅(qū)動器電路所需輸出功率的關(guān)鍵參數(shù)。該電容幾乎不受溫度影響，但與IGBT集電極發(fā)射極電壓 的電壓有密切聯(lián)系。在IGBT數(shù)據(jù)手冊中給出的電的值，在實際電路應(yīng)用中不是一個特別有用的參數(shù)，因為它是通過電橋測得的，在測量電路中，加在集電極上C的電壓一般只有25V(有些廠家為10V)，在這種測量條件下，所測得的結(jié)電容要比=600V 時要大一些。由于門極的測量電壓太低(=0V)而不是門極的門檻電壓，在實際開關(guān)中存在的米勒效應(yīng)（Miller效應(yīng)）在測量中也沒有被包括在內(nèi)，在實際使用中的門極電容Cin值要比IGBT數(shù)據(jù)手冊中給出的電容值大很多。因此，在IGBT數(shù)據(jù)手冊中給出的電容值在實際應(yīng)用中僅僅只能作為一個參考值使用。 IGBT內(nèi)部電容分布示意圖確定IGBT 的門極電荷對于設(shè)計一個驅(qū)動器來說，最重要的參數(shù)是門極電荷(門極電壓差時的IGBT 門極總電荷)，如果在IGBT數(shù)據(jù)手冊中能夠找到這個參數(shù)，那么我們就可以運(yùn)用公式計算出：門極驅(qū)動能量： (81)門極驅(qū)動功率： (82)驅(qū)動器總功率：；（驅(qū)動器的功耗） (83)平均輸出電流： (84)最高開關(guān)頻率： (85)峰值電流： (86)門極最小電阻： (87):最高開關(guān)頻率；:單路的平均電流；:門極電壓差時的 IGBT門極總電荷；:IGBT 外部的門極電阻；:IGBT 芯片內(nèi)部的門極電阻。但是實際上在很多情況下，數(shù)據(jù)手冊中這個門極電荷參數(shù)沒有給出，門極電壓在上升過程中的充電過程也沒有描述。柵極電阻Rg的作用 絕緣柵器件(IGBT、MOSFET)的柵射（或柵源）極之間是容性結(jié)構(gòu)，柵極回路的寄生電感又是不可避免的，如果沒有柵極電阻，那柵極回路在驅(qū)動器驅(qū)動脈沖的激勵下要產(chǎn)生很強(qiáng)的振蕩，因此必須串聯(lián)一個電阻加以迅速衰減。 電容電感都是無功元件，如果沒有柵極電阻，驅(qū)動功率就將絕大部分消耗在驅(qū)動器內(nèi)部的輸出管上，使其溫度上升很多。 柵極電阻小，開關(guān)器件通斷快，開關(guān)損耗?。环粗畡t慢，同時開關(guān)損耗大。但驅(qū)動速度過快將使開關(guān)器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產(chǎn)生較大的干擾，嚴(yán)重的將使整個裝置無法工作，因此必須統(tǒng)籌兼顧。IGBT是電壓驅(qū)動型器件。IGBT的柵極與發(fā)射極存在著極間電容，這個電容高達(dá)數(shù)千皮法左右，IGBT的導(dǎo)通需要建立快速驅(qū)動電壓，且驅(qū)動電路的輸出電阻要小。IGBT的驅(qū)動電壓一般在18V左右。IGBT的驅(qū)動電路多采用專用混合集成驅(qū)動器件，目前市場上下列兩種系列：M579系列（三菱公司出品）和EXB系列（富士公司出品）。這些集成驅(qū)動器的引腳都大同小異，接線也基本相同，只是在參數(shù)上有些不同，不同的驅(qū)動器驅(qū)動不同容量、不同開關(guān)頻率的IGBT。驅(qū)動器內(nèi)部存在退飽和檢測和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)IGBT發(fā)生過流時能迅速關(guān)斷，并把故障信號送到保護(hù)電路。圖82給出了M57962L型IGBT驅(qū)動器的接線圖，驅(qū)動器的13引腳接到PLC的脈沖輸出端。脈沖輸出回路有+5V的電源，并接上一個500Ω的限流電阻，保證光電二極管的電流為10mA。+15V的電源是驅(qū)動器的電源。10V的電源用來給柵極提供反向電壓，使IGBT可靠關(guān)斷。接在柵射極間的兩個穩(wěn)壓二極管保證開啟電壓穩(wěn)定。 M57962L型IGBT驅(qū)動器的接線圖作為功率開關(guān)器件，IGBT的工作狀態(tài)直接關(guān)系到整機(jī)的性能，所以選擇或設(shè)計合理的驅(qū)動電路顯得尤為重要。采用一個性能良好的驅(qū)動電路，可使IGBT工作在比較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對提高整個裝置的運(yùn)行效率