【文章內(nèi)容簡介】 CT 等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高低壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實。 控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎(chǔ) ： 16 位、 32 位高速微處理器以及信號處理器 （ DSP） 和專用集成電路 （ ASIC） 技術(shù)的快速發(fā)展，為實現(xiàn)變頻器高精度、多功能提供了硬件手段。 基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，變頻器相關(guān)配套件社會化、專業(yè)化生產(chǎn)。 國內(nèi)現(xiàn)狀 從總體上看我國電氣傳動的技術(shù)水平較國際先進(jìn)水平差距 1015 年。在大功率交 交、無換向器電機(jī)等變頻技術(shù)方面，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當(dāng)差距。在新型電力電子器件應(yīng)用方面，由于 GTR、 GTO、 IGBT、 IPM 等全控器件的使用，使得中小功率的變流主電路大大 簡化，大功率 SCR、 GTO、 IGBT、 IGCT 等器件的并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)應(yīng)用，使高電壓、大電流變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實。在控制器件方面，實現(xiàn)了從 16 位單片機(jī)到 32 位 DSP 的應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)者并一直致力于變頻調(diào)速新型控制策略的研究，但由于半導(dǎo)體功率器件和 DSP 等器件依賴進(jìn)口，使得變頻器的制造成本較高，無法形成產(chǎn)業(yè)化，與國外的知名品牌相抗衡。國內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的 /Vf控制，僅有少量的樣機(jī)采用矢量控制，品種與質(zhì)量還不能滿足市場需要，每年大量進(jìn)口高性能的變頻器。 國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下： a． 變頻器的整機(jī)技術(shù)落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模； b． 變頻器產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)還不成熟； c． 相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后； d． 產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。 變頻調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo) 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性一般從系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)上衡量。本設(shè)計系統(tǒng)需要完成的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)為： D=10， S=，系統(tǒng)需要完成的動態(tài)性能指標(biāo)為： a=（ 35） %，上升時間 st =。2 交流電機(jī)控制方法及實現(xiàn)方式 4 2 交流電機(jī)控制方法及實現(xiàn)方式 交 交變頻一般只用于低轉(zhuǎn)速、大容量的調(diào)速系統(tǒng)，本設(shè)計選擇交 直 交變頻裝置。系統(tǒng)選用不可控整流橋來提高功率因數(shù)。電流型交 直 交一般只用于要求頻繁加減速的大容量電機(jī)傳動，而且電壓型逆變器能使直流電壓波形比較平直。因此逆變器設(shè)計選用電壓型逆變器，采用 SPWM 逆變技術(shù)。 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理知識，可以得到交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 ： 10 60(1 ) (1 )fn n s sp? ? ? ? （ ） 由式 （ ） 可以看出，交流電機(jī)調(diào)速方法主要有三大類 ： 其一是在電機(jī)中旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速 0n 恒定時，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率 s ，稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 ； 其二是調(diào)節(jié)供電電源頻率廠，稱為變頻調(diào)速 ； 三是改變電機(jī)定子繞組的極對數(shù)，稱為變極調(diào)速。 /Uf控制方式 電機(jī)定子繞組的反電動勢是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的結(jié)果，本質(zhì)上是定子繞組的自感電動勢。其三相交流異步電機(jī)每相電動勢的有效值是 ： 1 1 1 ME k f N ?? ? ? ? （ ） 1E — 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值 ； 1k — 與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) ； 1f — 定子頻率 ； 1N — 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù) ； M? — 每極氣隙磁通量 ； 由上式可見，如果定子每相電動勢的有效值 1E 不變，改變定子頻率時會出現(xiàn)下面兩種情況 ： 如果 1f 大于電機(jī)的額定頻率 1Nf ，那么氣隙磁通量 M? 就會小于額定氣隙磁 通西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 量 MN? 。 其結(jié)果是 ： 盡管電機(jī)的鐵心沒有得到充分利用是一種浪費(fèi)，但是在機(jī)械條件允許的情況下長期使用不會損壞電機(jī)。 如果 1f 小于電機(jī)的額定頻率 1Nf ，那么氣隙磁通量 M? 就會大于額定氣隙磁通量 MN? 。 其結(jié)果是 ： 電機(jī)的鐵心產(chǎn)生過飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞 電機(jī)。 因此，要實現(xiàn)變頻調(diào)速，在不損壞電機(jī)的條件下，充分利用鐵心，發(fā)揮電機(jī)轉(zhuǎn)矩的能力，應(yīng)在變頻時保持每極磁通量 M? 為額定值不變。 基頻以下調(diào)速 ： 由式 （ ） 可知，要保持 M? 不變，當(dāng)頻率 1f 從額定值 1Nf 向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低 1E ，使 11/Ef=常數(shù)，即采用電動勢與頻率之比恒定的控制方式。當(dāng)電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓 11UE? ，則得 11/Ef=常數(shù)。這是恒壓頻比的控制方式。在恒壓頻比的條件下改變頻率 f 時，我們能證明 ： 機(jī)械特性基本上是平行下移的，如圖 所示，當(dāng)轉(zhuǎn)矩 T 增大到最大值后，特性曲線就 折回來了。如果電動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速 n下都具有額定電流，則電機(jī)都能在溫升允許條件下長期運(yùn)行，這時轉(zhuǎn)矩 T 基本上隨磁通變化，由于在基頻以下調(diào)速時磁通恒定，所以轉(zhuǎn)矩 T 也恒定。根據(jù)電機(jī)與拖動原理，在基頻以下調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)。低頻時， 1U 和 1E 都較小，定子阻抗 壓降所占的分量就比較顯著，不能再忽略。這時，可以人為地把電壓 1U 抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。 圖 基頻以下調(diào)速時的機(jī)械特性 基頻以上調(diào)速 ： 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從 1Nf 往上增高，但電壓 1U 卻不能超過額 定電壓 1NU ， 最多只能保持 11NUU? 。由式（ ） 可知，這將迫使磁通隨頻率升高而降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。 在基頻 1Nf 以上變頻調(diào)速時，由于電壓 11NUU? 不變，我們不難證明當(dāng)頻率提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩 T 減小，機(jī)械特性上移，如 所示。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁動勢必然減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩 T 減小。由于轉(zhuǎn)速 n 升高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變。所以 基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 基頻以上調(diào)速時的機(jī)械特性 把基頻以下和基頻以上兩種情況結(jié)合起來，可得圖 所示的交流電機(jī)變頻調(diào)速控制特性。 圖 交流電動機(jī)變頻調(diào)速控制特性 PWM 脈寬調(diào)制技術(shù) 所謂 PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)，是用一種參考波 （ 通常是正弦波，有時也采用梯形波或注入零序諧波的正弦波或方波等 ） 為調(diào)制波，而以 N 倍于調(diào)制波頻率的三角波 （ 有時也用鋸齒波 ） 為載波進(jìn)行波形比較，在調(diào)制波大于載波的部分產(chǎn)生一組幅值相等，而寬度正比 于調(diào)制波的矩形脈沖序列用來等效調(diào)制波，用開關(guān)量取代模擬量，并通過對逆變器開關(guān)管的通斷控制，把直流電變成交流電，這種技術(shù)叫作脈寬調(diào)制逆變技術(shù)。 由于載波三角波 (或鋸齒波 )的上下寬度是線性變化的，故這種調(diào)制方式也是線性的。當(dāng)調(diào)制波為正弦波時，輸出矩形脈沖序列的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化，這種調(diào)制技術(shù)通常又稱為正弦脈寬調(diào)制技術(shù)。要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按照同一比例系數(shù)改變各個脈沖寬度即可。 PWM 波形可分為等幅 PWM 波和不等幅 PWM 兩種。由直流電源產(chǎn)生的西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 PWM 波通常是等幅 PWM 波，由交流電源產(chǎn)生的 PWM 波通 常是不等幅的。不管是等幅 PWM 波還是不等幅 PWM 波，都是基于面積等效原理進(jìn)行控制的，因此其本質(zhì)是相同的。 PWM 波形可分為等幅 PWM 波和不等幅 PWM 兩種。由直流電源產(chǎn)生的PWM 波通常是等幅 PWM 波，由交流電源產(chǎn)生的 PWM 波通常是不等幅的。不管是等幅 PWM 波還是不等幅 PWM 波，都是基于面積等效原理進(jìn)行控制的，因此其本質(zhì)是相同的。 根據(jù) PWM 控制的基本原理，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。這種方法稱之為計算法?？梢钥闯?，計算法是很繁瑣的，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化。 與計算法相對應(yīng)的是調(diào)制法，即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接收調(diào)制的信號作為載波，同過信號波的調(diào)制得到所期望的 PWM 波形。通常采用等腰三角形或鋸齒波作為載波，其中等腰三角形應(yīng)用最多。 因為等腰三角形上任一點(diǎn)的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右堆成，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(diǎn)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。正是因為調(diào)制法有這樣的優(yōu)點(diǎn)，所以實際應(yīng)用中的主要是調(diào)制法。 SPWM 原理 目前很容易實現(xiàn)的一種方法是：逆變器的輸出波形是一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(diǎn)與正弦波每一等 份 的中點(diǎn)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 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(jìn)行比較，如圖 所示，其相交的時刻（即交點(diǎn)）來作為開關(guān)管“開”或“關(guān) ”的時刻。正弦波大于三角波時，使相應(yīng)的開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)正弦波小于三角載波時，使相應(yīng)的開關(guān)器件截止。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 與正弦波等效的等幅脈沖序列波 圖 SPWM 控制的基本原理圖 SPWM 的控制模式及實現(xiàn) SPWM 的控制方法有兩種，即模擬控制和數(shù)字控制。原始的 SPWM 是由模擬控制來實現(xiàn)圖 是 SPWM 變壓變頻器的模擬控制電路原理框圖。三相對稱的參考正弦電壓調(diào)制信號 rau ， rbu ， rcu 由參考信號發(fā)生器提供，其頻率和幅值都是可調(diào)的。三角載波信號 tu 由三角波生器提供，各相公用。它分別與每相調(diào)制信號在比較器上進(jìn)行比較，給出“正”或“零”飽和輸出，產(chǎn)生 SPWM 脈沖序列波 dau ， dbu ， dcu ， 作為變壓變頻器功率開關(guān)器件的驅(qū)動 信號。 SPWM 的模擬控制電路現(xiàn)在己經(jīng)很少應(yīng)用，但他的原理往往是其它控制方法的基礎(chǔ)。 逆變器三 角 波 發(fā) 生 器驅(qū) 動V 1 ~ V 6S P W M 波U r aU r bU r cU d aU d bU d c 圖 SPWM 變壓變頻器的模擬控制電路 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 數(shù)字控制是 SPWM 目前常用的控制方法，可以采用微機(jī)存儲預(yù)先計算好的SPWM 數(shù)據(jù)表格，控制時根據(jù)指令調(diào)出，或者通過軟件實時生成 SPWM 波形，也可以采用大規(guī)模集 成電路專用芯片產(chǎn)生 SPWM。下面是幾種常用的方法 ： （ 1） 等效面積法 正弦脈寬調(diào)制的基本原理就是按面積相等的原則構(gòu)成與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，由： 2112 s in ( ) 2 s in s in22iiS ni m m inU U td t U n???? ?? ? ? ?????? （ ） 當(dāng) n 的數(shù)值較大時， sin22nn??? 于是， 2 sinmiisUnU????； 上式己給出脈沖寬度的計算公式，根據(jù)己知數(shù)據(jù)和正弦數(shù) 值可以依次算出每個脈沖的寬度，用于查表或?qū)崟r控制，這是一種最簡單的算法。 （ 2） 自然采樣法 移植模擬控制的方法，計算正弦調(diào)制波與三角載波的交點(diǎn)，從而求出相應(yīng)的脈寬和脈沖間歇時間，生成 SPWM 波形，叫做自然采樣法，如圖 所示，在圖中截取了任意一段正弦調(diào)制波與三角載波的相交情況。交點(diǎn) A 是發(fā)出脈沖的時刻， B 點(diǎn)是結(jié)束脈沖的時刻， cT 為三角載波的周期， 1t 為 cT 時間 內(nèi)在脈沖發(fā)生以前 （ 即 A 點(diǎn)以前 ） 的間歇時間， 2t 為 AB 之間的脈寬時間， 3t 為在 cT 以內(nèi) B 點(diǎn)以后的間歇時間，顯然 1 2 3cT t t t? ? ? 。 圖 生成 SPWM 電波形的自然采樣法 t t Ct 3t 1t 2t 39。2t 39。2t Bt At 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 若以單位量 1 代表三角載波的幅值 rmU ，則正弦調(diào)制波的幅值 rmU 就是調(diào)制度 M ，正弦調(diào)制波可寫作 ： 1sinru M t?? （ ） 式中 1? 是調(diào)制波頻率，也就是變壓變頻器的輸出頻率。 由于 A、 B 兩點(diǎn)對三角載波的中心線并不對稱，須把脈寬時間 2t 分成 2`t ， 2``t兩部分 (見圖 )。按相似直角三角形