【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(shí)。 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(hào)處理器 （ DSP） 和專用集成電路 （ ASIC） 技術(shù)的快速發(fā)展，為實(shí)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(huì)化、專業(yè)化生產(chǎn)。 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 從總體上看我國(guó)電氣傳動(dòng)的技術(shù)水平較國(guó)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(guó)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(jì)（論文） 3 但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國(guó)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(jiǎn)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(shí)。在控制器件方面，實(shí)現(xiàn)了從 16 位單片機(jī)到 32 位 DSP 的應(yīng)用。國(guó)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(guó)外的知名品牌相抗衡。國(guó)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(chǎng)需要，每年大量進(jìn)口高性能的變頻器。 國(guó)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(guó)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(dòng)態(tài)性能指標(biāo)上衡量。本設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)性能指標(biāo)為： a=（ 35） %，上升時(shí)間 st =。2 交流電機(jī)控制方法及實(shí)現(xiàn)方式 4 2 交流電機(jī)控制方法及實(shí)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(jì)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(dòng)，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(jì)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(shí)，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(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速 0n 恒定時(shí)，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(duì)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(dòng)勢(shì)是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁力線的結(jié)果，本質(zhì)上是定子繞組的自感電動(dòng)勢(shì)。其三相交流異步電機(jī)每相電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)的有效值 1E 不變，改變定子頻率時(shí)會(huì)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(huì)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(jì)（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(zhǎng)期使用不會(huì)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(huì)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(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞 電機(jī)。 因此，要實(shí)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(shí)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(shí)，必須同時(shí)降低 1E ，使 11/Ef=常數(shù)，即采用電動(dòng)勢(shì)與頻率之比恒定的控制方式。當(dāng)電動(dòng)勢(shì)的值較高時(shí)，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(shí)，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(dòng)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(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩 T 基本上隨磁通變化，由于在基頻以下調(diào)速時(shí)磁通恒定，所以轉(zhuǎn)矩 T 也恒定。根據(jù)電機(jī)與拖動(dòng)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(shí)， 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(shí)，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(shí)的機(jī)械特性 基頻以上調(diào)速 ： 在基頻以上調(diào)速時(shí)，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(shí)，由于電壓 11NUU? 不變，我們不難證明當(dāng)頻率提高時(shí)，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(dòng)勢(shì)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(jì)（論文） 6 圖 基頻以上調(diào)速時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)，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(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變各個(gè)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(jì)（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(gè)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(jì)算出來。按照計(jì)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(jì)算法?？梢钥闯觯?jì)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(shí)，結(jié)果都要變化。 與計(jì)算法相對(duì)應(yīng)的是調(diào)制法，即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接收調(diào)制的信號(hào)作為載波，同過信號(hào)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?yàn)榈妊切紊先我稽c(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(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)，如果在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)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(hào)波幅值的脈沖， 這正好符合 PWM 控制的要求，在調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是 SPWM 波形。正是因?yàn)檎{(diào)制法有這樣的優(yōu)點(diǎn)，所以實(shí)際應(yīng)用中的主要是調(diào)制法。 SPWM 原理 目前很容易實(shí)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(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(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(gè)正弦波進(jìn)行比較，如圖 所示，其相交的時(shí)刻（即交點(diǎn)）來作為開關(guān)管“開”或“關(guān) ”的時(shí)刻。正弦波大于三角波時(shí)，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(shí)，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(jì)（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(shí)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(shí)現(xiàn)圖 是 SPWM 變壓變頻器的模擬控制電路原理框圖。三相對(duì)稱的參考正弦電壓調(diào)制信號(hào) rau ， rbu ， rcu 由參考信號(hào)發(fā)生器提供，其頻率和幅值都是可調(diào)的。三角載波信號(hào) tu 由三角波生器提供，各相公用。它分別與每相調(diào)制信號(hào)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(dòng) 信號(hào)。 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(dòng)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(jì)（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(chǔ)預(yù)先計(jì)算好的SPWM 數(shù)據(jù)表格，控制時(shí)根據(jù)指令調(diào)出，或者通過軟件實(shí)時(shí)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(shí)， sin22nn??? 于是， 2 sinmiisUnU????； 上式己給出脈沖寬度的計(jì)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(gè)脈沖的寬度，用于查表或?qū)崟r(shí)控制，這是一種最簡(jiǎn)單的算法。 （ 2） 自然采樣法 移植模擬控制的方法，計(jì)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(shí)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(shí)刻， B 點(diǎn)是結(jié)束脈沖的時(shí)刻， cT 為三角載波的周期， 1t 為 cT 時(shí)間 內(nèi)在脈沖發(fā)生以前 （ 即 A 點(diǎn)以前 ） 的間歇時(shí)間， 2t 為 AB 之間的脈寬時(shí)間， 3t 為在 cT 以內(nèi) B 點(diǎn)以后的間歇時(shí)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(jì)（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(duì)三角載波的中心線并不對(duì)稱，須把脈寬時(shí)間 2t 分成 2`t ， 2``t兩部分 (見圖 )。按相似直角三角形