【文章內(nèi)容簡介】 中， S S2 表示由兩個電力半導體器件組成的導電臂，電流從一個臂向另一個臂轉(zhuǎn)移的過程稱 為換流（或換相）。在換流過程中，有的臂從導通到關斷，有的臂從關斷到導通。要使某一臂導通，只要給組成該導電臂的器件的控制極施加適當?shù)男盘?，但要使某一臂關斷，情況就復雜多了。全控型器件可以用適當?shù)目刂茦O信號使其關斷，而半控型晶閘管，必須利用外部條件或采取一定的措施才能使其關斷。晶閘管要在電流過零以后再施加一定時間的反向電壓，才能使其關斷。 一般來說，換流方式可分為以下幾種： (1)器件換流。利用全控型電力電子器件自身具有的關斷能力進行換流，稱為器件換流。 (2)電網(wǎng)換流。由電網(wǎng)提供換流電壓稱為電網(wǎng)換流。整流電路 的換流方式就是電網(wǎng)換流。 (3)負載換流。由負載提供換流電壓，凡是負載電流的相位超前電壓的場合，都可實現(xiàn)負載換流。 7 (4)脈沖換流。設置附加的換流電路，由換流電路內(nèi)的電容提供換流電壓，稱為脈沖換流，有時也稱為強迫換流或電容換流。 脈沖換流有脈沖電壓換流和脈沖電流換流兩種。 在上述四種換流方式中，器件換流只適應于全控型器件，其余三種方式主要是針對晶閘管而言。 [11] S1 S2i V1V2V3V4V D 1V D 2V D 3V D 4R LC+Ud 圖 32 換流 圖 33 單相全橋電壓型逆變電路 單相電壓型逆變電路 逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源的性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。在本文中，我們主要討論單相電壓型逆變電路的基本構成、工作原理和特性，圖 33為其電路。 電壓型逆變電路有以下一些特點： ，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。 ，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。 阻感負載是需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。 下面，我們討論一下單相全橋電壓型逆變電路。 單相全橋電壓型逆變電路的原理圖如圖 33所示，它共有 4個橋臂，橋臂 1和 4作為一對，橋臂 2和 3作為另一對，成對的兩個橋臂同時導通，兩對交替各導通 180o。其輸出電壓u0的波形如同 31(b)所示，是矩形波，下面我們對其電壓波形作定量分析。把幅值為 Ud的矩形波 u0展開成傅里葉級數(shù)得 ...)5s i n513s i n31(s i n40 ???? ???? tUu d 其中基波幅值 UO1m和基本有效值 Uo1分別為 ddmo UUU ?? ? ddo UUU ?? ? 8 PWM控制技術的基本原理 圖 34 PWM 波形 如圖 34(a)所示，我們將一個正弦波半波電壓分成 N等分，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，且矩形脈沖的中點與相應正弦等份的中點重合，得到如圖 34(b)所示得脈沖列，這就是 PWM波形。正弦波的另外半波可以用相同得辦法來等效?？梢钥闯?，該 PWM波形的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化，稱為 SPWM波形。 根據(jù)采樣控制理論，脈沖頻率越高， PWM波形便越接近正弦波。逆變器的輸出電壓為 PWM波形時，其低次諧波得到很好地抑制和消除，高次諧波又能很容易濾去，從而可得到崎變率極低的正弦波輸出電壓。 PWM控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或者其他所需要的波形。 從理論上講，在給出了正弦半波頻率、幅值和 半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，脈沖波形的寬度和間隔便可以準確計算出來。然后按照計算的結(jié)果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的波形。但在實際應用中，人們常采用正弦波與等腰三角波相交的辦法來確定各矩形脈沖的寬度。 等腰三角波上下寬度與高度成線性關系且左右對稱，當它與任何一個光滑曲線相交時，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這種方法稱為調(diào)制方法。希望輸出的信號為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的三角波稱為載波。當調(diào)制信號是正弦波時，所得到的便是 PWM波形。當調(diào)制信號不是正弦波時，也能得到與調(diào)制信號等效的 PWM波形。 9 第四章 系統(tǒng)硬件設計 TLP250驅(qū)動電路的設計 典型的 IGBT柵極驅(qū)動電路如圖 41所示。 1 82 73 64 5T L P 25 0RCCI N 47 33R+ 3 0 VC O NpyRP W M 圖 41 典型的 IGBT 柵極驅(qū)動電路 TLP250包含一個 GaAlAs光發(fā)射二極管和一個集成光探測器， 8腳雙列封裝結(jié)構。適合于 IGBT或電 MOSFET柵極驅(qū)動電路。圖 42為 TLP250的內(nèi)部結(jié)構簡圖。 T r 1T r 2OOOOOO2+35678V c cVoVoG N DVFIFI c c 圖 42 TLP250 的內(nèi)部結(jié)構簡圖 對驅(qū)動 IGBT電路的一般要求： 1）柵極驅(qū)動電壓 IGBT開通時，正向柵極電壓的值應該足夠令 IGBT產(chǎn)生完全飽和，并使通態(tài)損耗減至最小，同時也應限制短路電流和它所帶來的功率應力。在任何情況下，開通時的柵極驅(qū)動電壓，應該在 12～ 20V之間。當柵極電壓為零時， IGBT處于斷態(tài)。但是，為了保證 IGBT在集電極、發(fā)射極電壓上出現(xiàn) dv/dt噪聲時仍保持關斷，必須在柵極上施加一個反向關斷偏壓，采用反向偏壓還減少了關斷損耗。反向偏壓應該在－ 5～－ 15V之間。 2）串聯(lián)柵極電阻（ Rg）選擇適當?shù)臇艠O串聯(lián)電阻對 IGBT柵極驅(qū)動相當重要。 IGBT的開通和關斷是通過柵極電路的充放電來實現(xiàn)的，因此柵極電阻值將對 IGBT的動態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。數(shù)值較小的電阻使柵極電容的充放電較快，從而減小開關時間和開關損耗。所以，較小的柵極電阻增強了器件工作的耐固性（可避免 dv/dt帶來的誤導通），但與此同時， 10 它只能承受較小的柵極噪聲，并可能導致柵極－發(fā)射極電容和柵極驅(qū)動導線的寄生電感產(chǎn)生振蕩。 3）柵極驅(qū)動功率 IGBT要消耗來自柵極電源的功率，其功率受柵極驅(qū)動負、正 偏置電壓的差值Δ UGE、柵極總電荷 QG 和工作頻率 fs的影響。電源的最大峰值電流 IGPK為 ： )/( gGECPK RUI ??? 電源的平均功率 PW為： sGGEW fQUP ???? IGBT轉(zhuǎn)換電路的設計 圖 43是采用 IGBT作為開關器件的單相橋式電壓型逆變電路。 S1S2S3S4D1D2D3D4調(diào)制電路調(diào) 制 波載 波UrUcU g e 1U g e 2U g e 3U g e 4 L RLCUoE 圖 43 單相橋式電壓型逆變電路 設負載為阻感負載，工作時 S1和 S2的通斷狀態(tài)互補， S3和 S4的通斷狀 態(tài)也互補。具體的控制規(guī)律如下：在輸出電壓 0u 的正半周，讓 S1保持通態(tài)， S2保持斷態(tài)， S3和 S4交替通斷。由于負載電流比電壓滯后，因此在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負。在負載電流為正的區(qū)間， S1和 S4導通時，負載電壓 0u 等于直流電壓 E ； S4關斷時負載電流通過 S1和 D3續(xù)流， 00?u 。在負載電流為負的區(qū)間，仍為 S1和 S4導通時，因 oi 為負，故 oi 實際上從 D1和 D4流過，仍有 Euo? ； S4關斷， S3開通后， oi 從 S3和 D1續(xù)流， 00?u 。這樣， 0u 總可以得到 E 和零兩種電平。同樣，在 0u 的負半周，讓 S2 保持通態(tài)， S1保持斷態(tài)， S1和 S4交替通斷，負載電壓 0u 可以得到 E? 和零兩種電平。 [12] 濾波器電路的設計 最簡單也是最常用的變頻器輸出濾波器是由 LRC組成低通濾波器，如圖 44(a)。圖 44(b)為濾波器的單相等效電路。電感作用是抑制變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過；電容為變頻器產(chǎn)生的高次諧波提供旁路；電阻則起阻尼作用，防止或抑制諧振的產(chǎn)生。 [13]低壓變頻器濾波器設計已經(jīng)較為成熟，理論上 L和 C的值足夠大，就 可以使輸出電壓波形非常接近正弦，但在容 11 量較大的中壓變頻器濾波器設計時必須綜合考慮基波壓降、有功損耗、電流諧波和諧振等問題。 LRC L RR LCU2U1I1 I0If (a)LRC 濾波拓撲結(jié)構 (b)濾波器的單相等效電路 圖 44 LRC 濾波器及其單相等效電路 為簡化分析，不計電纜參數(shù)分布性，電動機用等效 RL串聯(lián)模型代替。由濾波器的單相等效電路可得 )4(/)//(/)3(//)2(/)//(/)1(//..............1..............................................101........................12...............................................fmffPmimfumfZZZZUIHZZIIHZZZUUHZZLjZ???????????????? 式中 ?10I 為未加濾波器時變頻器輸出電流： CjRZLjRZ fmmm ?? /1。 ???? 若所選濾波器元件參數(shù)滿足下式 )5()50/(10/10/.............. .......... .......... .......... ..????????mmmmRLRCRRLL 可將式 (1)(4)適當簡化得 12 )7()1( )1()6()1( )1(........... .......... ..222222222............. .......... ..2222222mmmmummmRLCLRCRLHCLRLCLZ???????????????? )9(1/)8(......... .......... .......... .222......... .......... .......... .......... .222CRHZHHZLRZZHufuPmmmi???????? 諧振頻率為 2121)2/(1)2/(1xxxmxffLCfCLf???且?? 為避免諧振發(fā)生并使在 fc附近諧波得到較好抑制，應滿足下式： )10(m i m a x51 .................................................................????? ?? fcfx fcfx 所選濾波器參數(shù)除應滿足式 (5)和式 (10)外，還應計算引入濾波器后電壓諧波含有率、電流諧波含有率和有功損耗是否滿足要求。以上各量可由下式求得 ? ?)13()(33)12()/()11()/(1............122212........................................................................................................................2RULUCRIPILLIULCUcf c o H Rffo n H Rmn HRo n H Rn HR???????????????????????? 式中 UonHR為濾波前變頻器輸出電壓 n次諧波含有率； IonHR為濾波前變頻器輸出電流 n次諧波含有率； UfcoHR為濾波前載波頻率附近電壓諧波含有率。 因此，濾波器設計就是把式 (5)、 (10)作為約束條件，式 (11)~(13)為目標函數(shù)的一個優(yōu)化問題。 13 第五章 系統(tǒng)軟件設計 AVR軟件開發(fā)工具的介紹 AVR軟件開發(fā)工具有很多，包括 AVR STUDIO I