【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 等方面與通用變頻器有顯著差別的變頻器，專用變頻器由于應(yīng)用對(duì)象的差別，本身沒(méi)有很明顯的共同性。本文重點(diǎn)介紹通用變頻器，按照上面的分類，其全稱應(yīng)該是交直交SPWM電壓型通用變頻器。從結(jié)構(gòu)上看，變頻調(diào)速系統(tǒng)可分為直接變頻和間接變頻兩類。直接變頻又稱交—交變頻，是一種將工頻交流電直接變換為頻率可控的交流電，中間沒(méi)有直流環(huán)節(jié)的變頻形式；間接變頻又稱為交—直—交變頻，是將工頻交流電先經(jīng)過(guò)整流器整流成直流，再通過(guò)逆變器將直流變換成頻率可變的交流的變頻形式，因此這種變頻方式又被稱為有直流環(huán)節(jié)的變頻。交—交變頻調(diào)速系統(tǒng)一般使用的開(kāi)關(guān)器件是晶閘管，利用電網(wǎng)電壓有自動(dòng)過(guò)零并變負(fù)的特點(diǎn)，將晶閘管直接接在交流電源上，使晶閘管能自然關(guān)斷。其過(guò)程與可控整流器一樣，不需要附加換流元件，方法簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。而且，交—交變頻器在低頻時(shí)輸出波形接近正弦，且為一次變流，具有較高的效率，還能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。但是由于這種方法使用晶閘管數(shù)量較多，主回路復(fù)雜，且輸出頻率受電源頻率的限制，一般不能高于電網(wǎng)頻率的1/2,所以交—交變頻器在交流異步電機(jī)調(diào)速方面主要用于低速大功率傳動(dòng)，特別是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求高的場(chǎng)合。交—直—交變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖31所示，是目前變頻電機(jī)的主要形式，該方式必須通過(guò)兩次電能變換。效率稍低。但前級(jí)市電的干擾不會(huì)影響后級(jí)，輸出波形好，變頻范圍寬。圖31交—直—交變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖AC/DC：將交流電變?yōu)橹绷麟?，?shí)現(xiàn)這一功能的變換電路一般稱為整流電路。在AC/DC變換過(guò)程中常常引入高頻變換環(huán)節(jié)，達(dá)到減小電源設(shè)備體積、減輕重量、提高效率、改善動(dòng)態(tài)特性等目的，轉(zhuǎn)換頻率一般為幾十千赫至幾百千赫。 DC/AC：將直流電變?yōu)榻涣麟?，?shí)現(xiàn)這一功能的變換電路，一般稱為逆變器。逆變電路既可將固定的直流電壓變換為固定幅值和頻率的交流電壓，亦可將其變換為幅值和頻率都可調(diào)節(jié)的交流電壓，后者常稱為變頻器。逆變器是電力電子裝置中的重要組成部分，是不間斷電源、交流電氣傳動(dòng)、中頻電源等許多設(shè)備的核心，因而其研究工作倍受人們的關(guān)注，研究的焦點(diǎn)是如何方便地調(diào)節(jié)逆變電源的輸出電壓和頻率，并降低諧波含量，改善輸出波形。迄今為止，降低諧波含量和調(diào)節(jié)輸出電壓(大小或頻率)的常用措施有： 1）對(duì)逆變電源的開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高頻PWM調(diào)制，使逆變器輸出為高頻等幅的PWM波。2）通過(guò)改變逆變電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在主電路上進(jìn)行波形重構(gòu)以實(shí)現(xiàn)階梯波形輸出，減小低階高次諧波含量。由DSP控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖32所示，本系統(tǒng)以DSP為控制核心，主要由整流器，濾波環(huán)節(jié)，逆變器，檢測(cè)環(huán)節(jié)及控制回路組成。 圖32三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)主電路采用典型交一直一交電壓源型變頻器結(jié)構(gòu)，整流環(huán)節(jié)采用單相橋式不控整流模塊，逆變電路功率器件采用IGBT，中間直流環(huán)節(jié)加大電容濾波以獲得平滑的直流電壓，電網(wǎng)電壓經(jīng)橋式整流后對(duì)直流母線上的濾波電容充電，串聯(lián)限流電阻R，是為限制過(guò)大的充電電流。若不用限流電阻，當(dāng)系統(tǒng)合閘時(shí)會(huì)有相當(dāng)大的充電電流，可能燒毀濾波大電容和整流模塊。限流電阻只在電容剛開(kāi)始充進(jìn)行限流，當(dāng)電容兩端的電壓充到一定值時(shí)，繼電器K吸合，把限流電阻R，短路。電路中電容CZ、二極管VD和電阻R、構(gòu)成一個(gè)典型的吸收緩沖電路。主回路工作時(shí)，因?yàn)楣β势骷_(kāi)關(guān)頻率很高，開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)會(huì)在直流環(huán)節(jié)中產(chǎn)生電流突變，若直流環(huán)節(jié)存在電感，則可能在功率器件兩端產(chǎn)生很大的尖峰電壓，吸收緩沖電路的作用就是吸收消除此尖峰電壓。電容電壓的檢測(cè)用電阻RZ和R3分壓進(jìn)行檢測(cè)，分別控制繼電器K和過(guò)壓保護(hù)電路。功率器件采用三菱公司智能IGBT模塊。內(nèi)含過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)，是一種新型的功率器件。具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)控制電路包括了DSP的電路板以及以該板為核心分別擴(kuò)展的數(shù)字信號(hào)處理板和模擬信號(hào)處理板，分別完成頻率給定、按鍵選擇調(diào)制方式及顯示、低頻補(bǔ)償給定等功能，并對(duì)各種故障信號(hào)進(jìn)行綜合處理。同時(shí)，系統(tǒng)中會(huì)有一系列的檢測(cè)、通訊、保護(hù)、故障處理電路，以保證本電源的安全穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)用TMS320F2808作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制芯片與其他單片機(jī)相比，其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為:數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、高運(yùn)算速度、能實(shí)時(shí)完成復(fù)雜計(jì)算、單周期多功能指令、PWM分辨率高、更短的采樣周期。TMS320F2808芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，集成了A/D轉(zhuǎn)換，廣泛采用流水線操作，可以用來(lái)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。目前，大部分三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要是基于間接SPWM技術(shù)，采用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)作為功率控制器件來(lái)提高功率主電路的控制性、穩(wěn)定性和效率，以DSP作為控制核心進(jìn)行控制和參數(shù)運(yùn)算處理，提高了變頻調(diào)速系統(tǒng)的操作性。生成SPWM常采用的方法有三種:一是完全由模擬電路生成；二是由數(shù)字電路生成；三是由專用集成芯片生成。模擬方法電路復(fù)雜，硬件太多，抗干擾性差，有溫漂現(xiàn)象，難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化PWM控制(最優(yōu)化PWM的調(diào)制波都不是正弦波)，系統(tǒng)可靠性差。數(shù)字方法按照不同的數(shù)字模型用計(jì)算機(jī)算出各切換點(diǎn)，將其存入內(nèi)存，然后通過(guò)查表及必要的運(yùn)算產(chǎn)生SPWM波，該方法調(diào)頻范圍不寬，且占用內(nèi)存大，與系統(tǒng)精度之間存在矛盾。由專用集成芯片生成三相SPWM波的技術(shù)近年來(lái)被廣泛采用，常用的有NEF4752, SLE4520, MA818, MA828, MA838和MITEL公司研制的三相/單相PWM產(chǎn)生器SA828, SA838系列芯片。它們多與微處理器連接，完成外圍控制功能，但在系統(tǒng)構(gòu)成上仍然復(fù)雜。PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)是利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過(guò)控制電壓的脈沖寬度以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。SPWM(正弦脈寬調(diào)制)是由控制回路產(chǎn)生一組等幅而不等寬的矩形脈沖序列，用來(lái)近似正弦電壓波。對(duì)于高頻PWM調(diào)制來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)頻率越高，諧波含量越小，但開(kāi)關(guān)損耗也越大，故不宜用在大功率逆變電源中。而波形重構(gòu)方式往往需要多個(gè)逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的疊加。波形重構(gòu)的級(jí)數(shù)越多，出現(xiàn)的最低諧波次數(shù)越高，但主電路和控制電路也越復(fù)雜，相應(yīng)地控制難度也越大，輸出電壓的調(diào)節(jié)也不甚方便，因此這種方式通常只在大功率逆變電源中采用。利用PWM調(diào)制來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓和降低諧波含量是目前最為普及的技術(shù)，在中小功率逆變電源中應(yīng)用非常廣泛，PWM的生成方法也很多。變頻電源采用的脈寬調(diào)制技術(shù)有兩種:一種是開(kāi)關(guān)點(diǎn)預(yù)置控制方式，也叫消諧PWM，理論分析表明，早在1973年提出的消諧控制策略能有效地克服上述問(wèn)題，它只需要較少的開(kāi)關(guān)脈沖數(shù)即可完全消除容量較大的低階高次諧波，取得很好的濾波效果，具有開(kāi)關(guān)頻率低、開(kāi)關(guān)損耗小、電壓利用率高等許多優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)逆變電源PWM控制的理想方法。消諧PWM控制就是一種經(jīng)過(guò)計(jì)算的PWM控制策略，其基本方法是：通過(guò)PWM控制的傅里葉級(jí)數(shù)分析，得出傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式，以脈沖相位角為未知數(shù)，令某些特定的諧波為零，便得到一個(gè)非線性方程組，該方程組即為消諧PWM模型，按模型求解的結(jié)果進(jìn)行控制，則輸出不含這些特定的低次諧波。消諧控制的優(yōu)勢(shì)己為人們認(rèn)識(shí)，并開(kāi)展了不少的研究工作，希望該方法得到實(shí)際應(yīng)用。遺憾的是，迄今為止消諧方法還沒(méi)有真正進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。按照消諧控制的思想，PWM波的相位是通過(guò)模型的求解獲得的，而消諧模型是一個(gè)正弦函數(shù)的多元非線性方程組，其數(shù)值求解的過(guò)程極其復(fù)雜并且難以保證收斂，因此這種求解計(jì)算要在現(xiàn)有的微處理器(MCU)系統(tǒng)中快速實(shí)時(shí)地完成是相當(dāng)困難的，這在相當(dāng)程度上制約了消諧方法的實(shí)際應(yīng)用。目前該方法的應(yīng)用主要以離線控制方式實(shí)現(xiàn)，將其應(yīng)用于無(wú)需調(diào)節(jié)電壓大小的恒頻恒壓電源的控制是可行的?；蚴孪扔?jì)算某些特定電壓的有關(guān)控制參數(shù)存入存儲(chǔ)器中，根據(jù)實(shí)際需要分級(jí)調(diào)節(jié)輸出電壓，這種方式往往需要很大的存儲(chǔ)空間，而且隨著電壓調(diào)節(jié)的分辨率增高，其存儲(chǔ)空間隨之增大。另一種是SPWM方案，SPWM方式的缺點(diǎn)是不易獲得較高的基波幅值比、開(kāi)關(guān)損耗較大。優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小低次諧波影響，并可通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。本設(shè)計(jì)就是采用SPWM方案。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防科技事業(yè)的進(jìn)程當(dāng)中，交流變頻調(diào)速的應(yīng)用極為廣泛和重要。而隨著電力電子和微處理器技術(shù)的發(fā)展，調(diào)速系統(tǒng)也成為發(fā)展的潮流和目標(biāo)。三相異步變頻調(diào)速系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)，農(nóng)業(yè)，國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)前國(guó)外交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展十分迅速各大商場(chǎng)推出的交流調(diào)速系統(tǒng)層出不窮，與國(guó)外相比，我國(guó)交流調(diào)速控制方式的研究起步較晚，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用出現(xiàn)更晚。而且多數(shù)產(chǎn)品應(yīng)用的是基本的SPWM控制，在高性能變頻技術(shù)方面處于劣勢(shì)。因此研究異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對(duì)于推動(dòng)我國(guó)高性能變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用和重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著新型電力電子器件的不斷出現(xiàn),三相異步變頻調(diào)速系統(tǒng)將在實(shí)際需要的推動(dòng)下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)下,由于功率器件性能的限制而使電機(jī)的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性,使器件性能對(duì)電機(jī)性能的影響減至最小,新型的電機(jī)技術(shù)和新型的控制技術(shù),可使功率開(kāi)關(guān)工作在零電壓或零電流狀態(tài),從而可大大的提高工作頻率,提高異步電機(jī)工作效率。在交流調(diào)速領(lǐng)域中，應(yīng)用最廣的是交流變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)。它主要用于需要交流電源的電壓、頻率可調(diào)(或恒壓、恒頻)的用電設(shè)備，如交流電機(jī)、中頻電源及各種專用電源的中間環(huán)節(jié)等。這一技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展為交流調(diào)速開(kāi)拓了廣闊的天地。國(guó)外交流調(diào)速在電氣傳動(dòng)行業(yè)已占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，雖然國(guó)內(nèi)直流調(diào)速還在大量使用，但近年來(lái)凡新建的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)均采用交流調(diào)速，其發(fā)展勢(shì)頭是迅速的。變頻技術(shù)在供電電源方面的應(yīng)用主要是:（1)將過(guò)去用電機(jī)、變壓器產(chǎn)生交流電的地方用變頻電源取代。（2）將計(jì)算機(jī)、電焊機(jī)、電子裝置等用直流電源的地方改為以變頻技術(shù)為核心的開(kāi)關(guān)電源。變頻技術(shù)在電源中的應(yīng)用，極大地減小了電源裝置的體積，提高了效率，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。所謂變頻就是利用電力電子器件(如功率晶體管GTR、絕緣柵雙極型晶體管IGBT)將5OHz的市電變換為用戶所要求的交流電或其他電源。它分為直接變頻(又稱交―交變頻)，即把市電直接變成比它頻率低的交流電，大量用在大功率的交流調(diào)速中。間接變頻(又稱交—直—交變頻)，即先將市電整流成直流，再變換為要求頻率的交流。它又分為諧振變頻和方波變頻。前者主要用于中頻加熱，方波變頻又分為等幅、等寬和SPWM變頻。常用的方法有正弦波(調(diào)制波)與三角波(載波)比較的SPWM法、磁場(chǎng)跟蹤式SPWM法和等面積SPWM法等。它是作為80年代中發(fā)展起來(lái)的高性能的新型電機(jī)調(diào)速方法，在很大程度上解決了矢量控制中計(jì)算控制復(fù)雜，實(shí)際性能難于達(dá)到理論分析結(jié)果的一些重大問(wèn)題。而本文研究的正是從異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，根據(jù)變頻調(diào)速原理從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，利用比較容易實(shí)現(xiàn)的正弦脈寬調(diào)制的方法調(diào)試了系統(tǒng)的部分硬件電路，然后根據(jù)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩的控制原理，對(duì)于近似圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩理論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。在硬件方面課題采用了目前比較流行的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為本實(shí)驗(yàn)的控制器，其處理速度高的特點(diǎn)正好符合本實(shí)驗(yàn)的需要；主電路中，本系統(tǒng)采用了集成度高的功率器件；智能模塊作為逆變環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了高開(kāi)關(guān)效率逆變以及故障診斷的功能，從而使控制系統(tǒng)的體積大大縮小，控制更加靈活。異步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)就是使用DSP器件及電子技術(shù)對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行變頻和控制的技術(shù)。是一門綜合了電力半導(dǎo)體器件、電力變頻技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、DSP芯片技術(shù)等許多學(xué)科的交叉學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前，它已逐步發(fā)展成為一門包含更多學(xué)科的綜合性技術(shù)學(xué)科，并在為現(xiàn)代通訊、電子儀器、計(jì)算機(jī)工業(yè)自動(dòng)化、電網(wǎng)優(yōu)化、電力工程、國(guó)防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電能方面起著關(guān)鍵的作用。變頻調(diào)速技術(shù)誕生至今已經(jīng)近50年，它對(duì)人類的文明起了巨大的推動(dòng)作用。特別是在近年來(lái)，這種技術(shù)更是取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，己經(jīng)形成較為完整的學(xué)科體系和理論。變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展主要是兩個(gè)方面:一是變頻調(diào)速系統(tǒng)所需器件的發(fā)展，因?yàn)樽冾l調(diào)速系統(tǒng)器件是變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)和源頭，變頻調(diào)速器件的性能的提高，促進(jìn)了變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，提高了變頻調(diào)速系統(tǒng)裝置的功率，減小了體積。另一方面是變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)在不同應(yīng)用領(lǐng)域具體控制技術(shù)的發(fā)展。尤其是電機(jī)轉(zhuǎn)速變換技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。異步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是變頻技術(shù)中最重要、最基本的共性技術(shù)。為了滿足高效、高能量密度、高精度、快速響應(yīng)、寬調(diào)節(jié)范圍、低諧波失真和低成本的要求，變頻調(diào)速技術(shù)從不控、半控強(qiáng)迫換流技術(shù)發(fā)展到普遍采用PWM控制和采用自關(guān)斷器件的變頻技術(shù)。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)通常由電動(dòng)機(jī)、控制裝置和信息裝置3部分組成。電氣傳動(dòng)關(guān)系到合理地使用電動(dòng)機(jī)以節(jié)約電能和控制機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)（位置、速度、加速度等），實(shí)現(xiàn)電能機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。電氣傳動(dòng)分成不調(diào)速和調(diào)速兩大類，調(diào)速又分交流調(diào)速和直流調(diào)速兩種方式。不調(diào)速電動(dòng)機(jī)直接由電網(wǎng)供電，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展這類原本不調(diào)速的機(jī)械越來(lái)越多地改用調(diào)速傳動(dòng)以節(jié)約電能（節(jié)約15%～20%或更多），改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)量。在我國(guó)60%的發(fā)電量是通過(guò)電動(dòng)機(jī)消耗的，因此調(diào)速春傳動(dòng)是一個(gè)重要行業(yè)，一直得到國(guó)家重視，目前已有一定規(guī)模。近年來(lái)交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個(gè)世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變