【文章內(nèi)容簡介】 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)用對象的差別，本身沒有很明顯的共同性。本文重點介紹通用變頻器，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)過整流器整流成直流，再通過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)一般使用的開關(guān)器件是晶閘管，利用電網(wǎng)電壓有自動過零并變負的特點，將晶閘管直接接在交流電源上，使晶閘管能自然關(guān)斷。其過程與可控整流器一樣，不需要附加換流元件，方法簡單，運行可靠。而且，交—交變頻器在低頻時輸出波形接近正弦，且為一次變流，具有較高的效率，還能實現(xiàn)四象限運行。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調(diào)速方面主要用于低速大功率傳動，特別是起動轉(zhuǎn)矩要求高的場合。交—直—交變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖31所示，是目前變頻電機的主要形式，該方式必須通過兩次電能變換。效率稍低。但前級市電的干擾不會影響后級，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?，實現(xiàn)這一功能的變換電路一般稱為整流電路。在AC/DC變換過程中常常引入高頻變換環(huán)節(jié)，達到減小電源設(shè)備體積、減輕重量、提高效率、改善動態(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?，實現(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、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）對逆變電源的開關(guān)管進行高頻PWM調(diào)制，使逆變器輸出為高頻等幅的PWM波。2）通過改變逆變電源主電路拓撲結(jié)構(gòu)，在主電路上進行波形重構(gòu)以實現(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，檢測環(huán)節(jié)及控制回路組成。 圖32三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計框圖系統(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，是為限制過大的充電電流。若不用限流電阻，當(dāng)系統(tǒng)合閘時會有相當(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始充進行限流，當(dāng)電容兩端的電壓充到一定值時，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)成一個典型的吸收緩沖電路。主回路工作時，因為功率器件開關(guān)頻率很高，開關(guān)動作時會在直流環(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。電容電壓的檢測用電阻RZ和R3分壓進行檢測，分別控制繼電器K和過壓保護電路。功率器件采用三菱公司智能IGBT模塊。內(nèi)含過壓、過流、過熱保護，是一種新型的功率器件。具有驅(qū)動電路簡單、可靠性高等優(yōu)點。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展的數(shù)字信號處理板和模擬信號處理板，分別完成頻率給定、按鍵選擇調(diào)制方式及顯示、低頻補償給定等功能，并對各種故障信號進行綜合處理。同時，系統(tǒng)中會有一系列的檢測、通訊、保護、故障處理電路，以保證本電源的安全穩(wěn)定。本設(shè)計用TMS320F2808作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制芯片與其他單片機相比，其優(yōu)勢表現(xiàn)為:數(shù)據(jù)處理能力強、高運算速度、能實時完成復(fù)雜計算、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，可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。目前，大部分三相異步電機變頻調(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作為控制核心進行控制和參數(shù)運算處理，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)字模型用計算機算出各切換點，將其存入內(nèi)存，然后通過查表及必要的運算產(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，并通過控制電壓的脈沖寬度以達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，用來近似正弦電壓波。對于高頻PWM調(diào)制來說，開關(guān)頻率越高，諧波含量越小，但開關(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)方式往往需要多個逆變器來實現(xiàn)電壓的疊加。波形重構(gòu)的級數(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:一種是開關(guān)點預(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題，它只需要較少的開關(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，具有開關(guān)頻率低、開關(guān)損耗小、電壓利用率高等許多優(yōu)點，是實現(xiàn)逆變電源PWM控制的理想方法。消諧PWM控制就是一種經(jīng)過計算的PWM控制策略，其基本方法是：通過PWM控制的傅里葉級數(shù)分析，得出傅里葉級數(shù)展開式，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)勢己為人們認(rèn)識，并開展了不少的研究工作，希望該方法得到實際應(yīng)用。遺憾的是，迄今為止消諧方法還沒有真正進入實際應(yīng)用。按照消諧控制的思想，PWM波的相位是通過模型的求解獲得的，而消諧模型是一個正弦函數(shù)的多元非線性方程組，其數(shù)值求解的過程極其復(fù)雜并且難以保證收斂，因此這種求解計算要在現(xiàn)有的微處理器(MCU)系統(tǒng)中快速實時地完成是相當(dāng)困難的，這在相當(dāng)程度上制約了消諧方法的實際應(yīng)用。目前該方法的應(yīng)用主要以離線控制方式實現(xiàn)，將其應(yīng)用于無需調(diào)節(jié)電壓大小的恒頻恒壓電源的控制是可行的?；蚴孪扔嬎隳承┨囟妷旱挠嘘P(guān)控制參數(shù)存入存儲器中，根據(jù)實際需要分級調(diào)節(jié)輸出電壓，這種方式往往需要很大的存儲空間，而且隨著電壓調(diào)節(jié)的分辨率增高，其存儲空間隨之增大。另一種是SPWM方案，SPWM方式的缺點是不易獲得較高的基波幅值比、開關(guān)損耗較大。優(yōu)點是可以通過提高開關(guān)頻率來減小低次諧波影響，并可通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓。本設(shè)計就是采用SPWM方案。在國民經(jīng)濟建設(shè)和國防科技事業(yè)的進程當(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)，國防等各個領(lǐng)域。當(dāng)前國外交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展十分迅速各大商場推出的交流調(diào)速系統(tǒng)層出不窮，與國外相比，我國交流調(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。因此研究異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對于推動我國高性能變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展具有積極的促進作用和重要的現(xiàn)實意義。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)將在實際需要的推動下快速發(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,使器件性能對電機性能的影響減至最小,新型的電機技術(shù)和新型的控制技術(shù),可使功率開關(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、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)速開拓了廣闊的天地。國外交流調(diào)速在電氣傳動行業(yè)已占絕對優(yōu)勢，雖然國內(nèi)直流調(diào)速還在大量使用，但近年來凡新建的電氣傳動系統(tǒng)均采用交流調(diào)速，其發(fā)展勢頭是迅速的。變頻技術(shù)在供電電源方面的應(yīng)用主要是:（1)將過去用電機、變壓器產(chǎn)生交流電的地方用變頻電源取代。（2）將計算機、電焊機、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)展起來的高性能的新型電機調(diào)速方法，在很大程度上解決了矢量控制中計算控制復(fù)雜，實際性能難于達到理論分析結(jié)果的一些重大問題。而本文研究的正是從異步電機的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，根據(jù)變頻調(diào)速原理從簡單到復(fù)雜，利用比較容易實現(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，對于近似圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩理論進行了實驗分析。在硬件方面課題采用了目前比較流行的數(shù)字信號處理器（DSP）作為本實驗的控制器，其處理速度高的特點正好符合本實驗的需要；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)，實現(xiàn)了高開關(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。異步電機變頻調(diào)速技術(shù)就是使用DSP器件及電子技術(shù)對異步電機進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、計算機工業(yè)自動化、電網(wǎng)優(yōu)化、電力工程、國防及某些高新技術(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，它對人類的文明起了巨大的推動作用。特別是在近年來，這種技術(shù)更是取得了突飛猛進的發(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)展主要是兩個方面:一是變頻調(diào)速系統(tǒng)所需器件的發(fā)展，因為變頻調(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。尤其是電機轉(zhuǎn)速變換技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。異步電機變頻調(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)。電氣傳動控制系統(tǒng)通常由電動機、控制裝置和信息裝置3部分組成。電氣傳動關(guān)系到合理地使用電動機以節(jié)約電能和控制機械的運轉(zhuǎn)狀態(tài)（位置、速度、加速度等），實現(xiàn)電能機械能的轉(zhuǎn)換，達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。電氣傳動分成不調(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)速電動機直接由電網(wǎng)供電，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展這類原本不調(diào)速的機械越來越多地改用調(diào)速傳動以節(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60%的發(fā)電量是通過電動機消耗的，因此調(diào)速春傳動是一個重要行業(yè)，一直得到國家重視，目前已有一定規(guī)模。近年來交流調(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。上個世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變