【文章內(nèi)容簡介】 中間直流環(huán)節(jié)： 由于逆變器的負(fù)載為異步電動機(jī)，屬于感性負(fù)載。無論電動機(jī)處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會為 1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機(jī)之間總會無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件來緩沖。所以又稱其為中間直流儲能環(huán)節(jié)。 控制電路控制： 電路常由運(yùn)算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅(qū)動電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等。控制方法可以采用模擬控制或數(shù)字控制。 變頻器的分類 1. 按直流電源 的性質(zhì)可分為：電流型變頻器和電壓型變頻器。 2. 按輸出電壓調(diào)節(jié)方式可分為： PAM 方式與 PWM方式。 3. 按控制方式可分為： U/F 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制及矢量控制。 4. 按主令開關(guān)器件為： SCR， BJT， GTO 和 IGBT 變頻器。 正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）技術(shù) 我們期望變頻器輸出的電壓波形是純粹的正弦波形，但就目前的技術(shù)，還不能制造功率大、體積小、輸出波形如同正弦波發(fā)生器那樣標(biāo)準(zhǔn)的可變頻變壓的逆變器。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)與正弦波每一等分的中點(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 210所示： 16 ω tω tuu00( a )( b ) 圖 2 10 與正弦波等效的等幅脈沖序列波 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) )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。 + 10 1+ 1 10 圖 2 11 SPWM控制的基本原理圖 單極性 SPWM控制技術(shù) 采用單極性控制時(shí)在正弦波的半個(gè)周期內(nèi)每相只有一個(gè)開關(guān)器件開通或關(guān)斷，例如 A 相的 V1反復(fù)通斷，如圖 212 所示。這時(shí)的調(diào)制情況是：當(dāng)正弦調(diào)制波電壓高于三角載波電壓 時(shí)，相應(yīng)比較器的輸出電壓為正電平，反之則為零電平。只要正弦調(diào)制波的最大值低于三角載波的幅值，由圖 212(A)的調(diào)制結(jié)果必然形成圖 212(B)所示的等幅不等寬而且兩側(cè)窄中間寬的 SPWM 脈寬調(diào)制波形。負(fù)半周用同樣的方法調(diào)制后再倒相而成。 17 u0ttu0S P W M 波調(diào) 制 波載 波( A )( B ) 圖 2 12單極性脈寬調(diào)制波的形成 單極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：每半個(gè)周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變器件中，只有一個(gè)器件按脈沖系列的規(guī)律時(shí)通時(shí)斷的工作，另一個(gè)完全截止；而在另 半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)器件的工作情況正好相反。流經(jīng)負(fù)載 Z 的便是正、負(fù)交替的交變電流，如圖 213 所示。 V1V2Z 圖 2 13 單極性調(diào)制時(shí)的工作特點(diǎn) 雙極性 SPWM控制技術(shù) 雙極性調(diào)制技術(shù)與單極性相同，只是功率開關(guān)器件通斷情況不一樣。圖 214 繪出了三相雙極式的正弦脈寬調(diào)制波形。當(dāng) A相調(diào)制波 AU tU 時(shí)， 1V 導(dǎo)通， 2V 關(guān)斷，使負(fù)載上的相電壓為 AU =+U/2(假設(shè)交流電機(jī)定子繞組為星型聯(lián)接，其中性點(diǎn) 0與整流器輸出端濾波電容器的中點(diǎn) 0相連，那么當(dāng)逆變器任一相導(dǎo)通時(shí)在電機(jī)繞組上所獲得的相電壓為 U/2，見圖 214(b)；當(dāng) AU tU 時(shí)， 1V 關(guān)斷而， 2V 導(dǎo)通，則 AU =－ U/2。 )所以 A相電壓 AU 是以 +U/2 18 和 U/2 為幅值作正、負(fù)跳變的脈沖波形。同理，圖 214(c)的 BU 是由 3V 和 4V 交替導(dǎo)通得到的，圖 (d)的 CU 是由 5V 和 6V 交替導(dǎo)通得到的。由 AU 和 BU 相減，可得逆變器輸出線電壓波形 ABU 圖 214(e)。 ABU 的脈沖幅值為 +U和－ U。盡管相電壓是雙極性的，但是合成后的線電壓脈沖系列 與單極性相電壓合成的結(jié)果一樣都是單極性的。 圖 2 14 雙極性脈寬調(diào)制波的形成 綜上所述，雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn)：逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩個(gè)逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，而流過負(fù)載 Z的電流是按線電壓規(guī)律變化的交變電流，如圖 215 所示： 19 V1V2Z 圖 2 15 雙極性調(diào)制的工作特點(diǎn) SPWM 的調(diào)制方式 SPWM 波畢竟不是真正的正 弦波，它仍然含有高次諧波的成分，因此盡量采取措施減少它。圖 216是通過電動機(jī)繞組的 SPWM 電流波形。顯然，它僅僅是通過電動機(jī)繞組濾波后的近似正弦波。圖中給出了載波在不同頻率時(shí)的 SPWM 電流波形，可見載波頻率越高，諧波波幅越小， SPWM 波形越好。因此希望提高載波頻率來減小諧波。另外，高的載波頻率使變頻器和電機(jī)的噪聲進(jìn)入超聲范圍，超出人的聽覺范圍之外，產(chǎn)生“靜音”的效果。但是，提高載波的頻率要受逆變開關(guān)管的最高開關(guān)頻率限制，而且也形成對周圍電路的干擾源。 IItt00( a ) 調(diào) 制 頻 率 較 低 時(shí) 的 電 流 波 形( b ) 調(diào) 制 頻 率 較 高 時(shí) 的 電 流 波 形 圖 2 16 SPWM電流波形 20 SPWM 的調(diào)制方式有三種：同步調(diào)制、異步調(diào)制和優(yōu)化異步調(diào)制。在一個(gè)調(diào)制信號周期內(nèi)所包含的三角載波的個(gè)數(shù)稱為載波頻率比。在變頻過程中，即調(diào)制信號周期變化過程中，載波個(gè)數(shù)不變的調(diào)制稱為同步調(diào)制，載波個(gè)數(shù)相應(yīng)變化的調(diào)制稱為異步調(diào)制。 (1)同步調(diào)制 在改變正弦信號周期的同時(shí)成比例地改變載波周期，使載波周期與信號頻率的比值保持不變。對于三相系統(tǒng)，為了保證三相之間對稱，互差 120176。相位角，通常取載波頻率為 3的整數(shù)倍。而且，為了雙極性調(diào) 制時(shí)每相波形正負(fù)波形對稱，上述倍數(shù)必須是奇數(shù)，這樣在信號波 180176。處，載波的正負(fù)半周恰好分布在 180176。處的左右兩側(cè)。由于波形的左右對稱，這就不會出現(xiàn)偶次諧波問題。但是這種調(diào)制，在信號頻率較低時(shí)，載波的數(shù)量顯得稀疏，電流波形脈動大，諧波分量劇增，電動機(jī)的諧波損耗及脈動轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。而且，此時(shí)載波的邊頻帶靠近信號波，容易干擾基波頻域。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，必須在低頻時(shí)提高載波比，這就是異步調(diào)制方式。 (2)異步調(diào)制 異步調(diào)制方式是指在整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比都是變化的。一般在改變調(diào)制頻率時(shí)保持三角載波頻率不變，因此 提高了低頻時(shí)的載波比，在低頻工作時(shí)，逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)可以隨著輸出頻率的降低而增加，相應(yīng)的減小了負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與噪聲，改善了低頻時(shí)的工作特性。但是由于載波比隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，逆變器輸出電壓的波形其相位也會發(fā)生變化，很難保持三相輸出的對稱關(guān)系，因此會引起電動機(jī)的工作不穩(wěn)定。 （ 3）優(yōu)化的異步調(diào)制 為了克服同步調(diào)制和異步調(diào)制的缺點(diǎn)，可以將他們結(jié)合起來，組成分段優(yōu)化異步調(diào)制方式。優(yōu)化異步調(diào)制是指在一定的頻率范圍內(nèi)，采用同步調(diào)制，保持輸出波形對稱的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)頻率降低較多時(shí)，使載波比分段有級 的增加，這樣就利用了異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)方法是把逆變器整個(gè)變頻范圍劃分為若干個(gè)頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)都維持載波比恒定，對于不同頻段取不同的載波比，頻率較低載波比取大點(diǎn)，一般有經(jīng)驗(yàn)參數(shù)可取。 21 第三章 通用變頻器硬件電路的設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以 TI 公司的 TMS320LF2407A 為控制核心，由主電路、系統(tǒng)保護(hù)電路和控制電路組成，其總體設(shè)計(jì)圖如圖 31所示。 M限 流 啟 動 電 壓 檢 測泵 升 控 制過 壓 欠 壓保 護(hù)I P M 故 障保 護(hù)驅(qū) 動 電 路光 耦 隔 離頻 率 輸 入中 央 處 理 器D S PI O接口I O 接 口故障保護(hù)PWMI P MR 1C 1C 2R 2R 3R b2 2 0 V ~ 圖 3 1 通用變頻器總體電路圖 其中主電路部分由 整流電路、濾波電路、逆變電路 (IPM)和 IPM 驅(qū)動電路與吸收電路組成。其工作原理是把單相交流電壓通過不可控整流模塊變?yōu)橹绷麟妷?，整流后的脈動電壓再經(jīng)過大電容 C1， C2 平滑后成為穩(wěn)定的直流電壓。 IPM 逆變電路對該直流電壓進(jìn)行斬波，形成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電，提供給電機(jī)。 系統(tǒng)保護(hù)電路包括過壓、欠壓保護(hù)、限流啟動、 IPM 故障保護(hù)與泵升控制等。過壓、欠壓保護(hù)是利用電阻分壓采集母線電壓，與規(guī)定值相比較；限流啟動是由于開啟主回路時(shí)，大電容充電瞬間引起的電流過大，這樣可能會損壞整流橋，因此在主回路上串聯(lián)限流電阻 R1，當(dāng)電容電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，啟動繼電器把 R1 短路，主回路進(jìn)入正常工作狀態(tài)； IPM 故障保護(hù)是 IPM 內(nèi)部集成的各種保護(hù)功能，包括過電流保護(hù)功能、短路保護(hù)功能、控制電源欠電壓保護(hù)和管殼及管芯溫度過熱保護(hù)。把上述各種故障信號進(jìn)行綜合處理后形成總的故障信號送入 DSP(TMS320LF2407A)的 PDPINTA故障中斷入口，進(jìn)而封鎖 DSP的 PWM 波輸出。 控制電路包括 DSP最小系統(tǒng)電路、頻率輸入電路、光耦隔離電路等。最小系統(tǒng)由 22 DSP 本身和外擴(kuò)的數(shù)據(jù) SRAM、程序 SRAM、復(fù)位電路、晶振、譯碼電路、電源轉(zhuǎn)換電路和仿真接 口 JTAG 電路組成，仿真接口 JTAG 電路是為了實(shí)現(xiàn)在線仿真，同時(shí)在調(diào)試過程裝載數(shù)據(jù)代碼和程序代碼；頻率輸入電路可以設(shè)置系統(tǒng)要輸出的 SPWM 波的頻率；光耦隔離電路是為了把 DSP輸出的弱電信號和主電路的強(qiáng)電信號進(jìn)行可靠隔離。 通用變頻器主體電路設(shè)計(jì) 主電路原理圖如圖 32 所示，由整流電路、濾波電路、逆變電路 (IPM)和 IPM 的吸收電路組成。主電路采用典型的交－直－交電壓源型通用變頻器結(jié)構(gòu)，輸入功率級采用單相橋式不可控整流電路 RB1，整流輸出經(jīng)中間環(huán)節(jié)大電容 (由 C1到 C4電容組成 )濾波，獲得平滑的直流電壓。 逆變部分通過功率器件 IGBT 的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出交變的 1 2 3 4ABCD4321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eA4D a t e : 13 J un 20 08 S h e e t o f F il e : E : \畢業(yè)設(shè)計(jì) \最終論文 \ pr ot e l \主電路 ~ 1. D D B D r a w n B y:1234R B 1C1 C2D S 1L E DR2C3 C4 R3K2K1R4 R5R1C5A C 2 20 VQ1 D1 R6C3Q3 D3 R7C7Q5 D5 R8C8Q4D4R9C9Q6D6R 10C 10Q2D1R 11C 11UVW 圖 3 2 主體電路原理圖 脈沖電壓序列。由于功率器件開關(guān)頻率過高，會產(chǎn)生電壓尖脈沖，因此需要吸收電路來消除該尖峰。圖中 C5 為 C 型吸收電路， R6到 R11 和 C6 到 C11 組成 RC型吸收電路。發(fā)光二極管 DS1用來顯示濾波電容兩端的電量。 下面詳細(xì)介紹各個(gè)部分電路及元件參數(shù)。 (被控電動機(jī)參數(shù)為：△聯(lián)接，額定功率為NP =60W，額定電壓 NU =220V，額定電流 NI =，額定頻率 Nf =50Hz，額定轉(zhuǎn)速Nn =1400r/min。 ) 23 整流電路的設(shè)計(jì) 整流電路由 4個(gè)整流二極管組成單相不可控整流橋，它們將電源的單相交流全波整流成直流。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。小功率的，輸入電源多用220V，整流電路為單相全波整流橋；大功率的，一般用三相 380V 電源， 整流電路為三相橋式全波整流電路。本設(shè)計(jì)采用的是單相整流橋。 整流二極管的計(jì)算，通過二極管的峰值電流： 2 2 2 2 0. 28 0. 79MNI I A? ? ? ? （ 31） 流過二極管電流的有效值： 180011( ) 0 . 5 6360 2D m mI I d t I A?? ? ?? （ 32） 二極管電流額定值： ( 2 ~ 3 ) ~ I A?? （ 33） 考慮濾波電容的充電電流影響，要有更大的電流裕量，選用 nI =10A。整流二級管的電壓額定值： ( 2 ~ 3 ) ( 2 ~ 3 ) 2 2 2 0 6 2 2 ~ 9 3 3nmU U V? ? ? ? ? （ 34） 選用 1000nUV? 。根據(jù)以上計(jì)算的電壓和電流以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用問題，實(shí)際選用的單相整流橋位 10A ， 1000V 。 濾波電路的設(shè)計(jì) 在整流電路中輸出電壓是脈動的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動電流和負(fù)載變化也使得直流電壓