【文章內(nèi)容簡介】 器）與工作在線性狀態(tài)的放大器不同，它具有時滯、諧波與死區(qū)、飽和等非線性特性，使功率電路產(chǎn)生諧 波，以及使放大器系統(tǒng)的模型復(fù)雜化。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可控關(guān)斷的即自關(guān)斷電力電子器件，即全控式器件。如大功率晶體管 (GTR)、電力場效應(yīng)晶體管 (power MOSFET),可關(guān)斷晶閘管 (GTO) , MOS 控制晶閘管 (MCT)、絕緣柵門極控制晶體管 (IGBT)等自關(guān)斷器件，采用全控型開關(guān)器件很容易實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制，與半控型開關(guān)器件晶閘管變流器相比，體積可縮小百分之三十以上，裝置效率高，功率因數(shù)高。同時由于開關(guān)頻率的提高，直流脈沖寬度調(diào)制 (PWMM)調(diào)速控制系統(tǒng)與 VM 調(diào)速控制系統(tǒng)相比，電流容易 連續(xù)，諧波少，電機損耗和發(fā)熱都較小，低速性能好，穩(wěn)精度高，系統(tǒng)通頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強。直流無刷電動機是以電西京學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 子換向線路和轉(zhuǎn)子位置檢測器代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電動機的機械換向裝置而組成的新型電機。下面簡要介紹一下 PWM 控制技術(shù)的原理。 脈沖寬度調(diào)制 (Pulse Width Modulation)簡稱 PWM，它是通過功率管開關(guān)作用將恒定直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率一定，寬度可調(diào)的方波脈沖電壓，通過調(diào)節(jié)脈沖電壓的寬度，改變輸出電壓的平均值的一種功率變換技術(shù)。 PWM 極數(shù)可以激起有效的進行諧波抑制，在頻率、效率方面有著明 顯的優(yōu)點，使逆變電路的性能與可靠性得到了明顯的提高。采用 PWM 方式構(gòu)成的逆變器，器輸入法是為固定不變的直流電壓，可以通過 PWM 極數(shù)在同一逆變器中既實現(xiàn)調(diào)壓又實現(xiàn)調(diào)頻。由于這種逆變器，只有一個可控的功率級，簡化了主電路和控制回路的結(jié)構(gòu)，因而體積小、重量輕、可靠性高。又因為集調(diào)壓、調(diào)頻于一身，所以調(diào)節(jié)速度快、系統(tǒng)的動態(tài)相應(yīng)好。此外， PWM 技術(shù)還提高了逆變器對交流電網(wǎng)的功率因數(shù)。 采樣控制理論中的一個重要結(jié)論 ： 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時 ， 其效果基本相同 ，如圖 。這是所有 PWM 技術(shù)的最 根本的理論基礎(chǔ)。 圖 沖量等效原理圖 PWM 調(diào)制原理如圖 所示。把每半個周期內(nèi)，輸出電壓的波形分割成若干個脈沖，每個脈沖的寬度為 t1， 每兩個脈沖間的間隔寬度為 t2，則脈沖的占空比為 ? 112ttt?? ? () 西京學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 PWM 調(diào)制原理 此時，電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率是，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，也同樣可以實現(xiàn)變頻變壓 的效果， 所以通過調(diào)節(jié)占空比 ,可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的 ,而且輸出電壓可以無級連續(xù)調(diào)節(jié) 。 下面介紹兩種最常用的 PWM 控制技術(shù) ① 等脈寬 PWM 法 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用 PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來實現(xiàn)的 ,其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓 .等脈寬 PWM 法正是為了克服 PAM 法的這個缺點發(fā)展而來的 ， 是 PWM 法中最為簡單的一種 。 它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM 波 ， 通過改變 脈沖列的周期可以調(diào)頻 ,改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓 ，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化 。 相對于 PAM 法 ， 該方法的優(yōu)點是簡化了電路結(jié)構(gòu) ， 提高了輸入端的功率因數(shù) ， 但同時也存在輸出電壓中除基波外 ， 還包含較大的諧波分量 。 ② SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的 ，是 目前使用較廣泛的 PWM法 。如果將一個正弦波半個周期劃分 N 等份，每一份的正弦波形下的面積可用一個與該面積近似相等的矩形來代替，于是正弦波所包圍的面積可以用著 N 個等幅不等寬的矩形脈沖面積之和來等效。在工程應(yīng)用中感興趣的是基 波分量，假定矩形脈沖的幅值 Vd 恒定，半周期內(nèi)的脈沖數(shù) N 也不變，通過理論分析可知，其基波的幅值 V1m 與脈寬 δ i 有線性關(guān)系，如下式 1 14 2 1[ s in ( ) ]2 2 2Nmd i iiVV ??? ? ?? ? ?? () 上式說明，逆變器輸出基波電壓幅值隨調(diào)制脈沖的寬度而變化，只要采取措施，西京學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 利用控制信號去調(diào)節(jié)脈寬，即可調(diào)節(jié)基波幅值。半周期內(nèi)的脈沖數(shù) N 越多，諧波抑制效果越明顯。 在進行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按正弦波規(guī)律來安排。當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔較小。反之，當正弦波值較小時，脈沖的寬度 也最小而脈沖間的間隔則較大。這就是 SPWM 控制法。 在一般的直流電動機中，電樞繞組元件有某一支路進入另一支路式，元件中的電流和電動勢都要改變方向。繞組元件中電動勢方向的改變，是由繞組元件的元件邊在電樞旋轉(zhuǎn)過程中，輪流切割定子的 N 極和 S極磁通直接產(chǎn)生，而繞組而繞組元件中電流方向的改變，是由換向器和電刷所組成的機械整流器（裝置）來完成。 為消除一般直流電動機所存在的一些弊病，人們研發(fā)出的以電子換相代替機械換向的直流無刷電動機，實質(zhì)上是一個由電動機本體、功率開關(guān)主電路及轉(zhuǎn)子磁極位置 傳感器等三部分組成的閉環(huán)系統(tǒng)。這里且稱為永磁同步電機的基本系統(tǒng)。把基本系統(tǒng)中的功率開關(guān)電路、轉(zhuǎn)子磁極位置傳感器及相關(guān)的電子電路合并在一起稱為電機換向器。其主要功能是確保直流無刷電動機在運行過程中，定子、轉(zhuǎn)子兩磁場始終基本上保持正交，以提高運行效能。 由于位置傳感器、功率開關(guān)在前面一節(jié)已經(jīng)講述，故這里只涉及到永磁同步電機定子繞組通定子換相器之間的各種連接方法和特點，由于大多數(shù)永磁同步電動機的定子繞組為三相繞組，故以三相繞組作為重點講述。 三相半控電路 常見的三相半橋式驅(qū)動電路如圖 所示。圖中， LA、 LB、 LC 分別是電機定子 A、 B、 C三相繞組， T T T3為功率器件，分別于電機三相繞組相連。來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號 Ha、 Hb、 Hc經(jīng)放大后啟動功率器件進而控制電機換相。在換相過程中，定子各相繞組在氣隙中所形成的旋轉(zhuǎn)磁場是跳躍的，在一個周期內(nèi)每相通電 120176。電角度。由此可見，采用三相半橋式驅(qū)動方式的永磁同步電機控制系統(tǒng)驅(qū)動元件少、成本較低、控制簡單，但是其轉(zhuǎn)矩波動較大、電機繞組利西京學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 用率低， 每個繞組只通電 1/3 周期時間，在運行過程中其轉(zhuǎn)矩的波動較大， Tm/2到 Tm 而且直流無刷電動機的電源線需要引出中性線 ，而且反轉(zhuǎn)控制相對困難。因此這種驅(qū)動在實際應(yīng)用中較少采用。 圖 三相半橋式驅(qū)動電路 三相全控電路 圖 全控橋電路圖 圖 給出了一種全控橋電路，電動機繞組為 Y 聯(lián)接。功率器件為 6 只MOSFET 管，起繞組開關(guān)之用。他們的導通方式又可分為兩兩導通和三三導通兩種方式。 (1)兩兩通電方式是指每一瞬間又兩只功率器件導通，每隔 1/6 周期換相一次，每次換相一個功率管，每次有一個功率器件換相，每個功率管導通 120176。電角度。功率管 T1和 T2 導通時，電流從 T1 管流 入 A相繞組，再從 C相繞組流出經(jīng) T2 回到電源。如設(shè)流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，則從繞組流出的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負，它們的合成轉(zhuǎn)矩，其大小為 aT3 。當電動機轉(zhuǎn)過 60176。電角度后，由 T1T2通電換成 T2T3 通電，這時電流從 T3流入 B相繞組再從 C 相繞西京學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 組流出，經(jīng) T2 回到電源，此時合成的轉(zhuǎn)矩，其大小同樣為 aT3 ，但合成轉(zhuǎn)矩 bcT的方向轉(zhuǎn)過了 60176。電角度。而后每次換相一個功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過 60176。電角度，但大小始終保持 aT3 不變。 所以，同樣一臺永磁同步電動機，每相繞組通過與三相半控電路同樣的電流時，采用三相 Y 連接全控電路，在兩兩換向的情況下，其合成轉(zhuǎn)矩增加了 aT3倍。每隔 60176。電角度換向一次 ，每個功率管通電 120176。，每個繞組通電 240176。，其中正相通電和反向通電各 120176。采用三相全控電路時的轉(zhuǎn)矩波動比用三相半控時小得多，僅從 0. 87Tm 到 Tm。 (2)三三通電是指每一瞬間均有三只功率管同時導通，每隔 60176。換向一次，每個功率管通電 180176。它們的導通次序是 T1T2T3, T2T3T4, T3T4T5, T4T5T6, T6T1T2, TIT2T3。當 T6T1T2 導通時，電流從 T1 管流入 A相繞組，經(jīng) B相和 C相繞組 (這時 B和 C兩相繞組為并聯(lián) )分別從 T6和 T2 流出。這時流過 B相和 C相繞組的電流分別為 流過 A 相繞組的一半，其合成轉(zhuǎn)矩大小為 。經(jīng)過 60176。電角度后，換向到 T1T2T3 通電，即先關(guān)斷 T6 而后導通 T3(注意，一定要先關(guān) T6而后通 T3，否則就會出現(xiàn) T6 和 T3 同時通電，則電源被 T3 和 T6 短路，這是絕對不允許的 )。這時電流分別從 T1 和 T3 流入，經(jīng) A相和 B 相繞組 (相當于 A 相和 B相并聯(lián) )再流入 C相繞組，經(jīng) T2流出。其方向與 C 相同，轉(zhuǎn)過了 60176。，大小仍然是 Ta。再經(jīng)過 60176。電角度后，換向到 T1T2T3 通電，而后依此類推。在這種通電方式里，每瞬間均有三個功率管通電。每隔 60176。換向一次，每次有一個 功率管換向，每個功率管通電 180176。 以兩極三相永磁同步電動機為例來說明數(shù)學模型的建立過程。電機定子繞組為 Y 接集中整距繞組，轉(zhuǎn)子采用隱極內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)， 3 個霍爾元件在空間相隔 120176。對稱放置。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，另作如下假設(shè)以簡化分析過程： (1) 忽略電機鐵心飽和，不計渦流損耗和磁滯損耗； (2) 不計電樞反應(yīng)，氣息磁場分布近似認為是平頂寬度為 120176。電角度的梯形波； (3) 忽略齒槽效應(yīng)，電樞導體連續(xù)均勻分布于電樞表面； (4) 驅(qū)動系統(tǒng)逆變電路的功率器件和續(xù)流二極管均具有理想的開關(guān)特性。 西京學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 可得三相繞組電壓平衡 方程為： 0 0 M 0 0 M M0 0 M M a a a ab b b bc c c cu i i er L Mu r i L p i erLu i i e? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? () 式中： ua ub uc 定子繞組相電壓 (V) ia ib ic 定子繞組相電流 (A) ea eb ec 定子繞組相電動勢 (V) p — 微分算子 p=ddt L — 每相繞組的自感 (H) M — 每兩相繞組的互感 (H) 由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子的位置變化而變化，因此，定子繞組的自感和互感為常數(shù)當三相繞組為 Y 連接，并且沒有中線時，則有： ia+ib+ic=0 Mib+Mic=Mia 將式式代入式可得電壓方程為： ??????????????????????????????????????????????????????????????????cbacbacbacbacbaeeeiiipMLMLMLiiiRRRuuu000000000000 () 電磁轉(zhuǎn)矩為： ? ?ccbbaad ieieieT ???? 1 ( ) 式中：Ω 電機的角速度 (rad/s) 在通電期間，永磁同步電動機的帶電導體處于相同的磁場下，各相繞組的 感應(yīng)電動勢為： 30mmmpNEn?? () 式中 ： pm — 極對數(shù) 西京學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 n — 電動機轉(zhuǎn)速 從變頻器的直流端看， Y 型聯(lián)結(jié)的永磁同步電動機的感應(yīng)電動勢 E。由兩相繞組經(jīng)逆變器串聯(lián)組成，所以有 2 15md m mpNE E n? ? ? () 因此，電磁轉(zhuǎn)矩表達式可化