【正文】 M 限流起動(dòng) 電壓檢測(cè) IPM 故障保護(hù) 泵升控制 過欠壓保護(hù) 驅(qū)動(dòng)電路 光電耦合 頻率輸入 中央處理器 故障保護(hù) PWM IO 接口 IO接口 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 43 頁 18 其中主電路部分由整流電路、濾波電路、逆變電路 (和 IPM 驅(qū)動(dòng)電路與吸收電路組成。 （ 2）分段同步調(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，組成分段同步調(diào)制方式。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)，逆基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 43 頁 16 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。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。但是這種調(diào)制，在信號(hào)頻率較低時(shí)，載波的數(shù)量顯得稀疏，電流波形脈動(dòng)大，諧波分量劇增，電動(dòng)機(jī)的諧波損耗及脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。而且，為了雙極性調(diào)制時(shí)每相波形正負(fù)波形對(duì)稱，上述倍數(shù)必須是奇數(shù)，這樣在信號(hào)波 0180 處，載波的正負(fù)半周恰好分布在 0180 處的左右兩側(cè)。 （ l)同步調(diào)制 在改變正弦信號(hào)周期的同時(shí)成比例地改變載波周期，使載波周期與信號(hào)頻率的比值保持不變。在一個(gè)調(diào)制信號(hào)周期內(nèi)所包含的三角載波的個(gè)數(shù)稱為載波頻率比。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(duì)周圍電路的干擾源。因此希望提高載波頻率來減小諧波。顯然，它僅僅是通過電動(dòng)機(jī)繞組濾波后的近似正弦波。 V1 Z V2 圖 211雙極性調(diào)制工作特點(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。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。由 AU 和 BU 相減，可得逆變器輸出的線電壓波形 ABU 。當(dāng) A 相調(diào)制波 Au tu 時(shí)， V1 導(dǎo)通， V2 關(guān)斷，使負(fù)載上的相電壓為 UA=+U/z(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,當(dāng)， V1 關(guān)斷而 V2 導(dǎo)通，則 UA=U/2 )所以 A 相電壓 AU 是以 +U/2 和 U/2 為幅值作正、負(fù)跳變的脈沖波形。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 43 頁 14 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。而在另半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)器件的工作情況正好相反。負(fù)半周用同樣的方法調(diào)制后再倒相而成。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。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。用一組等腰三角形波與一個(gè)正弦波進(jìn)行比較，如圖 28 所示，其相交的時(shí)刻 (即交點(diǎn) )來作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時(shí)刻。 SPWM 波形如圖 27所示。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。 把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得圖 26 所示的交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁動(dòng)勢(shì)必然減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩 T減小。由式 (28)可知，這將迫使磁通隨頻率升高而降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。低頻時(shí)， IU 和 IE 都較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著，不能再忽略。如果電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速 n 下都具有額定電流，則電機(jī) 都能在溫升允許條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩 T 基本上隨磁通變化，由于在基頻以下調(diào)速時(shí)磁通恒定，所以轉(zhuǎn)矩 T 也恒定。這是恒壓頻比的控基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 43 頁 10 制方式。 (1)基頻以下調(diào)速 由式 (28)可知，要保持中 M? 不變，當(dāng)頻率關(guān)從額定值 If 向下調(diào)節(jié)時(shí)，必同時(shí)降低 IE 使?1fE 常數(shù)，即采用電動(dòng)勢(shì)與頻率之比恒定的控制方式。 由上式可見，如果定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值 IE 不變，改變定子頻率時(shí)會(huì)出現(xiàn)下面兩種情況 :如果 If 大于電機(jī)的額定頻率廠 If N，那么氣隙磁通量中、就會(huì)小于額定氣隙磁通量中、。 IN — 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù) 。 IK — 與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) 。 變頻調(diào)速系統(tǒng)的 fU 控制方式 電機(jī)定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁力線的結(jié)果，本質(zhì)上是定子繞組的自感電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于低負(fù)載運(yùn)行時(shí)間較多或起停運(yùn)行較頻繁的場(chǎng)合， 缺點(diǎn) : 技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。應(yīng)用范圍廣，可用于籠型交流電動(dòng)機(jī)。 :成比例變化，損耗基本沒有增加，是一種高效的調(diào)速方法。 (3)變頻調(diào)速 :變頻調(diào)速是通過改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，來實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法即調(diào)節(jié) s? 來調(diào)速。因此，當(dāng) s 增大時(shí)，電動(dòng)機(jī)的損耗也將會(huì)增大。 ω — 電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度。 (2)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 :變轉(zhuǎn)差率調(diào)速實(shí)現(xiàn)方法眾多，例如調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速和滑差離合器調(diào)速等方法。 3 接線簡(jiǎn)單、控制方便，易維修、價(jià)格低。 優(yōu)點(diǎn) : 1 具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好。 (1)變極調(diào)速 :變極調(diào)速一般是通過改變定子繞組的接線方式來改變電動(dòng)機(jī)的定子繞組極對(duì)數(shù)，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 其二是調(diào)節(jié)供電電源頻率 1f ，稱為變頻調(diào)速 。二者相差的程度用轉(zhuǎn)差率 s 來表示 : 00n nns ?? (25) 一般交流電動(dòng)機(jī)在額定負(fù) 載時(shí)的轉(zhuǎn)差率約為 1%9%。若每相繞組有兩個(gè)線圈串聯(lián)，繞組的始端相差 600空間角，則產(chǎn)生兩對(duì)極，即 p=2。如果將聯(lián)接三相電源的三相繞組端子中的任意兩相對(duì)調(diào)，就可改變轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。由電磁力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 43 頁 7 而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生電磁力 F 施加于導(dǎo)體上。 三相電流共同產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)將隨著電流的交變而在空間不斷地旋 轉(zhuǎn)，即形成所謂的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)， i iu iv iw 0 1800 3600 t? 圖 22三相電流波形 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，便在其中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)和電流，如圖 23 所示。 三相交流電機(jī)的工作原理 交流電動(dòng)機(jī)是利用載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁力的原理制成的。三相繞組接成星形，末端接在一起，首端分別接在轉(zhuǎn)軸上三個(gè)彼此絕緣的銅制滑環(huán)上。用鑄鋁轉(zhuǎn)子可節(jié)省銅材，簡(jiǎn)化了制造工藝，降低了電機(jī)的成本。 (a)鼠籠式 鼠籠式轉(zhuǎn)子是在轉(zhuǎn)子飲心的槽內(nèi)壓進(jìn)銅條，銅條 的兩端分別焊接在兩個(gè)銅環(huán)基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 43 頁 6 上，因其形狀如同鼠籠，故得名。轉(zhuǎn)子鐵心是一個(gè)圓柱體，也由硅鋼片疊壓而成，其外圓周表面沖有槽孔，以便嵌置轉(zhuǎn)子繞組。定子繞組是定子中的電路部分，中，小型電動(dòng)機(jī)一般采用漆包線繞制卜其三相對(duì)稱繞組共有六個(gè)出線端，每相繞組的首端和末端分別用 D1,D2,D3 和 D4,D5,D6 標(biāo)記，可以根據(jù)電源電壓和電動(dòng)機(jī)的額定于電壓把三相繞組接成星形或三角形，參見圖 21。變頻調(diào)速系統(tǒng)控制軟件的研究和設(shè)計(jì)。 具體研究工作包括 :交流電機(jī)變頻調(diào)速原理的研究 。 4)產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。 2)變頻器產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。在中小功率變頻技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者作了大量的變 頻理論的基礎(chǔ)研究，早在二十世紀(jì) 80 年代，已成功引入矢量控制的理論，針對(duì)交流電機(jī)具有多變量、強(qiáng)耦合 、非線性的特點(diǎn)，采用了線性解 耦合 非線性解 耦合 的方法，探討交流電機(jī)變頻調(diào)速的控制策略。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 43 頁 4 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 從總體上看我國(guó)電氣傳動(dòng)的技術(shù)水平較國(guó)際先進(jìn)水平差距 10 一 15 年。矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等 新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎(chǔ)， 16 位、 32 位高速微處理器以及數(shù)字信號(hào)處理器 (DPS)和專用集成電路 (ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)變頻器高精度、多功能提供了硬件手段。近年來高電壓、大電流的 SCR， GTO， IGBT， IGCT 等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高和能源的全球性短缺，變頻器越來越廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個(gè)行業(yè)以及風(fēng)機(jī)、水泵等的節(jié)能場(chǎng)合，已取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)方面，日本富士 BTJ 變頻器最大單機(jī)容量可達(dá) 7OkVA，IGBT 變頻器已形 成系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。在大功率無換向器電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)方面，意大利 ABB 公司提供了單機(jī)容量為 6 萬的設(shè)備用于抽水蓄能電站。從電力電子器件的發(fā)展歷程，我們可以看出電力電子器件正在向高耐壓、大電流、小的正向內(nèi)阻、智能化的電壓控制型器件發(fā)展 。同時(shí)由于電壓控制型器件的應(yīng)用，使功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路大大簡(jiǎn)化，例如 IGBT 器件的門極驅(qū)動(dòng)電路比雙極型晶體管的基極驅(qū) 動(dòng)電路所用的元器件要小得多，而且，所需要的驅(qū)動(dòng)功率也比雙極型晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電路的要少很多，從而使將驅(qū)動(dòng)電路和功率開關(guān)管集成在同一芯片或模塊中成為可能，并且經(jīng)過了近些年來的發(fā)展，功率電基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 43 頁 3 子器件制造公司以推出了多種有智能特性的復(fù)合器件或模塊，例如 SMARTFET 和護(hù)M，它們內(nèi)部不僅集成了各種自保護(hù)功能，也將控制芯片集成在里面。以 MOSFET 為基礎(chǔ)的復(fù)合型器件 IGBT、 EIGT、 MER(固態(tài)繼電器 )、 FETKEY(MOSFET+SCHOTTKY)等器件耐壓不斷增加，電流逐漸增大。其中場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為一種電壓控制型多子器件，具有快速、安全工作區(qū)大、容易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，因此，近些年來復(fù)合型器件被廣泛應(yīng)用在高頻開關(guān)和電機(jī)控制中，并隨著生產(chǎn)工藝和制造技術(shù)的 發(fā)展，性能不斷被改進(jìn)。復(fù)合器件有 IGBT， MCT， MGT， sITH 等 。例如，單極型器件有功率 。目前雙 PWM控制技術(shù)的研究非?；钴S，即由 PWM 整流器和 PWM 逆變器組成的雙 PWM 變頻器無須任何附加電路就可使電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波，使系統(tǒng)的功率因數(shù)約為 1，徹底消除網(wǎng)側(cè)的諧波污染，并實(shí)現(xiàn)了四象限運(yùn)行。而采用智能控制中的模糊控制，可以通過定子磁鏈的空間位置，由一系列偏差的正大，正 小等模糊語言，根據(jù)模糊規(guī)則推出逆變器的開關(guān)模式，使系統(tǒng)性能改善。由于磁鏈的軌跡是靠空間矢量的選擇來實(shí)現(xiàn)，因此又稱電壓空間矢量法。該逆變器硬件簡(jiǎn)單，電流控制響應(yīng)快，兼有電壓和電流控制型逆變器的優(yōu)點(diǎn)，普遍用于 PMSM 伺服系統(tǒng)和異步電動(dòng)機(jī)矢量變換控制系統(tǒng)。 PWM技術(shù)的發(fā)展 PWM 控制是變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心 [1]，任何控法幾乎都是以各種 PWM控制方式實(shí)現(xiàn)。國(guó)外該類電梯專用變頻裝置有十分完善的軟件支持，可接受任意位置傳感器的反饋信號(hào)，具有自學(xué)習(xí)功能，自動(dòng)識(shí)別電動(dòng)機(jī)參數(shù)，在實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向伺服時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行初始定位，具有和直流電動(dòng)機(jī)一樣優(yōu)良的線性轉(zhuǎn)矩控制特性。 1．永磁同步電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的發(fā)展具有快速電流跟蹤系統(tǒng)的變頻裝置、DSP 信號(hào)處理器以及高性能釹鐵硼永磁材料的發(fā)展，為各類永磁同步電動(dòng)機(jī)及 其控制系統(tǒng)的發(fā)展帶來生機(jī)。但是，我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)研究雖然非?；钴S，然而產(chǎn)業(yè)化仍很不理想，外國(guó)產(chǎn)品幾乎占據(jù)了我國(guó)變頻調(diào)速技術(shù)市場(chǎng)的 60%。我國(guó) 電機(jī) 總裝機(jī)容量已達(dá)