【正文】 濾波電容理論上講越大越好，實(shí)際中考慮價(jià)格我們選擇 4個(gè) 450 伏 330 F? 的電解電容，分別兩個(gè)并聯(lián)后再 2個(gè)串聯(lián)，最后等效為一個(gè)耐壓 900 伏 330 F? 的電容。 在沒有加入濾波 電容時(shí)，單相整流橋輸出平均直流電壓為： 3 2 3 2 2 2 0 2 9 7DNU U V??? ? ? ? （ 35） 加上濾波電容后， NU 的最高電壓可達(dá)交流線電壓的峰值： 24 2 2 22 0 31 1D m NU U V? ? ? ? （ 36） 假設(shè)輸入電壓的波動范圍為 200 V ~240 V ，當(dāng)輸入電壓對應(yīng) 240 V 的輸入，整流后的電壓為 324 V 。濾波電容除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器之間起去禍作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負(fù)載的電動機(jī)提供必要的無功功率。 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產(chǎn) 生脈動，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個(gè)低通濾波電路。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? 。本設(shè)計(jì)采用的是單相整流橋。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。 (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。發(fā)光二極管 DS1用來顯示濾波電容兩端的電量。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。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。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。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。 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。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。 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。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)。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。 (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。而且，此時(shí)載波的邊頻帶靠近信號波，容易干擾基波頻域。由于波形的左右對稱，這就不會出現(xiàn)偶次諧波問題。處，載波的正負(fù)半周恰好分布在 180176。相位角，通常取載波頻率為 3的整數(shù)倍。 (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。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。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。因此希望提高載波頻率來減小諧波。顯然，它僅僅是通過電動機(jī)繞組濾波后的近似正弦波。 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。 ABU 的脈沖幅值為 +U和－ U。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。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。 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。 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。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。 + 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。 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。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。 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。 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。 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。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。所以又稱其為中間直流儲能環(huán)節(jié)。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。 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。 15 逆變器：負(fù)載側(cè)的變流器為逆變器。這種結(jié)構(gòu)主要包括整流環(huán)節(jié)，中間環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)，如圖 29 所示。 通用變頻器的基本結(jié)構(gòu) 通用變頻器裝置主要由主電路和控制電路兩部分組成，其主電路主要分為兩種，一種是交 交結(jié)構(gòu)（直接變頻），另一種是交 直 交結(jié)構(gòu)形式（間接變頻）。 當(dāng) 11NUU? 時(shí)，磁通為 1111 1 1 1 1 1 1 1 1 11()4 . 4 4 4 . 4 4 4 . 4 4 N eUEU Kf N K f N K f N K f? ? ? ? ? （ 225） 式中， 1Ne UK NK? ，為一常 數(shù) 22NII??? 時(shí)， s 較小 2 20r Xs? ??? ，故可近似認(rèn)為： 14 222220c o s 1( ) ( )rsr Xs????? ??=C （ 226） 將式（ 225）、（ 226）代入式（ 224）可近似得： 11()e i eT K K Kff?? （ 227） 式中 iK KK? 為一常數(shù)。 13 f4f3f 2f1n0Tf1 f2 f3 f4恒 P 圖 2 8 恒電壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性 因?yàn)殡姶?功率 1eeP Tw? ，其中 22cosemT K I ???? （ 222） 1 2 pfw n?? （ 223） 式中， mK 為異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)確定的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 2cos? 為異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子功率因數(shù)； 2I?為折算到定 子側(cè)的轉(zhuǎn)子相電流。 因?yàn)?1f 較高，所以 1 1 20r X X ??? ? ，忽略 1r 可得： ? ?2211 211 1 20 1 1 233 14 ( ) 4 ( 2 )p N p Nm n U n UT ff X X f f L L? ??? ? ?? ?? ? （ 220） ? ?22 11 20 1 1 2 12m rrs fXX f L L???? ? ?? ?? ? （ 221） 可見電源頻率 1f 越高， mT 越小， ms 也減小。經(jīng)補(bǔ)償后，1 1U Cf ? （恒磁通），獲得恒定最大轉(zhuǎn)矩 mT 的變頻調(diào)速的一族接卸特性曲線，如圖（ 27）。要滿足磁通不變必須滿足 11U Cf ? 。故低頻啟動時(shí)，啟動轉(zhuǎn)矩也將減小，甚至不能帶動負(fù)載。()mm ppr r f f rn s n nr n n rr X X??? ? ? ? ? ???? （ 217） 從式（ 217）可看出：在頻率較低時(shí)，轉(zhuǎn)速將隨頻率降低而降低，但機(jī)械特性直線段的頻率不變，因此此時(shí) mmn CT? ? 。 當(dāng)頻率較低時(shí)， 1 1 20r X X ??? ，在式（ 212）的分母中忽略 1 20()XX?? 項(xiàng)，則 11 21 11138 pmn UTfrf? ??? ???? （ 216） 若保持 11U Cf ? ， mT 隨頻率 1f 的降低而減小，從圖（ 26）能明顯看到這點(diǎn)。 電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降為： ? ? ? ?2 2 1 21122 1 1 2 0 1 2 01 1 2 0 60 6022()mm p pr r f rn s n n nf L L n L Lr X X ??? ? ?? ? ? ? ? ???? ???? （ 215） 由式（ 215）可看出，轉(zhuǎn)速降與頻率無關(guān)。在頻率較高時(shí)， 1 20 1X X r???，于是式（ 211）可寫成： ? ?2 21 122 11 1 2038 pm nU UT ff L L? ???? ?????? （ 214） 式中 1L 、 20L? 為定子和轉(zhuǎn)子的漏電感。 1X 為定子每相電阻、漏電抗； 2r? 、 20X? 為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻、電動機(jī)靜止時(shí)折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏電抗。將以上兩種情況結(jié)合得到（圖 25）可以看出，基頻以下屬于恒磁通控制，基頻以上屬于恒電壓控制。為了使 ? 保持恒定，必須在頻率 1f變化的同時(shí)改變電源電壓 1U ，并使它們遵循的規(guī)律是： 11EUff??常數(shù) （ 29） 這種壓頻比為常數(shù)的控制方式稱為橫磁通控制方式，一般在額定的頻率 1Nf 以下，即 1f小于 1Nf 情況下采用。 當(dāng) 1f 小于 1Nf 時(shí)， ? 就大于額定值。但是，對于異步電動機(jī)來說，若電源頻率很容易改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 。 異步電動機(jī)變頻變壓調(diào)速的原理（ U/F=C 控制方式） 由式（ 26）可以看出交流電源頻率 1f 的變化，電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速隨之成正比變化。 對于低負(fù)載運(yùn)行時(shí)間較多或起停運(yùn)行較頻繁的場合，可以達(dá)到節(jié)電和保護(hù)電動機(jī)的目的。 應(yīng)用范圍廣，可用于籠型交流電動機(jī)。轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)， s 基本不變，交流電動機(jī)的輸出功率 ZP =Mω =Mω s(1s)與輸入電磁功率 MSPM?? 成比例變化，損耗基本沒有增加，是一種高效的調(diào)速方法。二者相差的程度用轉(zhuǎn)差率 s 來表示： 00n nns ?? （ 25） 交流電機(jī)的調(diào)速方式 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理知識，可以得到