【正文】 來的產(chǎn)品，正弦形 PWM（ SPWM）調(diào)制方法已逐步為以下方式取代：快速電流跟蹤 PWM 技術(shù)快速電流跟蹤型 PWM 逆變器為電流控制型的電壓源逆變器，一般采用滯環(huán)電流控制，使三相電流快速跟蹤指令電流。磁鏈跟蹤控制 PWM 技術(shù)這種方法把逆變器和電動機視為一體，以三相對稱正弦波電壓 供電 時交流電動機理想的圓形磁場為基準，用逆變器不同開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁鏈矢基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 2 頁 共 43 頁 2 量來跟蹤基準磁鏈園，由跟蹤結(jié)果決定逆變器的開關(guān)模式，形成 PWM 波。直接轉(zhuǎn)矩的智能控制 PWM 技術(shù)常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩 PWM 技術(shù)無法區(qū)別轉(zhuǎn)矩、磁鏈的非常大的偏差和相對小的偏差，這將造成 電機 啟動期間系統(tǒng)的停滯。雙 PWM 控制技術(shù)交一直一交電壓型逆變器是目前最廣泛使用的型式，但常對電網(wǎng)構(gòu)成諧波污染。 電力電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)況和趨勢 自從 1956 年第一只晶閘管的問世，電力電子技術(shù)作為電子技術(shù)的一個分支建立以來，電力電子技術(shù)已取得了令人注目的發(fā)展，早期的 半控型電力電子器件 SCR已逐漸被全控型半導體器件所代替，并發(fā)展出了多種高電壓、大電流、快速 (高頻 )、驅(qū)動簡單、復合化和智能化的功率半導體開關(guān)器件。雙極型全控器件有 [3]:GTR、達林頓管、 GTO 等 。近幾年發(fā)展的智能型功率器件 IPM， SMARTFET， TOPSwctih 等。例如 MOSFET 的通態(tài)內(nèi)阻不斷減小，新的MOSFET 通態(tài)內(nèi)阻不僅比 PN結(jié)的正向好，甚至比肖特基二極管的正向內(nèi)阻還小，己成為最佳的整流器件之一 。如目前 IGBT 耐壓已達到 450V 以上， EIGT 已有 4500v/1000A 的產(chǎn)品。其中 SMARTFET是采用了微電子工藝集成的器件， IPM 是一種智能功率模塊。 國內(nèi)外交流調(diào)速現(xiàn)狀 國外現(xiàn)狀 在大功率交一交變頻調(diào)速技術(shù)方面，法國阿爾斯通己能提供單機容量達 3 萬的電氣傳動設備用于船舶推進系統(tǒng)。在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國西門子公司 simovertA 電流型晶閘管變頻調(diào)速設備單機容量為 10 一 2600kVA，其控制系統(tǒng)己實現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機車、風機、水泵傳動。 國外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展有以下特點 : 1)市場的大量需求。 2)功率器件的發(fā)展。 3)控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。 4)基礎工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，變頻器相關(guān)配套件社會化、專業(yè)化生產(chǎn)。在大功率交一交、無換向器電機等變頻技術(shù)方面，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當大的差距。隨著高性能單片機和數(shù)字信號處理器的使用，國內(nèi)學者緊跟國外最新控制策略，針對交流感應電機特點，采用高次諧波注入國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下 : 1)變頻器的整機技術(shù)落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。 3)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè) 落后。 本論文的研究內(nèi)容 本文在掌握交流電機變頻調(diào)速基本原理的基礎上，采用電機控制專用 DSP 芯片 TMS320LF2407A，運用變頻調(diào)速的價廠控制方式和 SPWM 控制算法，提出了交流電機變 頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設計方案 ，有 速度傳感器，控制電路比較簡單，電機選擇通用標準異步電動機，因此其通用性比較強，性能 /價格比比較高。變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件電路的研究和設計，包括主電路、系統(tǒng)保護 電路和控制電路 。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 5 頁 共 43 頁 5 2交流電機變頻調(diào)速原理 三相交流電機的結(jié)構(gòu) 定子是電動機的不動部分、它主要由鐵心、定子繞組和機座組成。 D3 D1 D5 D3 D1 D5 D4 D2 D6 D2 D6 D4 D2 D1 D6 D5 D1 D4 D2 D3 D4 D3 D6 D5 圖 21三相交流異步電動機接線柱的聯(lián)接 轉(zhuǎn)子是電動機的旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和風扇等組成。轉(zhuǎn)子繞組根據(jù)其構(gòu)造分為兩種形式 :鼠籠式和線繞式。現(xiàn)在巾、小型電動機更多地采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，即把熔化的鋁澆鑄在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，兩端的圓環(huán)及風扇也一并鑄成。 (b)線繞式 其轉(zhuǎn)子鐵心與鼠籠式相同，不同的是在轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)嵌置對稱的三相繞組?；h(huán)對軸也是絕緣的，滑環(huán)通過電刷將轉(zhuǎn)子繞組的三個首端引到機座上的接線盒里，以便在轉(zhuǎn)子電路中串入附加電阻，用來改善電動機的起動和調(diào)速性能。 假設將定子繞組聯(lián)接成星形，并接在三相電源上，繞組中便通入三相對稱電流 : iU t?sinIm? (21) iv=Imsin(? t1200) (22) Iw=Imsin(? t+1200) (23) 其波形如圖 22所示。電動勢的方向可由右手定則確定。電磁力 F 的方向可由左手定則確定。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向相同，而磁場旋轉(zhuǎn)的方向與通入繞組的三相電流的相序有關(guān)。 F n0 F 圖 23轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理圖 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 no 稱為同步轉(zhuǎn)速，其大小取決于電流頻率關(guān)和磁場的極對數(shù)p,當定子每相繞組只有一個線圈時，繞組的始端之間相差 1200 空間角，如圖 23所示，則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有一對極，即 p=，磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)磁場的 (每分鐘 )轉(zhuǎn)速 no = 60f。電流交變一次時，磁場在空間旋轉(zhuǎn)半周，即 (每分鐘 )轉(zhuǎn)速 21600 fn? 以此類推，可得 pfn 1600? (24) 式中 : 0n 的單位為 minr 在我國，工頻 501?f Hz，電動機常見極對數(shù) p=1~4 由工作原理可知， 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n必然小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 0n 所謂“異步”。 n ＋ 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 8 頁 共 43 頁 8 交流電機的調(diào)速方式 根據(jù)電機學原理知識，可以得到交流電機的轉(zhuǎn)速公式為 : ? ? ? ?spfsnn ???? 116010 (26) 由式 (26)可以看出，交流電機調(diào)速方法主要有三大類 : 其一是在電機中旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速 0n 恒定時，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率 s，稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 。三是改變電機定子繞組的極數(shù)，稱為變極調(diào)速。它既不是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，也不是恒功率調(diào)速方式。 2 無轉(zhuǎn)差損耗，效率高。 缺點 : 有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速，且由于受到電動 機結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制，通常只能實現(xiàn) 23種極對數(shù)的有級調(diào)速，調(diào)速范圍相當有限。 交流電動機的輸出功率 zp 的表達式為 : MMsZ sPPsMMP ????? )1(?? (27) 其中 M— 電磁轉(zhuǎn)矩。 s? — 旋轉(zhuǎn)磁場的同步速度 s— 轉(zhuǎn)差率 式 (2 一 7)中 MsP 稱為交流電動機的轉(zhuǎn)差功率，這一部分功率主要消耗在轉(zhuǎn)子阻抗上。由此可以看出，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 9 頁 共 43 頁 9 差率、調(diào)速是一種耗能的調(diào)速方法，是低效率的調(diào)速方式。在轉(zhuǎn)矩恒定時、基本不變，交流電動機的輸 ?????? ??? sMMP sZ 1??與輸入電磁功率 sM MP ?? 。 優(yōu)點 : 效率高，調(diào)速過程中無附加損耗。調(diào)速范圍大，特性硬，精度高。 從上述比較可以看出，與變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速相比，變頻調(diào)速可在寬廣的范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，并可獲得很好的起動和運行特性，是一種效率比較高的調(diào)速方法。其三相交流異步電機每相電動勢的有效值是 : MI NfkE ????? (28) 式中 : IE — 氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值 。 If — 定子頻率 。 M? — 每極氣隙磁通量 。其結(jié) 果是 :盡管電機的鐵心沒有得到充分利用是一種浪費，但是在機械條件允許的情況下長期使用不會損壞電機。當電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓 II EU? ，則得 ?1fUI 常數(shù)。在恒壓頻比的條件下改變頻率 f 時，我們能證明 :機械特性基本上是平行下移的，如圖 24 所示，當轉(zhuǎn)矩 T 增大到最大值后，特性曲線就折回來了。根據(jù)電機與拖動原理，在基頻以下調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)。 n f1N f1Nf2f3f4 nIN f2 f3 f4 0 T 圖 24基頻以下調(diào)速時的機械特性 n f4 f4f3f2f1N f3 f2 恒 P f1N 0 T 圖 25基頻以上調(diào)速時的機械特性 (2)基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從 Nf1 往上增高，但電壓 1U 卻不能超過額定電壓 NU1 , 最多只能保持 1U = NU1 、。在基頻關(guān) Nf1 以上變頻調(diào)速時，由于電壓1U = NU1 不變，我們不難證明當頻率提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩 T 減小，基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 11 頁 共 43 頁 11 機械特性上移，如圖 25所示。由于轉(zhuǎn)速 n升高了，可以認為輸出功率基本不變。 m? 恒 轉(zhuǎn)矩調(diào)速 U1 恒功率調(diào)速 U1N U1 m? 0 fN f1 圖 26交流電動機變頻調(diào)速控制特性 SPWM 控制技術(shù)原理 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。這樣，有 n 個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。 產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波 SPWM 的原理是 。正弦波大于三角波時，使相應的開關(guān)器件導通 。 u 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 12 頁 共 43 頁 12 (a) 0 t? u 0 t? 圖 27 與正弦波等效的等幅脈沖序列波 ＋ 1 0 － 1 ＋ 1 0 － 1 圖 28 SPWM 控制的基本原理圖 單極性 SPWM 控制技術(shù) 如圖 29所示。只要正 弦調(diào)制波的最大澎氏于三角載波的由圖 29（ A)的調(diào)制結(jié)果必然形成圖 29(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。 基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 13 頁 共 43 頁 13 調(diào)制波 載波（ a） （ B） (A)調(diào)制波和載波 (B)單極性 SPWM 波形 圖 29單極性脈寬調(diào)制波的形成 V1 Z V2 圖 210 單極性調(diào)制工作特點 單極性調(diào)制的工作特點 :每半個周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時斷的工作，另一個完全截止 。流經(jīng)負載 Z的便是正、負交替的交變電流，如圖 210 所示。繪出了三相雙極式的正弦脈寬調(diào)制波形。同理，的 BU 是由 V3和 V4 交替導通得到的，的 CU 是由 V5 和 V6 交替導通得到的。 ABU 的脈沖幅值為 +U 和－ U。 綜上所述，雙極性調(diào)制的工作特點 :逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導通和關(guān)斷，而流過負載 Z 的電流是按線電壓規(guī)律變化的交變電流，如圖 211 所示。圖 247是通過電動機繞組的 SPWM 電流波形。圖中給出了載波在不同頻率時的 SPWM電流波形，基于 DSP 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設計 第 15 頁 共 43 頁 15 可見載波頻率越高，諧波波幅越小， SPWM 波形越好。另外，高的載波頻率使變頻器和電機的噪聲進入超聲范圍，超出人的聽覺范圍之外，產(chǎn)生“靜音”的效果。 I