【正文】 機(jī)控制專用 DSP 芯 片TMS320LF2407A，運(yùn)用變頻調(diào)速的 U/f 控制方式和 SPWM 控制算法，提出了基于 DSP 的通用變頻器的總體設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)闡述了其中關(guān)鍵技術(shù)的研究和設(shè)計(jì)。 5 第二章 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本理論 三相交流異步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖 2 1 三相交流異步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 三相交流異步電機(jī)如圖 21所示，它由定子 (包括機(jī)座 )、轉(zhuǎn) 子、端蓋等組成，其中定子和轉(zhuǎn)子是能量傳遞的主要部分。定子鐵心是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，為了減少鐵損，定子鐵心由表面絕緣的硅鋼沖片疊壓而成。 轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分 ，由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和風(fēng)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。因此，我們首先討論在交流電動(dòng)機(jī)定子繞組中通以三相交流電所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場。i u3 6 0 176。 b ) ω t = 6 0 176。 圖 2 3 電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場 旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，便在其中感應(yīng)出電動(dòng)勢和電流，如圖 24 所示。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用便產(chǎn)生電磁力 F施加于導(dǎo)體上。由電磁力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來。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)， 7 就可改變轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)定子每相繞組只有一個(gè)線圈時(shí)，繞組的始端之間相差 120176。當(dāng)電流交變一次時(shí)，磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周 ，旋轉(zhuǎn)磁場的 (每分鐘 )轉(zhuǎn)速 0n =601f 。電流交變一次時(shí)，磁場在空間旋轉(zhuǎn)半周，即 (每分鐘 )轉(zhuǎn)速 n =601f / pn 以此類推，可得 10 60upfin n?? （ 24） 式中 0n 的單位為 r/min。 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 n0(即所謂“異步” )。 (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)ω s 來調(diào)速。 優(yōu)點(diǎn)： 效率高，調(diào) 速過程中沒有附加損耗。 調(diào)速范圍大，特性硬，精度高。 缺點(diǎn)：技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。因此，改變電源頻率很容易改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來說，若電源頻率 1f 變化而其電源電壓 1U 值不變的話，將會(huì)引起磁通的變化，因?yàn)? 1 1 1 f N K?? (28) 式中 1U 為定子相電壓； 1E 為定子相電動(dòng)勢； 1N 為定子每相繞組的匝數(shù)； 1K 為定子的繞組系數(shù)； ? 為每極氣息磁通。由于電機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)取額定磁通在磁化曲線的飽和段附近 ，當(dāng) ? 上升時(shí)就會(huì)引起過大的勵(lì)磁電流。 9 當(dāng) 1f 大于 1Nf 時(shí)，如果仍保持 11Uf ? 常數(shù)，則 1 NUU? ,這是不允許的，此時(shí)只能保持1 NUU? ，由式（ 28）可以看出，隨 1f 上升， ? 將減弱，即： 11f?? （ 210） 這種保持 1 NUU??常數(shù)的控制方式稱為恒電壓控制方式，一般在當(dāng) 1f 大于 1Nf 情況下采用。 U1f1fN0U1U1 N恒 磁 通 控 制恒 電 壓 控 制φmφm磁 通 = 常 數(shù)磁 通 減 小 圖 2 5 異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速的控制特性 恒磁通控制方式（基頻以下調(diào)速） 異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的一般方程是： ? ?2122221 1 2032pen U rsTrf r X Xs??? ??????? ?? ? ??????? （ 211） 式中 pn 為定子繞組構(gòu)成的極對(duì)數(shù) 。 將式 (211)對(duì) s 求導(dǎo)令其為零，即可求得電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 mT 及臨界轉(zhuǎn)差率 ms ： 10 21221 1 1 2034 ( )pmnUTf r r X X?? ???? ? ????? （ 212） 2221 1 20()mrsr X X????? (213) 由 mT 、 ms 可繪出保持 11Uf =常數(shù)的條件下異步電動(dòng)機(jī)調(diào)頻時(shí)的機(jī)械特性曲線族，如圖（ 26）所示，圖中 1 2 3 4f f f f? ? ? 。 f1f2f3f4n0Tf1 f2 f3 f4 圖 2 6 基頻以下異步電機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性 因?yàn)?11U Cf ? ,所以當(dāng)頻率很高時(shí) mT 保持恒定。因而其調(diào)速特性互相平行。此時(shí)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降為： 2 2 1 1 21122 111 1 2060 60 39。 從物理概念上來說，低頻時(shí)機(jī)械特性最大轉(zhuǎn)矩下降，但是由于 1r 引起的電壓降相對(duì)影響較大，無法保持電動(dòng)機(jī)氣隙磁通為恒值而造成的。對(duì)調(diào)速范圍大的恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載，則希望在整個(gè)范圍中保持 mT 不變。但由于電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢 1E 難以測得和控制，故在實(shí)際控制回路加入一個(gè)函數(shù)發(fā)生器，以補(bǔ)償?shù)皖l時(shí)定子電阻所引起的壓降影響。 圖 2 7 完全補(bǔ)償時(shí)異步電機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性 恒電壓控制方式（基頻以上調(diào)速） 保持 11NU U C??的常數(shù)控制，實(shí)在基頻以上（ 11Nff? ）以上變頻調(diào)速時(shí)變頻調(diào)速時(shí)使用的方法，其機(jī)械特性方程式為： 12 ? ?2122221 1 1 2032pNen U rsTrf r X Xs?????????? ?? ? ??????? （ 218） 最大轉(zhuǎn)矩為： 21221 1 1 1 2034 ( )pNmnUTf r r X X?? ?? ?? ? ????? （ 219） 臨界轉(zhuǎn)差率仍為（ 213）。 mT 處的轉(zhuǎn)速降： ? ?211 1 1 20 602mm prfn s n Cnf L L? ?? ? ? ? ??? （ 222） 由式（ 220）、（ 221）、（ 222）分析可知，雖然 mn? 是常量，但隨著 1f 的升高， mT減小很多，即 mmnT? 增大，所以調(diào)速機(jī)械特性的斜度也隨著 1f 的升高而增大，恒電壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性如圖（ 28）。 當(dāng)調(diào)速時(shí)充分利用繞組，保持 22NI I C???，有： 2coseiTK ??? （ 224） 式中， 2i m NK K I ?? ，為常數(shù)。 將式（ 227）（ 223）代入式 1eP Tw? 中得： 112()epfPKfn???C 因此 11NUU? 時(shí)的變頻調(diào)速具有近似恒功率的性質(zhì)，如圖（ 28）所示極為恒功率線。交 — 交頻器可將工頻交流直接變換成頻率、 電壓可控制的交流電，而交 直 交變頻器是先將工頻交流電通過整流器變成直流電，然后再把直電變換成變頻、電壓均可調(diào)的交流電，所以一般通用變頻器主要采用交 — 直 — 交結(jié)構(gòu)形式。 圖 2 9 通用變頻器的基本結(jié)構(gòu) 整流器： 電網(wǎng)側(cè)的變流器是整流器，它的作用是把三相（單相）交流電整流成直流電。它的作用是通過有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)器件的通與斷，把直流電逆變?yōu)樗桀l率的 三相交流電輸出。無論電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會(huì)為 1。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件來緩沖。 控制電路控制： 電路常由運(yùn)算電路、檢測電路、控制信號(hào)的輸入、輸出電路和驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。控制方法可以采用模擬控制或數(shù)字控制。 2. 按輸出電壓調(diào)節(jié)方式可分為： PAM 方式與 PWM方式。 4. 按主令開關(guān)器件為： SCR， BJT， GTO 和 IGBT 變頻器。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。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。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。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。負(fù)半周用同樣的方法調(diào)制后再倒相而成。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。圖 214 繪出了三相雙極式的正弦脈寬調(diào)制波形。 )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。由 AU 和 BU 相減，可得逆變器輸出線電壓波形 ABU 圖 214(e)。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 216是通過電動(dòng)機(jī)繞組的 SPWM 電流波形。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。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。 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。在變頻過程中，即調(diào)制信號(hào)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。對(duì)于三相系統(tǒng)，為了保證三相之間對(duì)稱，互差 120176。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 180176。處的左右兩側(cè)。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。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。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。 （ 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。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(duì)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。 M限 流 啟 動(dòng) 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(dòng) 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(dòng)電路與吸收電路組成。 IPM 逆變電路對(duì)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)。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(dòng)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(huì)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(dòng)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)。 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。 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。 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。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。 下面詳細(xì)介紹各