變頻器畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘　　要</b></p><p>　　近年來(lái)，交流電機(jī)變頻調(diào)速及其相關(guān)技術(shù)的研究已成為現(xiàn)代電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，并且隨著新的電力電子器件和微處理器的推出以及交流電機(jī)控制理論的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)還將會(huì)取得巨大進(jìn)步。在交流變頻調(diào)速領(lǐng)域中，脈寬調(diào)制技術(shù)作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展中得到重要應(yīng)用，而恒壓頻比控制(U/F=C)是通用變頻器中應(yīng)用最廣泛的

2、一種控制方式。</p><p>　　本文以三相交流異步電動(dòng)機(jī)為被控對(duì)象，以TMS320LF2407A單片機(jī)(16位定點(diǎn)DSP芯片)作為處理器，采用智能功率模塊PM10CSJ060，通過(guò)SPWM控制技術(shù)對(duì)交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒壓頻比控制，設(shè)計(jì)了基于DSP的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)。全文分別介紹了課題的研究背景和意義以及國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速發(fā)展的情況，以及三相交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理和SPWM控制技術(shù)，然后給出了系統(tǒng)各部分硬件電路的工作

3、原理、參數(shù)計(jì)算以及各部分器件的選取。接著介紹了TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A的一些特點(diǎn)和內(nèi)部資源以及SPWM波形原理和控制算法，最后給出了系統(tǒng)的總體程序流程圖。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, AC Motor Frequency Control and related tec

4、hnology research has become a modern electric drive an important subject areas, and with the new power electronic devices and the introduction of the microprocessor and the exchange of theoretical development of motor co

5、ntrol, AC frequency converter Technology will also be made tremendous progress. In exchange in the field of Frequency Control, PWM technology as a key technology in the VVVF technology are important in the development of

6、 </p><p>　　In this paper, three-phase AC induction motor to object to TMS320LF2407A SCM (16 fixed-point DSP chips) as a processor, a smart power module PM10CSJ060, through SPWM AC motor control technology to

7、 achieve constant pressure than the frequency control, design The DSP-based Universal Frequency Control System. They described the issue as well as research background and significance of the development of domestic and

8、international Frequency Control, the combination of the three-phase AC motor structu</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　摘　　要1</b></p><p>　　Abstract2</p>

9、;<p><b>　　引　　言1</b></p><p><b>　　1 緒論2</b></p><p>　　1.1 本課題的研究背景和研究意義2</p><p>　　1.2 交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況及其運(yùn)用2</p><p>　　1.2.1 電力電子技術(shù)的發(fā)展3</p

10、><p>　　1.2.2 控制策略和控制理論的不斷發(fā)展3</p><p>　　1.2.3 全數(shù)字化高性能微處理器運(yùn)用于電機(jī)控制4</p><p>　　1.2.4 目前變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、展望5</p><p>　　1.3 本論文的研究?jī)?nèi)容6</p><p>　　2 異步電機(jī)變頻調(diào)速的基本理論7</p>

11、<p>　　2.1 三相交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理7</p><p>　　2.2 交流電機(jī)的調(diào)速方式11</p><p>　　2.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的U/f控制方式12</p><p>　　2.4 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制理論15</p><p>　　2.4.1 單極性SPWM控制技術(shù)16</p><

12、;p>　　2.4.2 雙極性SPWM控制技術(shù)18</p><p>　　2.4.3 SPWM的調(diào)制方式20</p><p>　　3 通用變頻器的硬件電路設(shè)計(jì)23</p><p>　　3.1 通用變頻器的總體設(shè)計(jì)23</p><p>　　3.2 主電路的設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.2.1 整流電路2

13、5</p><p>　　3.2.2 濾波電路26</p><p>　　3.2.3 電源指示27</p><p>　　3.2.4 逆變電路27</p><p>　　3.2.5 以IPM為功率器件的驅(qū)動(dòng)電路31</p><p>　　3.3 系統(tǒng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)33</p><p>　　3.3

14、.1 過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路34</p><p>　　3.3.2 限流啟動(dòng)電路36</p><p>　　3.3.3 IPM故障保護(hù)電路37</p><p>　　3.3.4 泵升控制電路38</p><p>　　3.4 控制電路的設(shè)計(jì)39</p><p>　　3.4.1 DSP(TMS320LF2407A)的最小系

15、統(tǒng)電路39</p><p>　　3.4.2 頻率信號(hào)輸入電路44</p><p>　　3.4.3 光耦隔離電路45</p><p>　　4 通用變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)46</p><p>　　4.1 TMS320LF240xA芯片特點(diǎn)概述46</p><p>　　4.2 TMS320LF2407A的事件管理器

16、(EV)47</p><p>　　4.3 SPWM波形生成原理與控制算法50</p><p>　　4.4 DSP生成SPWM波形54</p><p><b>　　結(jié)　　論61</b></p><p>　　附錄A基于DSP的通用變頻器硬件設(shè)計(jì)原理圖62</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)

17、63</p><p><b>　　致　　謝65</b></p><p><b>　　引　　言</b></p><p>　　電機(jī)變頻調(diào)速是電力電子技術(shù)應(yīng)用的最大領(lǐng)域之一，具有極大的吸引力，同時(shí)也具有較強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。它的市場(chǎng)異常龐大，據(jù)報(bào)道，世界上大約有100億以上各種電機(jī)在工作，近年來(lái)，我國(guó)空調(diào)一年的產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)1000萬(wàn)

18、臺(tái)，僅此一項(xiàng)市場(chǎng)已非常龐大；另外，其應(yīng)用面極其廣泛，例如機(jī)床、電動(dòng)工具、電力機(jī)車(chē)、機(jī)器人、家用電器、計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)器、汽車(chē)、船舶、軋鋼、造紙和紡織行業(yè)等等。而交流異步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用與維護(hù)方便，運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉，并具有比較滿(mǎn)意的運(yùn)行特性和比較高的效率，在傳動(dòng)領(lǐng)域具有重要的地位。交流變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是節(jié)電顯著；二是卓越的調(diào)速性能。</p><p>　　通過(guò)利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通

19、和關(guān)斷，將直流電壓變成一定波形的電壓脈沖序列，實(shí)現(xiàn)變頻器輸出電壓的調(diào)節(jié)。PWM方式能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)變壓變頻要求，可以抑制逆變輸出電壓、電流的諧波分量，降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。目前實(shí)際工程中主要采用正弦PWM調(diào)制方式，就是所謂的SPWM技術(shù)。TMS320LF2407A是德州儀器公司專(zhuān)門(mén)為電機(jī)控制開(kāi)發(fā)的一款定點(diǎn)式數(shù)字信號(hào)處理芯片，運(yùn)用SPWM技術(shù)和DSP技術(shù)就可以完成了交一直一交電壓源型通用變頻器的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)搭建。</p>

20、<p><b>　　緒論</b></p><p>　　本課題的研究背景和研究意義</p><p>　　隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷提高，環(huán)保和能源問(wèn)題日趨成為人們爭(zhēng)論的主題。充分有效地利用能源已成為緊迫的問(wèn)題，為了尋求高效可用的能源，各個(gè)國(guó)家都投入了大量人力財(cái)力，進(jìn)行不懈的努力。就目前而言，電能是全世界消耗最多的能源之一，同時(shí)也是浪費(fèi)最多的能源之一，

21、為解決能源問(wèn)題必須先從電能著手，其中起代表性的就是電機(jī)的控制。電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備，它的用途非常廣泛，在現(xiàn)代社會(huì)生活中隨處可見(jiàn)電機(jī)的身影，在發(fā)達(dá)國(guó)家中生產(chǎn)的總電能有一半以上是用于電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，這些電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中90%左右的是交流異步電機(jī)。在國(guó)內(nèi)，電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量達(dá)6000億千瓦時(shí)，約占工業(yè)耗電量的80%。并且使用中的電機(jī)絕大部分還是中小型異步電機(jī)，加之設(shè)備的陳舊、管理、控制技術(shù)跟不上，所浪費(fèi)的電能

22、甚多。能源工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高都起著極為重要的作用。在高速增民的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，我國(guó)能源工業(yè)而臨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價(jià)格的影響，我國(guó)能源利用效率比發(fā)達(dá)國(guó)家低很多。為此，國(guó)家十五計(jì)劃中，在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方而投入的資金高達(dá)50</p><p>　　在電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)迅速發(fā)展的今天，電氣傳動(dòng)技術(shù)正面臨著一場(chǎng)歷史性的革

23、命。經(jīng)過(guò)了十多年的發(fā)展，近代交流傳動(dòng)逐漸成為電氣傳動(dòng)的主流。在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，效率最高、性能最佳的是變頻調(diào)速系統(tǒng)，因此，對(duì)變頻調(diào)速的研究是當(dāng)前電氣傳動(dòng)研究中最為活躍、最有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的工作。變頻器產(chǎn)業(yè)的潛力非常巨大，值得強(qiáng)調(diào)的是，這里的“變頻器產(chǎn)業(yè)”應(yīng)該是變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)，或者是inverter technology產(chǎn)業(yè)。正如IT產(chǎn)業(yè)不僅限于PC一樣，變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)包括所有與變頻器技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，如電力電子器件的生產(chǎn)、驅(qū)動(dòng)保護(hù)集成電路

24、的生產(chǎn)、電氣傳動(dòng)與系統(tǒng)控制技術(shù)、工業(yè)應(yīng)用等。</p><p>　　交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展概況及其運(yùn)用</p><p>　　近年來(lái)，交流調(diào)速在國(guó)內(nèi)外發(fā)展十分迅速，打破了過(guò)去直流拖動(dòng)在調(diào)速領(lǐng)域中的統(tǒng)治地位，交流調(diào)速拖動(dòng)已進(jìn)入了與直流拖動(dòng)相媲美、相競(jìng)爭(zhēng)、相抗衡的時(shí)代，并有取而代之的趨勢(shì)，這是現(xiàn)代電力拖動(dòng)發(fā)展的主要特征。其主要原因有：電力電子技術(shù)的不斷更新、控制策略和電機(jī)控制理論的不斷完善、以及全數(shù)

25、字化高性能高速度的微處理器不斷發(fā)展等。</p><p><b>　　電力電子技術(shù)的發(fā)展</b></p><p>　　由于交流電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)和運(yùn)用廣泛，其調(diào)速系統(tǒng)早就得到人們的關(guān)注，早期的交流電機(jī)調(diào)速方法，如用繞線(xiàn)式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、鼠籠式異步電機(jī)變極調(diào)速、在定子繞組串電抗器調(diào)速等都存在效率低，不經(jīng)濟(jì)等缺點(diǎn)。交流變頻調(diào)速的優(yōu)越性旱在20世紀(jì)20年代就已被人們所認(rèn)識(shí)

26、，但受到元器件的限制，當(dāng)時(shí)只能用閘流管構(gòu)成逆變器，由于投資大，效率低，體積大而未能推廣。20世紀(jì)50年代中期，晶閘管的研制成功，開(kāi)創(chuàng)了電力電子技術(shù)發(fā)展的新時(shí)代。晶閘管具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、管壓低等優(yōu)點(diǎn)，從而使得交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)有了飛躍發(fā)展，出現(xiàn)了交流異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　到20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了變頻調(diào)速技術(shù)，變頻調(diào)速具有效率高、精度高和范圍寬等特點(diǎn)，是目前運(yùn)用最廣泛且最

27、具有發(fā)展前途的調(diào)速方式。交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的種類(lèi)也很多，從早期提出的電壓源型變頻調(diào)速開(kāi)始，相繼發(fā)展了電流源型，脈寬調(diào)制等各種變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。目前變頻調(diào)速的主要方案有：同步電機(jī)自控式變頻調(diào)速，正弦脈寬調(diào)制(Sine Pulse Width Modulation)變頻調(diào)速，矢量控制(Field Oriented Control)變頻調(diào)速，直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control)及無(wú)速度傳感器控制等。這些變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)

28、展很大程度上依賴(lài)于大功率半導(dǎo)體器件的制造水平。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是可關(guān)斷晶閘管GTO、電力晶體管GTR、絕緣門(mén)極晶體管IGBT，MOS晶閘管及MTC等具有自關(guān)斷能力全控功率元件的發(fā)展，且控制單元也從分離元件發(fā)展到大規(guī)模數(shù)字集成電路及采用微處理器控制，從而使變頻裝置的快速性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性不斷提高，變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能也得到不斷完善。</p><p>　　控制策略和控制理論的不斷發(fā)展</p>

29、<p>　　由直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)可知，直流電機(jī)的電樞磁勢(shì)和電機(jī)的勵(lì)磁是相互正交的，可以對(duì)電樞的電流和磁通分別進(jìn)行控制，從而能夠得到較理想的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制性能。由于直流電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還存在著換向器或電刷等器件，使得直流電機(jī)的容量受到一定的限制，維護(hù)也不方便。為此，交流異步電機(jī)以其獨(dú)有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐用、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、制造成本低、維護(hù)少且方便、能夠運(yùn)用于惡劣環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中

30、。但是，交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合、多變量的，不能像直流電機(jī)那樣對(duì)磁通和轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，在一定程度上抑制了交流異步電機(jī)的運(yùn)用范圍。</p><p>　　在交流電機(jī)變頻調(diào)速中應(yīng)用最為廣泛的是PWM控制，可以說(shuō)PWM控制是交流調(diào)速系統(tǒng)的控制核心，任何控制算法的最終實(shí)現(xiàn)幾乎都是以各種PWM控制方式來(lái)完成的。目前已經(jīng)提出并得到實(shí)際應(yīng)用的PWM控制方案就不止十幾種，關(guān)于PWM控制技術(shù)的文章在很多著名的

31、電力電子國(guó)際會(huì)議上，如PESC，IECON，EPE年會(huì)上已形成專(zhuān)題，尤其是微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)并使之?dāng)?shù)字化以后，花樣更是不斷翻新。從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，到消除噪音等，PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過(guò)程。到目前為止，還有新的方案不斷提出，進(jìn)一步證明這項(xiàng)技術(shù)的研究方興未艾。</p><p>　　其中，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)有：U/F恒

32、定、速度開(kāi)環(huán)控制的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)和滑差頻率速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，這些雖然基本上解決了異步電機(jī)平滑調(diào)速的問(wèn)題，然而，當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能提出更高要求時(shí)，上述控制系統(tǒng)還是比直流調(diào)速系統(tǒng)略遜一籌。主要原因在于，其系統(tǒng)控制的規(guī)律是從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)值控制，完全不考慮過(guò)渡過(guò)程，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、起動(dòng)及低速時(shí)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方而的性能尚不能令人滿(mǎn)意。考慮到異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直

33、接通過(guò)外加信號(hào)準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流中勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨(dú)立開(kāi)來(lái)，進(jìn)行分別控制。通過(guò)坐標(biāo)變換重建異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可以使得異步電機(jī)等效于直流電機(jī)，從而象控制直流電機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制，即矢量控制，又稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制。與矢量抓子制不同的是，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，而是簡(jiǎn)單地通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電

34、壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并與給定值比較得出差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈</p><p>　　盡管矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有了較大的提高，但是還有許多領(lǐng)域有待研究，比如：磁通的準(zhǔn)確估計(jì)和觀測(cè)、無(wú)速度傳感器的控制方法、電機(jī)參數(shù)的在線(xiàn)辨識(shí)、極低轉(zhuǎn)速包括零速下的電機(jī)控制、電壓重構(gòu)與死區(qū)補(bǔ)償策略、多電平逆變器的高性能控制策略等更新更優(yōu)的控制理論和控制策略。</p><p&

35、gt;　　全數(shù)字化高性能微處理器運(yùn)用于電機(jī)控制</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展以及新型電路變換器的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代控制理論向交流調(diào)速領(lǐng)域的不斷滲透，特別是微型計(jì)算機(jī)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)正向高頻化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，為了滿(mǎn)足現(xiàn)代人們對(duì)數(shù)字化信息的依賴(lài)，為了使交流調(diào)速系統(tǒng)與信息系統(tǒng)緊密結(jié)合，為了提高交流調(diào)速系統(tǒng)自身的性能，必須實(shí)現(xiàn)交流調(diào)速系統(tǒng)的全數(shù)字化控制。&l

36、t;/p><p>　　單片機(jī)在交流調(diào)速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用。例如由Intel公司1983年開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的MCS-96系列是目前性能較高的單片機(jī)系列之一，適用于高速、高精度的工業(yè)控制。其高檔型：8X196KB，8X196KC，8X196MC等在通用開(kāi)環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用較多。但是由于交流電機(jī)控制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益復(fù)雜，這就需要高性能、高速度的新一代微處理器，于是出現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理器DSP(Dig

37、ital Signal Processing)。因此，DSP芯片在全數(shù)字化的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)中找到大展身手的舞臺(tái)。DSP芯片生產(chǎn)商主要有：Motorola公司、ADI公司和TI公司，本課題采用的是TI公司專(zhuān)為電機(jī)控制而研發(fā)的TMS320F240芯片。在交流調(diào)速的全數(shù)字化的過(guò)程當(dāng)中，各種總線(xiàn)也扮演了相當(dāng)重要的角色。STD總線(xiàn)、工業(yè)PC總線(xiàn)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)以及CAN總線(xiàn)等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域起到了重要的作用。</p>&

38、lt;p>　　數(shù)字化控制或稱(chēng)微機(jī)控制，其優(yōu)點(diǎn)是使硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，柔性的控制算法使控制靈活、可靠，更易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，便于故障診斷和監(jiān)視?？刂葡到y(tǒng)的軟件化對(duì)CPU芯片提出了更高的要求，為了實(shí)現(xiàn)高性能的交流調(diào)速，要進(jìn)行矢量的坐標(biāo)變換，磁通矢量的在線(xiàn)計(jì)算和自適應(yīng)參數(shù)變化而修正磁通模型，以及內(nèi)部的加速度、速度、位置的重疊，外環(huán)控制的在線(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等，都需要存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)和快速實(shí)時(shí)處理大量信息?？梢皂斠?jiàn)，隨著計(jì)算機(jī)芯片容量的增加和運(yùn)算速度的加

39、快，交流調(diào)速系統(tǒng)的性能將得到很大的提高。</p><p>　　目前變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、展望</p><p>　　近幾年來(lái)對(duì)電力電子裝置控制技術(shù)的研究十分活躍，各種現(xiàn)代控制理論，如自適應(yīng)控制、滑?？刂坪腿斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及智能控制(如專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制、遺傳算法、采用微分幾何理論的非線(xiàn)性解禍、魯棒觀察器，在某種指標(biāo)意義下的最優(yōu)控制技術(shù)和尼奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)方法等)和無(wú)速度傳感器等高動(dòng)態(tài)性能控制都

40、是研究的熱點(diǎn)，這些研究必將把交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的水平。交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、礦山、化工、石油、紡織、造紙、印染、船舶、鐵路等行業(yè)，是最有發(fā)展前途的一種調(diào)速控制方式。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10~15年，就目前而言，盡管變頻調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)在國(guó)內(nèi)還比較活躍，但是市場(chǎng)上的絕大部分產(chǎn)品還是被國(guó)外產(chǎn)品所占據(jù)，為此，我們需要密切關(guān)注國(guó)際變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，緊跟著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，加快國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速

41、系統(tǒng)的發(fā)展，努力研制出自己的產(chǎn)品。</p><p><b>　　本論文的研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　本文在掌握交流電機(jī)變頻調(diào)速基本原理的基礎(chǔ)上，采用電機(jī)控制專(zhuān)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)。U/f控制方式的變頻調(diào)速系統(tǒng)是轉(zhuǎn)

42、速開(kāi)環(huán)控制，無(wú)需速度傳感器，控制電路比較簡(jiǎn)單，電機(jī)選擇通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，因此其通用性比較強(qiáng)，性能/價(jià)格比比較高。</p><p><b>　　具體研究工作包括：</b></p><p>　　交流電機(jī)變頻調(diào)速原理的研究；</p><p>　　變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件電路的研究和設(shè)計(jì)，包括主電路、系統(tǒng)保護(hù)電路和控制電路等；</p><

43、p>　　變頻調(diào)速系統(tǒng)控制軟件的研究和設(shè)計(jì)。</p><p>　　異步電機(jī)變頻調(diào)速的基本理論</p><p>　　三相交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理</p><p>　　1. 三相交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　三相交流電機(jī)的主要部件如圖2.1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?，F(xiàn)分別介紹如下：

44、</p><p>　　圖2.1 三相交流電機(jī)的主要部件</p><p><b>　　(1)定子</b></p><p>　　定子是電動(dòng)機(jī)的不動(dòng)部分、它主要由鐵心、定子繞組和機(jī)座組成。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。硅鋼片內(nèi)圓周表面沖有槽孔，用以嵌置定子繞組，定子繞組是定子中的電路部分，中、小型電

45、動(dòng)機(jī)一般采用漆包線(xiàn)繞制，其三相對(duì)稱(chēng)繞組共有六個(gè)出線(xiàn)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)的額定電壓把三相繞組接成星形或三角形，參見(jiàn)圖2.2：</p><p>　　圖2.2 三相交流異步電動(dòng)機(jī)接線(xiàn)柱的聯(lián)接</p><p><b>　　(2)轉(zhuǎn)子</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)

46、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。轉(zhuǎn)子繞組根據(jù)其構(gòu)造分為兩種形式：鼠籠式和線(xiàn)繞式。</p><p><b>　　(a)鼠籠式</b></p><p>　　鼠籠式轉(zhuǎn)子是在轉(zhuǎn)子鐵心的槽內(nèi)壓進(jìn)銅條，銅條的兩端分別焊接在兩個(gè)銅環(huán)上，因其形狀如同鼠籠，故得名。</p>&

47、lt;p>　　現(xiàn)在中、小型電動(dòng)機(jī)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(fēng)扇也一并鑄成。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。</p><p><b>　　(b)線(xiàn)繞式</b></p><p>　　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(duì)稱(chēng)的三相繞組。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

48、緣的銅制滑環(huán)上?；h(huán)對(duì)軸也是絕緣的，滑環(huán)通過(guò)電刷將轉(zhuǎn)子繞組的三個(gè)首端引到機(jī)座上的接線(xiàn)盒里，以便在轉(zhuǎn)子電路中串入附加電阻，用來(lái)改善電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能。</p><p>　　繞線(xiàn)式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本比鼠籠式電動(dòng)機(jī)高、但它有較好的性能，一般只在有特殊需要的場(chǎng)合使用。</p><p>　　2.三相交流電機(jī)的工作原理</p><p>　　交流電動(dòng)機(jī)是利用載流導(dǎo)體在磁

49、場(chǎng)中產(chǎn)生電磁力的原理制成的。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(chǎng)。</p><p>　　假設(shè)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(duì)稱(chēng)電流：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p><b>　　(2.2)</b></p><p&

50、gt;<b>　　(2.3)</b></p><p>　　其波形如圖2.3所示：</p><p>　　圖2.3 三相電流波形</p><p>　　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)，如圖2.4所示：</p><p>　　圖2.4 三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)</p>

51、<p>　　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2.5所示。電動(dòng)勢(shì)的方向可由右手定則確定。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。電磁力F的方向可由左手定則確定。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(lái)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向相同，而磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向與通入繞組的三相電流的相序有關(guān)。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。</p>

52、<p>　　圖2.5 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)原理圖</p><p>　　旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0稱(chēng)為同步轉(zhuǎn)速，其大小取決于電流頻率f1和磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)。當(dāng)定子每相繞組只有一個(gè)線(xiàn)圈時(shí)，繞組的始端之間相差120°以空間角，如圖2.4所示，則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具有一對(duì)極，即=1。當(dāng)電流交變一次時(shí)，磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的(每分鐘)轉(zhuǎn)速n0=60f1。若每相繞組有兩個(gè)線(xiàn)圈串聯(lián)，繞組的始端相差60度空間角，則產(chǎn)生兩對(duì)極，即

53、=2。電流交變一次時(shí)，磁場(chǎng)在空間旋轉(zhuǎn)半周，即(每分鐘)轉(zhuǎn)速n=60f1/p以此類(lèi)推，可得</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　式中n0的單位為r/min。</p><p>　　在我國(guó)，工頻f1=50Hz，電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)極對(duì)數(shù)＝1～4。</p><p>　　由工作原理可知，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速必然小于旋轉(zhuǎn)

54、磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n0(即所謂“異步”)。二者相差的程度用轉(zhuǎn)差率來(lái)表示：</p><p><b>　　(2.5)</b></p><p>　　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%。</p><p><b>　　交流電機(jī)的調(diào)速方式</b></p><p>　　根據(jù)電機(jī)學(xué)原理知識(shí)，可以得到交流電機(jī)的

55、轉(zhuǎn)速公式為：</p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　由式(2.6)可以看出，交流電機(jī)調(diào)速方法主要有三大類(lèi)：其一是在電機(jī)中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速n0恒定時(shí)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率，稱(chēng)為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速；其二是調(diào)節(jié)供電電源頻率f1，稱(chēng)為變頻調(diào)速；三是改變電機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)，稱(chēng)為變極調(diào)速。</p><p>　　(1)變極調(diào)速：變極調(diào)速一般

56、是通過(guò)改變定子繞組的接線(xiàn)方式來(lái)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。它既不是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，也不是恒功率調(diào)速方式。</p><p><b>　　優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p>　　具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好。</p><p>　　無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，效率高。</p><p>　　接線(xiàn)簡(jiǎn)單、控制方便，易維修、價(jià)格低。

57、</p><p><b>　　缺點(diǎn)：</b></p><p>　　有級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，不能獲得平滑調(diào)速，且由于受到電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制，通常只能實(shí)現(xiàn)3種極對(duì)數(shù)的有級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍相當(dāng)有限。</p><p>　　本方法適用于不需要無(wú)級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。</p><p>　

58、　(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。</p><p>　　交流電動(dòng)機(jī)的輸出功率PZ的表達(dá)式為：</p><p><b>　　(2.7)</b></p><p><b>　　其中——電磁轉(zhuǎn)矩</b></p><p>　　ω——電

59、機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度</p><p>　　ωs——旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步速度</p><p><b>　　s ——轉(zhuǎn)差率</b></p><p>　　式(2.7)中sPM稱(chēng)為交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率，這一部分功率主要消耗在轉(zhuǎn)子阻抗上。因此，當(dāng)增大時(shí)，電動(dòng)機(jī)的損耗也將會(huì)增大。由此可以看出，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)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。</p&

60、gt;<p>　　(3)變頻調(diào)速：變頻調(diào)速是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法，即調(diào)節(jié)ωs來(lái)調(diào)速。轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，基本不變，交流電動(dòng)機(jī)的輸出功率Pz=Mω=Mωs(1-s)與輸入電磁功率成比例變化，損耗基本沒(méi)有增加，是一種高效的調(diào)速方法。</p><p><b>　　優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p>　　效率高，調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗。</p

61、><p>　　應(yīng)用范圍廣，可用于籠型交流電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　調(diào)速范圍大，特性硬，精度高。</p><p>　　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，可以達(dá)到節(jié)電和保護(hù)電動(dòng)機(jī)的目的。</p><p>　　缺點(diǎn)：技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。</p><p>　　從上述比較可以看出，與變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)

62、速相比，變頻調(diào)速可在寬廣的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，并可獲得很好的起動(dòng)和運(yùn)行特性，是一種效率比較高的調(diào)速方法。</p><p>　　變頻調(diào)速系統(tǒng)的U/f控制方式</p><p>　　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(xiàn)的結(jié)果，本質(zhì)上是定子繞組的自感電動(dòng)勢(shì)。其三相交流異步電動(dòng)機(jī)每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是：</p><p><b>　　(2.8)</b

63、></p><p>　　式中：E1——?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值；</p><p>　　K1——與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；</p><p>　　f1 ——定子頻率；</p><p>　　N1——定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；</p><p>　　φM——每極氣隙磁通量；</p><p>　

64、　由上式可見(jiàn)，如果定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值E1不變，改變定子頻率時(shí)會(huì)出現(xiàn)下面兩種情況：</p><p>　　如果f1大于電機(jī)的額定頻率f1N，那么氣隙磁通量中φM就會(huì)小于額定氣隙磁通量中φMN。其結(jié)果是：盡管電機(jī)的鐵心沒(méi)有得到充分利用是一種浪費(fèi)，但是在機(jī)械條件允許的情況下長(zhǎng)期使用不會(huì)損壞電機(jī)。</p><p>　　如果f1小于電機(jī)的額定頻率f1N，那么氣隙磁通量中φM就會(huì)大于額定氣隙磁通量中

65、φMN。其結(jié)果是：電機(jī)的鐵心產(chǎn)生過(guò)飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。</p><p>　　因此，要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，在不損壞電機(jī)的條件下，充分利用鐵心，發(fā)揮電機(jī)轉(zhuǎn)矩的能力，應(yīng)在變頻時(shí)保持每極磁通量φMN為額定值不變。</p><p><b>　　(1)基頻以下調(diào)速</b></p><p>　　由式(2.8)可知，要保持φM

66、不變，當(dāng)頻率f1從額定值f1N向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低E1，使E1/f1=常數(shù)，即采用電動(dòng)勢(shì)與頻率之比恒定的控制方式。當(dāng)電動(dòng)勢(shì)的值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓E1≈f1，則得E1/f1=常數(shù)。</p><p>　　這是恒壓頻比的控制方式。在恒壓頻比的條件下改變頻率時(shí)，我們能證明：機(jī)械特性基本上是平行下移的，如圖2.6所示，當(dāng)轉(zhuǎn)矩T增大到最大值后，特性曲線(xiàn)就折回來(lái)了。如果電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速

67、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。根據(jù)電機(jī)與拖動(dòng)原理，在基頻以下調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)。低頻時(shí)，U1和E1都較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著，不能再忽略。這時(shí)，可以人為地把電壓U1抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。</p><p>　　圖2.6 基頻以下調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性</p><p>

68、;<b>　　(2)基頻以上調(diào)速</b></p><p>　　在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從f1N往上增高，但電壓U1卻不能超過(guò)額定電壓U1N，最多只能保持U1=U1N。由式(2.8)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。</p><p>　　在基頻f1N以上變頻調(diào)速時(shí)，由于電壓U1=U1N不變，我們不難證明當(dāng)頻率提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最

69、大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，如圖2.7所示。由于頻率提</p><p>　　圖2.7 基頻以上調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性</p><p>　　高而電壓不變，氣隙磁動(dòng)勢(shì)必然減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小。由于轉(zhuǎn)速升高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變。所以，基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。</p><p>　　把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來(lái)，可得圖2.8所示的交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性。&

70、lt;/p><p>　　圖2.8 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性</p><p>　　正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制理論</p><p>　　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。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

71、等效，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。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(xiàn)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(lái)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。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(chēng)為SPWM波形。SPWM波形如圖2.9所示：</p><p>　　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

72、較，如圖2.10所示，其相交的時(shí)刻(即交點(diǎn))作為開(kāi)關(guān)管“開(kāi)”或“關(guān)”的時(shí)刻。正弦波大于三角波時(shí)，使相應(yīng)的開(kāi)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(kāi)關(guān)器件截止。</p><p>　　圖2.9與正弦波等效的等幅脈沖序列波</p><p>　　圖2.10 SPWM控制的基本原理圖</p><p>　　單極性SPWM控制技術(shù)</p><p>　

73、　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(kāi)關(guān)器件開(kāi)通或關(guān)斷，例如A相的V1反復(fù)通斷，如圖2.11所示。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。只要正弦調(diào)制波的最大值低于三角載波的幅值，由圖2.11(A)的調(diào)制結(jié)果必然形成圖2.11(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。負(fù)半周用同樣的方法調(diào)制后再倒相而成。</p><p>

74、　　圖2.11 單極性脈寬調(diào)制波的形成</p><p>　　(A)調(diào)制波和載波 (B)單極性SPWM波形</p><p>　　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。流經(jīng)負(fù)載Z的便是正、負(fù)交替的交變電流，如圖2.12所示。</p><

75、;p>　　圖2.12 單極性調(diào)制工作特點(diǎn)</p><p>　　雙極性SPWM控制技術(shù)</p><p>　　雙極性調(diào)制技術(shù)與單極性相同，只是功率開(kāi)關(guān)器件通斷情況不一樣。圖2.13繪出了三相雙極式的正弦脈寬調(diào)制波形。當(dāng)A相調(diào)制波uA>ut時(shí)，V1導(dǎo)通，V2關(guān)斷，使負(fù)載上的相電壓為UA=+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

76、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(jiàn)圖2.13(b)；當(dāng)uA<ut時(shí)，V1關(guān)斷而V2導(dǎo)通，則UA=－U/2。)所以A相電壓UA是以+U/2和-U/2為幅值作正、負(fù)跳變的脈沖波形。同理，圖2.13(c)的UB是由V3和V4交替導(dǎo)通得到的，圖2.13(d)的UC是由V5和V6交替導(dǎo)通得到的。由UA和UB相減，可得逆變器輸出線(xiàn)電壓波形UAB[圖2.13(e)]。UAB的脈沖幅值為+U和－U。盡管相電壓是雙極性的，但是合

77、成后的線(xiàn)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。</p><p>　　圖2.13 雙極性SPWM逆變器三相輸出波形</p><p>　　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(guò)負(fù)載Z的電流是按線(xiàn)電壓規(guī)律變化的交變電流，如圖2.14所示：</p><p>　　圖2.14雙極性

78、調(diào)制工作特點(diǎn)</p><p><b>　　SPWM的調(diào)制方式</b></p><p>　　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。圖2.15是通過(guò)電動(dòng)機(jī)繞組的SPWM電流波形。顯然，它僅僅是通過(guò)電動(dòng)機(jī)繞組濾波后的近似正弦波。圖中給出了載波在不同頻率時(shí)的SPWM電流波形，可見(jiàn)載波頻率越高，諧波波幅越小，SPWM波形越好。因此希望

79、提高載波頻率來(lái)減小諧波。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(tīng)覺(jué)范圍之外，產(chǎn)生“靜音”的效果。但是，提高載波的頻率要受逆變開(kāi)關(guān)管的最高開(kāi)關(guān)頻率限制，而且也形成對(duì)周?chē)娐返母蓴_源。</p><p>　　圖2.15 SPWM電流波形</p><p>　　SPWM的調(diào)制方式有三種：同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段同步調(diào)制。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(chēng)為載波頻率比。

80、在變頻過(guò)程中，即調(diào)制信號(hào)周期變化過(guò)程中，載波個(gè)數(shù)不變的調(diào)制稱(chēng)為同步調(diào)制，載波個(gè)數(shù)相應(yīng)變化的調(diào)制稱(chēng)為異步調(diào)制。</p><p><b>　　(1)同步調(diào)制</b></p><p>　　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。對(duì)于三相系統(tǒng)，為了保證三相之間對(duì)稱(chēng)，互差120°相位角，通常取載波頻率為3的整數(shù)倍。而且，為了雙

81、極性調(diào)制時(shí)每相波形正負(fù)波形對(duì)稱(chēng)，上述倍數(shù)必須是奇數(shù)，這樣在信號(hào)波180°處，載波的正負(fù)半周恰好分布在180°處的左右兩側(cè)。由于波形的左右對(duì)稱(chēng)，這就不會(huì)出現(xiàn)偶次諧波問(wèn)題。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，此時(shí)載波的邊頻帶靠近信號(hào)波，容易干擾基波頻域。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。</p>

82、;<p><b>　　(2)異步調(diào)制</b></p><p>　　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。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。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

83、的波形其相位也會(huì)發(fā)生變化，很難保持三相輸出的對(duì)稱(chēng)關(guān)系，因此會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的工作不穩(wěn)定。</p><p><b>　　(3)分段同步調(diào)制</b></p><p>　　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(lái)，組成分段同步調(diào)制方式。分段同步調(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(duì)稱(chēng)的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)頻率降低較多時(shí)，使載波比分段有級(jí)的增加，這樣就利用了異步

84、調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。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。</p><p>　　通用變頻器的硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　通用變頻器的總體設(shè)計(jì)</p><p>　　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

85、路組成，其總體設(shè)計(jì)圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 基于DSP的通用變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖</p><p>　　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。其工作原理是把單相交流電壓通過(guò)不可控整流模塊變?yōu)橹绷麟妷?，整流后的脈動(dòng)電壓再經(jīng)過(guò)大電容C1，C2平滑后成為穩(wěn)定的直流電壓。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)

86、的三相交流電，提供給電機(jī)。</p><p>　　系統(tǒng)保護(hù)電路包括過(guò)壓、欠壓保護(hù)、限流啟動(dòng)、IPM故障保護(hù)與泵升控制等。過(guò)壓、欠壓保護(hù)是利用電阻分壓采集母線(xiàn)電壓，與規(guī)定值相比較；限流啟動(dòng)是由于開(kāi)啟主回路時(shí)，大電容充電瞬間引起的電流過(guò)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(guò)電流保

87、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(guò)熱保護(hù)。把上述各種故障信號(hào)進(jìn)行綜合處理后形成總的故障信號(hào)送入DSP(TMS320LF2407A)的PDPINTA故障中斷入口，進(jìn)而封鎖DSP的PWM波輸出。</p><p>　　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。最小系統(tǒng)由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

88、成，仿真接口JTAG電路是為了實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)仿真，同時(shí)在調(diào)試過(guò)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(hào)和主電路的強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行可靠隔離。</p><p><b>　　主電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　主電路原理圖如圖3.2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。主

89、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(jí)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。逆變部分通過(guò)功率器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出交變的</p><p>　　圖3.2 主電路原理圖</p><p>　　脈沖電壓序列。由于功率器件開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生電壓尖脈沖，因此需要吸收電路來(lái)消除該尖峰。圖中C5為C型吸收電

90、路，R6到R11和C6到C11組成RC型吸收電路。發(fā)光二極管DS1用來(lái)顯示濾波電容兩端的電量。</p><p>　　下面詳細(xì)介紹各個(gè)部分電路及元件參數(shù)。(被控電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：△聯(lián)接，額定功率為PN=60W，額定電壓UN=220V，額定電流IN=0.28A，額定頻率fN=50Hz，額定轉(zhuǎn)速nN=1400r/min。)</p><p><b>　　整流電路</b></

91、p><p>　　整流電路由4個(gè)整流二極管組成單相不可控整流橋，它們將電源的單相交流全波整流成直流。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。小功率的，輸入電源多用220V，整流電路為單相全波整流橋；大功率的，一般用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。本設(shè)計(jì)采用的是單相整流橋。</p><p>　　整流二極管的計(jì)算，通過(guò)二極管的峰值電流：</p><p>　　I

92、M=IN==A (3.1)</p><p>　　流過(guò)二極管電流的有效值：</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p><b>　　二極管電流定額：</b></p><p>　　In=(2~3)I

93、d=1.12~1.68A (3.3)</p><p>　　考慮濾波電容的充電電流影響，要有更大的電流裕量，選用In=10A。整流二極管的電壓定額：</p><p><b>　　Un=Um</b></p><p><b>　　=<

94、/b></p><p>　　= (3.4)</p><p>　　選用Un=1000V。根據(jù)上面計(jì)算的電壓和電流以及市場(chǎng)價(jià)格和供貨情況，實(shí)際選用的單相整流橋?yàn)?0A，1000V。</p><p><b>　　濾波電路</b></p

95、><p>　　在整流電路中輸出電壓是脈動(dòng)的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動(dòng)電流和負(fù)載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動(dòng)，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。這里采用常用的電容濾波電路，在整流輸出端并入大電容，整流輸出直流電壓含有很多偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，分流作用越大，諧波被濾除的就越多，輸出電壓的平均值就越大。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

96、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(dòng)機(jī)提供必要的無(wú)功功率。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大，起到儲(chǔ)能作用，所以中間直流電路的電容器又稱(chēng)儲(chǔ)能電容器。</p><p>　　在沒(méi)有加入濾波電容時(shí)，單相整流橋輸出平均直流電壓為：</p><p><b>　　(3.5)</b></p><p>　　加上濾波電容后，Un的最高

97、電壓可達(dá)交流線(xiàn)電壓的峰值：</p><p><b>　　(3.6) </b></p><p>　　假設(shè)輸入電壓的波動(dòng)范圍為200V~240V，當(dāng)輸入電壓對(duì)應(yīng)240V的輸入，整流后的電壓為324V。又設(shè)電源功率因數(shù)為0.9，那么每一個(gè)周期，電容吸收的能量為：</p><p><b>　　(3.7)</b></p>

98、<p>　　式中為電機(jī)輸出功率，Upk為峰值電壓，Umin為最小交流輸入電壓?？紤]到紋波的需要，最小的交流輸入電壓應(yīng)該在200V以上，所以有：</p><p><b>　　(3.8)</b></p><p>　　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330μF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330μF

99、的電容。并聯(lián)在電容兩端的為均衡電阻，由于電容的各個(gè)參數(shù)不是完全相同，此均衡電阻使串聯(lián)的電容分壓相同，同時(shí)在電源關(guān)斷時(shí)，給電容提供一個(gè)放電回路，此電阻阻值選用47kΩ。</p><p><b>　　電源指示</b></p><p>　　發(fā)光二極管DS1除了表示電源是否接通以外，還有一個(gè)十分重要的功能，即在主電路切斷電源后，顯示濾波電容上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢。</

100、p><p>　　由于濾波電容的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行，如果濾波電容沒(méi)有快速放電的回路，其放電時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘。又由于濾波電容上的電壓較高，如電荷不放完，將對(duì)人身安全構(gòu)成威脅。</p><p><b>　　逆變電路</b></p><p>　　逆變電路的功率開(kāi)關(guān)器件選用的是以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為核心的智能

101、功率模塊(IPM)。IGBT是80年代出現(xiàn)的新一代復(fù)合型電力電子器件，它集合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，適合于高速、低功耗的場(chǎng)合，如電機(jī)控制，開(kāi)關(guān)電源等。IGBT具有耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)頻率高、導(dǎo)通電阻小、控制功率小等特點(diǎn)。而智能功率模塊(IPM)是將大功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路等集成在同一個(gè)模塊內(nèi)，是電力集成電路PIC的一種。目前的IPM一般采用IGBT作為大功率開(kāi)關(guān)器件。</p><p>　

102、　(1)IPM的主要特性</p><p>　　1)采用低飽和壓降，高開(kāi)關(guān)速度，內(nèi)設(shè)低損耗電流傳感器的IGBT功率器件。該電流傳感器是射極分流式采樣，電阻上流過(guò)的電流很小，且與開(kāi)關(guān)流過(guò)的大電流成確定比例關(guān)系，從而可代替一般要外接的電流互感器，如霍爾電流傳感器等檢測(cè)元件。同時(shí)飽合壓降和開(kāi)關(guān)速度之間的關(guān)系達(dá)到最優(yōu)化，具有足夠的安全工作區(qū)，能很好地滿(mǎn)足由控制IC給出的保護(hù)范圍。</p><p>　

103、　2)采用單電源邏輯電壓輸入優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)，實(shí)行RTC(實(shí)時(shí)邏輯柵區(qū))控制模式。以嚴(yán)密的時(shí)序邏輯監(jiān)控保護(hù)，可防止過(guò)電流、短路、過(guò)熱及欠電壓等故障發(fā)生。帶RC信號(hào)干擾抑制和電源干擾抑制。</p><p>　　3)IPM內(nèi)置各種保護(hù)功能。只要有一個(gè)保護(hù)電路起作用，IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路即關(guān)閉，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)，可送至DSP進(jìn)行相應(yīng)處理。</p><p>　　(2)IPM的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)<

104、;/p><p>　　IPM的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)如圖3.3所示，其基本結(jié)構(gòu)為IGBT單元組成的三相橋臂；</p><p>　　圖3.3 IPM內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　內(nèi)含續(xù)流二極管；內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和報(bào)警輸出電路。IPM管腳的功能如下表3.1所示：</p><p>　　表3.1 IPM各管腳功能表</p><p&

105、gt;<b>　　(3)IPM的選取</b></p><p>　　IGBT正反向峰值電壓為：</p><p>　　UM=== (3.9)</p><p>　　IGBT電壓定額為：</p><p><b>　　(3.10)&l

106、t;/b></p><p>　　式中： 1.5——安全裕量</p><p>　　1.2——考慮大電容濾波后的電感升高系數(shù)</p><p>　　IGBT通態(tài)峰值電流為：</p><p>　　IM=IN=×= (3.11)</p>&l

107、t;p>　　IGBT電流定額為：</p><p>　　IN=IM= (3.12)</p><p>　　式中：1.5——安全裕量</p><p>　　1.2——考慮電機(jī)的過(guò)載倍數(shù)</p><p>　　故可選用l0A/600V的IPM模塊，型

108、號(hào)為PM10CSJ060。</p><p><b>　　(4)續(xù)流電路</b></p><p>　　續(xù)流二極管的主要功能有：</p><p>　　1)電動(dòng)機(jī)的繞組是電感性的，其電流具有無(wú)功分量。續(xù)流二極管為無(wú)功電流返回直流電源提供“通道”。</p><p>　　2)當(dāng)頻率下降、電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，再生電流將通過(guò)續(xù)流二極

109、管返回直流回路。</p><p>　　3)IGBT(Q1~Q6)進(jìn)行逆變的基本工作過(guò)程：同一橋臂的兩個(gè)逆變管，處于不停的交替導(dǎo)通和截止的狀態(tài)。在這交替導(dǎo)通和截止的換相過(guò)程中，也不時(shí)地需要續(xù)流二極管提供通路。</p><p>　　(5)IPM逆變器開(kāi)關(guān)頻率的確定</p><p>　　在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，采用SPWM逆變電路可以大大降低逆變電路輸出電壓的諧波，使逆變電路的

110、輸出電流接近正弦波。諧波的減少取決于逆變電路功率元件的開(kāi)關(guān)頻率，而開(kāi)關(guān)頻率則受器件開(kāi)關(guān)時(shí)間的限制。</p><p>　　盡管智能功率模塊IPM的開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)10~20kHz，但在確定逆變電路開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，除了應(yīng)使逆變電路輸出接近正弦波，還要考慮器件的開(kāi)關(guān)損耗，以保證變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較高的效率。因此，必須全面衡量后再確定采用IPM的逆變電路的開(kāi)關(guān)頻率。本系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率選用1.8kHz。</p><p

111、>　　以IPM為功率器件的驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　IPM逆變驅(qū)動(dòng)接口電路如圖3.4所示(上橋臂只以U相為例)。</p><p><b>　　(1)驅(qū)動(dòng)電源</b></p><p>　　1)當(dāng)控制信號(hào)(柵極驅(qū)動(dòng))與主電流共用一個(gè)電流路徑時(shí)，由于主回路有很高的di/dt，至使在具有寄生電感的功率回路產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而導(dǎo)致可能感應(yīng)到柵極把本