高频变频器设计研究

最新【精品】范文 参考文献 专业论文高频变频器设计研究高频变频器设计研究 摘要：随着现代科学技术的发展，异步电动机的变频调速在工业加工领域的应用越来越广泛。在一些特殊领域需要高速、高精度加工装置，高频变频器是其关键部分之一。 目前的高输出频率变频器主要是应用软开关技术和PWM技术，以达到比较高的输出频率。本文通过对PWM技术进行分析，并分析其优缺点最终设计一种实用、可靠的高输出频率变频器。 关键词：变频器；高输出频率；PWM控制 中图分类号： TN773 文献标识码： A 文章编号： 1.高频变频器的研究意义和背景 随着半导体技术，自动控制技术，计算机（微处理器）技术和电磁技术的高速发展，由于一些特殊加工有高速和高精度的要求，所以生产制造业中需要应用一些高频变频器以完成一些特殊加工。但是目前的高频变频器的输出频率只能达到2000Hz，这些变频器已经不能满足特殊加工的需求4。 2. 基于PWM的高频变频器的原理分析和仿真 2.1.1 基于PWM的高频变频器的主电路分析 在本文中假定变频器的输入是25Kv，60Hz的三相交流电，经过变压后得到600V的三相交流电。此三相电再经过整流得到直流电，此直流电经过三相PWM逆变，就能得到所需的高频率交流电。 2.1.2 PWM逆变电路具体工作原理分析 图2-1为PWM逆变电路。 图2-1三相PWM逆变电路 在图2-1中U,V,W三相的PWM控制公用一个三角波载波 ，三相调制信号 ， 和 依次相差 。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同，现以U相为例来说明。当 时，给上臂V1以导通信号，给下臂V4以关断信号，则U相相对于直流电源假象中点 的输出电压 ,当 时，给V4以导通信号，给V1以关断信号，则 。V1和V4的驱动信号始终是互补的1。当给V1（V4）加导通信号时，可能是V1（V4）导通，也可能是VD1（VD4）导通续流导通，这要由阻感负载中电流方向来决定，这和单相桥式PWM型逆变电路在双极性控制时的情况相同3。V相和W相得控制方式都和U相相同。可以看出， 、 和 的PWM波形都只有 两种电平。可知，当臂1和臂6导通时， ，当臂3和臂4，导通时 ，当臂1和3或臂4和6导通时， ，因此逆变器的输出线电压由 和0三种电平构成2。由下式求得： 4 所以负载相电压PWM波形是由 、 和0共5种电平构成。这就是用调制法产生的PWM波形1。 图2-1就是双极性PWM逆变电路的控制波形。值得注意的是因为在三相PWM逆变电路中公用一个载波，且三个调制波频率相等，经研究取载波比为3的整数倍时，输出波形较好。 由以上分析可知PWM逆变器的输出频率其实决定于PWM发生器的调制波频率。因为公用一个载波，所以只要改变调制波的频率就可相应的改变输出电压的频率。 2.1.3PWM逆变电路控制电路的介绍 本文中所选用的控制方法是双极性PWM调制技术，其中PWM发生器可以运用DSP设计，在此不予讨论。以下PWM发生器均为理想的PWM发生器2。 2.2基于PWM逆变电路的高频变频器的simlink仿真 2.2.1仿真过程 在simlink中的高频变频器的仿真中由于IGBT的开关频率最高可在20kHz，所以暂且设定PWM发生器的载波频率为20kHz。现在分别研究PWM发生器的调制波在不同频率下逆变器输出相电压和经滤波后的相电压的波形（500Hz5000Hz条件下）。 当运行时间为0.05s。载波频率为20kHz，调制波频率在500Hz时，逆变器输出相电压的波形滤波效果就会不是很好，可能与滤波器的参数设定有关。 逆变器的输出波形符合双极性调制PWM的输出相电压波形。而且因为其在一个波头内的脉冲数很多，可以断定该输出经滤波后会有很好的波形。 当运行时间为0.05s。载波频率为1.5kHz，调制波频率在500Hz。也就是载波比等于临界值3时的波形。 从逆变器的输出可以很明显的看出此波形比载波为20kHz是的波形差，滤波后的波形出现毛刺，谐波作用明显，因此可以应征载波比相对的大一些对变频器的输出有很大的改善。 当运行时间为0.05s，载波频率为20kHz，调制波频率在2000Hz时载波频率为20kHz，调制波频率在2000Hz时变频器输出（经滤波）的波形很不错。 当运行时间为0.05s，载波频率为20kHz，调制波频率在5000Hz时的输出波形因为该状态当载波比等于4时，逆变组输出的一个波头仅有4个窄脉冲组成，必然含有明显的谐波，所以变频器在这种参数下的输出不能用于变频调速系统。 2.2.2.仿真结果分析 因为IGBT的工作频率在20kHz左右，当载波频率超过20kHz时IGBT将工作在不安全的状态，同时我们又知道在PWM逆变器中载波比越大输出的波形谐波越小，所以经仿真分析，发现当载波频率固定在20kHz，而输出频率（即调制波频率）大于2kHz时波形无法满足要求，所以急需一种方法来满足变频器在2kHz-5kHz之间输出。采用通过PAM/PWM控制；结合两种开关器件的优点，可以解决IGBT开关频率不够高的问题，且在闭环调速时对可电压进行PAM调节，能满足交流变频调速的许多要求。尤其是变频器输出在高频（2kHz-5kHz）时。 2.3基于PAM/PWM控制的高频变频器的原理分析 2.3.1基于PAM/PWM控制的高频变频器的电路分析 基于PAM/PWM控制的高频变频器的逆变组结构图如下2-2： 图2-2基于PAM/PWM控制的高频变频器的逆变组结构图 可以看出此电路有两组变换桥。第一组变换桥用MOSFET作为开关元件，充分运用MOSFET的高开关频率对整流输出的直流电做直流变换，将整流输出的直流电变换为如图3-20所示的等效直流电，这样可以解决第二组逆变桥的开关器件IGBT的开关频率不够高的缺点。第二组逆变桥以IGBT为开关器件，并用使用一个6脉波脉冲发生器对IGBT逆变电路进行1800导通控制。此时第二个逆变器的基本工作方式就是1800导通方式，即每个桥臂的导电角度为1800，同一相上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差1200。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。 2.3.2 仿真结果分析 从仿真结果来看，本方案完全可以胜任变频器在高频（2kHz-5kHz）时的要求。此外，如果是闭环调速，在第一组逆变桥后可以通过添加一斩波电路，从而实现PAM控制。考虑到低频段时，由于PAM控制方式会产生较严重的谐波分量影响，脉动现象会较为严重。所以变频器分为高频和低频两部分，当要求的输出频率高于2000Hz时启用基于PAM的高频变频器，当要求输出频率低于2000Hz时启用基于PWM的高频变频器。 3.结论 通过利用Matlab/simlink仿真环境对PWM调制的逆变器的各个环节进行了进行了详细的仿真研究。并根据到IGBT和MOSFET两种开关元件的特点，最终设计出了采用PAM/PWM混合方式的调制技术一种变频器。这种变频器分为高频和低频两种方式运行，充分利用了两种开关元件的特点，最终达到了5000Hz的输出频率要求。 参考文献 1王水平.MOSFET / IGBT 驱动集成电路及应用M. 北京人民邮电出版社.2009.5. 20