（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp变频调速硬件电路设计.pdf

一 s u m m a r y - t h ev a r i a b l es p e e dc a l lb ed i v i d e di n t ot w oi m p o r t a n tp a r t s ：s o f td e s i g na n d h a r d w a r ed e s i g n t h ed e s i g nf i r s t l ye x p l a i n st h eb a s i ct e c h n i q u e s o ft h ev a r i a b l e s p e e d ，t h et h e o r ya n dm e t h o do ft h es p w m t h e nt h em a j o rh a r d w a r ec i r c u i ti s i n t r o d u c e d ，e s p e c i l l yt m s 3 2 0 f 2 8 1 2a n di p m t h ec a l c u l a t i o na b o u tp a r a m e t e ri s m a d ei nt h em a j o rc i r c u i t a tt h es a m et i m et h es e c u r i t yo ft h ec i r c u i tw a se q u i p p e d d s pw a sr e g a r d e da st h ec o n t r o l l e rc o r eo ft h es p w m w ee s t a b l i s has y s t e mm o d e l w h i c hc o n t r o ls y s t e ms p e e do p e na n dc l o s el o o pw i t hs p w m ，w es i m u l a t ea n da n a l y z e t h ec o n t r o ls y s t e mt h r o u g hm a t l a b t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a ti ti sa h i g hv a l u et op o p u l a r i z ea n da p p l yt h ec o n t r o l l i n gs y s t e m f i n a l l yt h ed e s i g na l s o g a v et h ef l o wc h a r ta b o u tt h es o f td e s i g n k e yw o r d ： v a r i b l e f r e q e n c ya d j u s t i n gs p e e d ，i p m ，s p w m p o w e r s u p p l y m o d u l e t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ， 5 贵州大学硕士学位论文 附：学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：也是垒 e l 期： 2q q 涩生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 丈的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：德题导师签名：鞋日霸： 贵州大学硕士学位论文 第一章交流调速的发展 1 1 交流调速的意义 电动机及其控制在国民经济中起着重要作用。无论是在工农业生产、运输、国防宇航、 医疗卫生、商务与办公设施还是日常生活中的家用电器，都广泛地使用各种各样的电动机。 电动机是电能应用的主要形式，是应用最广泛到机械能的变换装置，世界上超过6 0 的发电 量用于驱动各种各样的以电动机的为基础的电力传动装置与系统。其中许多的机械有着调速 的要求，如车辆、机床、造纸机械、纺织机械等等。另一类设备如风机、水泵等节约电能也 需要调速。为了减少运行的损耗，满足生产工艺等要求为目的，需要对电动机进行调速控制。 鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速系统一般采用直流电动机。在过去， 直流电动机调速系统占据主导地位。但是直流电动机本身在机构上存在严重的问题，它的机 械接触式换向器不但结构复杂、制造复杂、生产周期长、价格昂贵；而且运行中容易产生火 花，以及更换机械强度不高，电刷易于磨损等，在运行中需要有经常性的维护，同时对环境 的要求也比较高，不能使用于化工、矿山等周围环境中，如有粉尘、腐体和易燃、易爆气体 的场合：即便应用在车辆牵引上，也感到维护检修不便，特别是由于换向问题的存在，直流 电动机无法做成高速大容量的机组，目前高速直流电动机所能做到的最大容量只有4 0 0 千瓦 左右，低速的也只能做到几千千瓦，容量较大的直流电机往往要做成双电枢，远远不能适应 现代生产向高速大容量化发展的要求。众所周知，直流他励电动机是一种控制性能非常优越 的电动机，因为于几何中性线上，电机的励磁回路所产生的励磁电流与电枢回路所产生的电 枢电流在空间是相互垂直的。若不考虑磁路饱和的影响，它们之间没有耦合关系，互不影响， 可以分别独立进行调节，所以它调速方便，只要改变电机的输入电压电流，就可以在宽广的 范围内实现无级调速，而且在磁场一定的条件下它和电枢电流成正比，它的转矩易于控制， 因此直流电动机调速系统比较容易得到良好的动态特性，所以过去直流电动机调速系统一直 在变速传动领域中占主导地位。而交流电机早在十九世纪八十年代中期就己问世，由于它具 有消耗原料少、制造成本低、结构牢固、运行安全可靠、环境适应性强以及易于向高压、高 速度和大容量方向发展等特点，迅速得到广泛的应用。这种所谓的不变速系统是指交流电机 本身不进行调速，而为了达到对整个系统的控制又不得不采用其它的措施进行调速，从而白 自消耗了大量的电能。这样，如何从本质上改变交流电机调速控制特性，使之具有直流电机 1 贵州大学硕士学位论文 的调速性能，便成为近几十年来电气传动研究工作者努力研究的主要课题之一。 交流调速系统具有以下几个主要优点：交流电动机的价格远低于直流电动机，而且结构 简单、重量轻、制造方便、坚固耐用、可靠性和运行效率高，不易出故障，维修工作量小； 使用场合没有限制，在恶劣的甚至是含有易燃易爆性气体的环境中安全运行；单机容量远大 于直流电动机。正是由于交流电动机的这种优势，使它在电力拖动系统中的应用范围比直流 电动机要广泛得多，约占整个电力拖动总容量的8 0 以上。在整个电机调速中有重要的地位。 而制约交流调速发展的重要原因是，交流电机是高阶、多变量、强耦合、非线性系统，与直 流电机相比，转矩难于控制。 交流变频调速技术是集电力电子技术、微电子技术、电机学及自动控制于一身的一项 技术高度发展的产物，它是通过改变电动机定子供电频率来控制转速，从而实现交流电动 机调速的一种方法。交流变频调速以其调速范围广，平滑性好，具有优良的动静态特性， 显著的节能效果和广泛的适用性被公认为应用性好、效率高，是理想的电气传动方案。随 着电力电子学与电子技术的发展，新型电力电子器件不断涌现，微处理器的进步，使得采 用半导体交流技术的交流调速系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的 发展，以及现代控制理论的不断创新，为交流电力传动的开发创造了有利条件，使得交流 电力传动加宽了调速范围、提高了稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行的技 术性能。随着各种功率半导体开关器件的相继问世，使得长期阻碍变频技术推广应用的关 键问题一如何构成经济、可靠的高性能大功率变频器得到解决，从而使变频调速方式在工 业应用中显示出强大的生命力。近年来，随着数字化控制的变频调速系统获得巨大发展， 先进的控制理论( 如磁场定向矢量控制、直接转矩控制) 被广泛应用，变频装置中的电器件 如i g b t 、i g c t 等性能大大提高，同时核心控制计算机从1 6 位机发展到普遍使用高速数字 信号处理器( d s p ) ，来进行复杂的控制算法运算，快速运算和高精度控制。现代的数字化控 制变频调速系统噪声大大降低，耗电大幅度减少，并且可以得到良好的电流波形，从而使 系统更加可靠。同时调速范围、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率和 使用性等方面都是不可比拟的。目前全数字化控制变频调速电流响应可达到0 卜0 7 m s ， 速度响应可达到2 - 4m s ，足以满足传动领域当前的需要。交流调速系统发生了质的飞跃， 逐步取代直流调速系统，成为主要的传动装置，现代高速列车、地铁、电动汽车都采用了 交流调速系统。 2 贵州大学硕士学位论文 1 2 电力电子技术 变频技术是建立在电力电子技术基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中，应用 最多的功率器件有g t o 、g t r 、i g b t 以及智能模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) ，后面 两种集g t r 的低饱和电压特性和m o s f e t 的高频开关特性于一体，是目前变频系统和通用变 频器中最广泛使用的主流功率器件。i g b t 作为第二代的电力电子器件，它的应用使变频器 的性能有了很大的提高，主要表现为： 发热减少，将曾占主回路发热5 0 7 0 的器件发热降低了3 0 ： 高载波控制，使输出电流波形有明显改善： 提高开关频率，实现了电机运行的静音化： 驱动功率减少，体积趋于更小； 智能功率模块( i p m ) 是向第四代器件功率集成电路( p i c ) 的过渡产品，是微电子技术和 电力电子技术相结合的产物。它不但提供一定功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、 检测、保护和自诊断等功能。i p m 具有以下特点： 开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单； 采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑； 集成度高，它集成了驱动电路、保护电路甚至光耦，大大缩短开发时间： 内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功率 芯片给予足够的保护，故障率大大降低； 保护功能丰富，如电流保护、电压保护、温度保护等一应俱全，实现了 信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减小了体积、减轻 了重量，又提高了可靠性； 由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌 电压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能有效得到控制； 很高的性能价格比，i p m 的售价已逐渐接近i g b t ，而采用i p m 后的开关 电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素 3 贵州大学硕士学位论文 后在许多场合其性价比己高过i g b t ，有很好的经济性； 目前i p m 己经在工业变频器( 中、小功率) 中被大量采用，随着技术的不断改进，i p m 的功率也越来越大。同时经济型的i p m 在近年内也开始在一些民用品如家用空调变频器、 冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。i p m 也在向更高的水平发展。日本三菱电机最近 开发的专用智能模块a s t p m 将不需要外接光耦，通过内部自举电路可单电源供电并采用了 低电感的封装技术，在实现系统小型化、专用化、高性能、低成本方面又推进了一步。 1 3 国内外交流调速的现状 1 3 1 国外现状： 在大功率交一交变频调速技术方面，法国阿尔斯通己能提供单机容量达3 万h 的电气 传动设备用于船舶推进系统。在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利a b b 公司 提供了单机容量为6 万h 的设备用于抽水蓄能电站。在中功率变频调速技术方面，德国西 门子公司s i m o v e r t a 电流型晶闸管变频调速设备单机容量为1 0 2 6 0 0 k v a 和 s i v e r t p g t o p w m 变频调速设备单机容量为1 0 0 9 0 0 k r a ，其控制系统己实现全数字化， 用于电力机车、风机、水泵传动。在小功率交流变频调速技术方面，日本富士b j t 变频器 最大单机容量可达7 0 0 k v a ，i g b t 变频器己形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。 同时国外交流变频调速技术高速发展有以下特点： 1 )市场的大量需求。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频 器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以 及风机、水泵等的节能场合，已取得显著的经济效益。 2 )功率器件的发展。近年来高电压、大电流的s c r 、g t o 、i g b t 、i g c t 等器件 的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高低压、大功率变频器产品的生 产及应用成为现实。 3 ) 控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制 等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础：1 6 位、3 2 位高速微处 理器以及信号处理器( d s p ) 和专用集成电路( a s i c ) 技术的快速发展，为实现 变频器高精度、多功能提供了硬件手段。 4 贵州大学硕士学位论文 4 )基础工业和各种制造业的高速发展，交频器相关配套件社会化、专业化生产。 1 3 2 国内现状 从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距1 0 一1 5 年。在大功率交一 交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系 统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、 大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大需求。在中小功率变频技术方面， 国内学者作了大量的变频理论的基础研究，早在8 0 年代，已经成功引进了矢量控制的理论， 针对交流电机具有多变量、强耦合、非线性的特点，采用了线性解耦和非线性解耦的方法， 探讨交流电机变频调速的控制策略。进入9 0 年代，随着高性能单片机和数字信号处理器的 使用，国内学者紧跟国外最新控制策略，针对交流感应电机特点，采用高次谐波注入s p w m 和空间磁通矢量p 删等方法，控制算法采用模糊控制、神经网络理论对感应电机转子电阻、 磁链和转矩进行在线观测，在实现无速度传感器交流变频调速系统的研究上作了大量有益 基础研究。在新型电力电子器件应用方面，由于g t r 、g t o 、i g b t 、i p m 等全控器件的使用， 使得中小功率的变流主电路大大简化，大功率s c r 、g t o 、i g b t 、i g c t 等器件的并联、串联 技术应用，使高电压、大电流变频器产品的生产及应用成为现实。在控制器件方面，实现 了从1 6 位单片机到3 2 位d s p 的应用。国内学者并一直致力于变频调速新型控制策略的研 究，但由于半导体功率器件和d s p 等器件依赖进口，使得变频器的制造成本较高，无法形 成产业化，与国外的知名品牌相抗衡。国内几乎所有的产品都是普通的v f 控制，仅有少 量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口高性能的变频器。 国内交流变频调速技术产业状况表现如下。 a ) 变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力但由于力量 分散，并没有形成定的技术和生产规模。 b )变频器产品所用半导体功率器件的制造业还不成熟。 c )相关配套产业及行业落后。 d )产销量少，可靠性及工艺水平不高。产销量少，可靠性及工艺水平不高。 5 贵州大学硕士学位论文 1 4 论文的来源 永青示仪电科技有限公司所使用的变频器均采用外购。外购的变频器本身的价格比较 高。他们希望有一套具有知识产权的变频器。鉴于此，本人与该厂技术人员合作共同开发和 设计。设计计划分为三大部分：第一是设计系统主结构，第二是结构工艺的设计，第三是采 购各个系部分元件组成变频器并调试产品。 1 5 论文的设计任务 本论文就是从设计系统主结构为出发点，重点分析变频调速系统的主要组成模块，各 个模块的选型，以及设计变频调速系统。最后利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具对各个模块进 行仿真。在开环控制系统得基础上进行仿真，然后设计p i 控制器并组成闭环控制系统的仿 真，进而验证变频调速硬件电路的设计的正确性和可行性。本设计是以实验室现有的交流异 步电动机为样机的，但变频系统设计适合各种异步电动机。 1 6 变频调速系统指标 控制系统的稳定性一般从系统的稳态和动态性能指标上衡量。本设计系统需要完成的稳 态性能指标为：d ；1 0 ，s 一0 0 5 ，系统需要完成的动态性能指标为：盯= ( 3 5 ) ，上 升时间t - 2 3 s 。 1 7 控制方案的选择 交一交变频一般只用于低转速、大容量的调速系统，本设计选择交一直一交变频装置。系 统选用不可控整流桥来提高功率因数。电流型交直交一般只用于要求频繁加减速的大容量电 机传动，而且电压型逆变器能使直流电压波形比较平直。因此逆变器设计选用电压型逆变器， 采用s p i n t 逆变技术。 6 贵州大学硕士学位论文 第二章变频调速的基本原理与方法 2 1 异步电动机调速原理概述 在进行电机调速时，首先要考虑的一个重要因素，总是希望保持每极磁通量中用为额 定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又 会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机， 励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持中历不变是很容易做到的。而对于 交流电机，它只有一个供电回路，一个定子绕组，磁通是定子和转子磁动势合成产生的，这 就使得它的控制比较困难。 三相异步电机定子每相电动势的有效值是： 易z 4 4 4 五1 r 1 西用 ( 2 1 ) 式中国气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为v ； 矗一定子频率，单位为日：； 1 一定子每相绕组串联匝数； h 。一基波绕组系数； m 。一每极气隙磁通量肋； 由式( 2 一1 ) 可知，只要适当控制和五，便可达到控制磁通巾。的目的，在确保中。不 变的情况下，分两种情况考虑： 1 ) 基频以下调速 由式( 2 一1 ) 可知，要保持。不变，当频率六从额定值凡向下调节时，必须同时降低 融，使等一， 即采用恒定的电动势频率比的控制方式。 然而，绕组中的感应是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁 阻抗压降，认为定子相电压u 1 一e g ，于是可得到： 贵州大学硕士学位论文 鲁 这是恒压频比的控制方式。 低频时，q 和t 都很小，定子阻抗压降所占的分量比较显著，不可再忽略，这时可以 采取将电压u 曲线向上抬高的措施，以便补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制 特性如图2 1 中的曲线i i 所示，无补偿的控制特性为曲线i 。 田2 一l 恒压瓤比控制特性 i 一无补偿一带定子压降朴偿 2 ) 基频以上调速 u1 i j l n f l nft 蟹2 2 异步电机变压变频调邃控辑特性 在基频以上调速时，频率可以从五往上增高，但电压u 却不能增加到比额定电压u 1 还要大，最多只能保持与uz 。由式( 2 1 ) 知，磁通将随着的五增加而成反比例降低， 相当于直流电机的弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得到图( 2 - 2 ) 所示的异步电机变压交频调 控制特性。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运 行，这时转矩基本上随磁通变化，根据电机原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属 于“恒转矩调速”的性质，在基频以上，转速升高时，转矩降低，基本上属于“恒功率调速” 【3 】 2 2 变频调速装置分类 如上节讨论，对于异步电机的变压变频调速，必须提供能够同时改变电压和频率的交流 电源。现有的交流电源式恒压恒频的，因此，必须配备变压变频装置，( 通称v v v f 装置) 。 最早的v w f 装置是旋转变频机组，现在的控制方式表明，为满足变频调速的要求，必须同 8 贵州大学硕士学位论文 时改变电源的电压和频率。现有的交流供电电源都是恒压恒频的，因此，必须通过变频装置 获得变压变频的电源，这样的装置称为静止式变频装置。 静止式变频装置从结构上分为间接变频和直接变频两类。间接变频装置的变频原理是先 将工频交流电源通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流，因 此又称有中间直流环节的变频装置。直接变频装置的变频原理则将工频交流一次变换成可控 频率的交流，没有中间环节。目前，在实际中应用较多的是间接变频装置。 1 )间接变频装置( 交一直一交变频装置) 5 0 h i 凸i c d c 整 逆 流 爿k 夏 5 0 h 1 e 2 - 3 问接变频装置( 交一直一交交频装置) i lc i i c ) ) 交一交变频 图2 4 直接( 交一交) 变频装置 间接变频装置的变频原理如图2 - 3 所示，此类装置按照不同的控制方式可分为三类： a ) 用可控整流器调压、用逆变器调频的变频装置( 采用p a m 调制方式) ，此类变频装 置结构简单，控制方便。这种控制方式中，由于输入和输出分别在两个环节上进 行，两者需要在控制电路上协调配合，由于输入环节采用可控整流器，当电压和 频率调得很低时，电网侧功率因数较低，输出环节多用由晶闸管组成的三相六拍 逆变器，输出谐波较大。 b )用不可控整流器整流、斩波器调压、再用逆变器调频的交一直一交变频装置( 仍采 用p a m 调制方式) ，此整流器不调压，单独设置斩波器，用脉宽调压，调压时输入 功率因数不变，但还有交大的谐波输出。 c ) 用不可控整流器整流、脉宽调制逆变器同时调压和调频的交一直一交变频装置功 率因数提高( 采用p 删调制方式) ，这种控制方式中，用不可控整流，功率因数提 高，用p w m 逆变，谐波减小，谐波减小的程度取决于开关的频率，而开关频率受 9 贵州大学硕士学位论文 器件开关时间的限制，它是当前最有发展前途的一种装置。 2 ) 直接变压变频装置( 交一交变压变频装置) 它只有一个变换环节( 如图2 - 4 所示) ，其输出的每一相都是一个两组晶闸管整流 装置反并联的可逆线路。正、反两组按一定周期相互切换，在负载上获得交变的输出 电压。输出电压的幅值取决于两组整流装置的控制角，输出电压的频率取决于两组的 切换频率。如果控制角保持不变，则输出的平均电压为方波，要想得到正弦波输出， 就必须在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。其突出的优点是：它的变换中间 环节少，变换效率高，缺点是最高输出频率不超过电网频率的i 3 1 2 。因此调速范 围受到限制，交一交变频一般只用于低转速、大容量的调速系统，如轧钢机、球磨机、 水泥回转窑等。这类机械用交一交变频装置供电的低速电机直接传动，可以省去庞大 的齿轮减速箱。 交一交变频和交一直一交变频从变频电源的性质上看，都可分为电压源变频器和电流 源变频器两大类。 + ud l 逆 c d 爿r 叉 器 l d l _ ，r ，r l 一 - 逆 b 7 依 又 器 f = l ) 电压源变频器b 电流源变频器 图2 5电压源和电流源交一直一交变频器 1 )电压源变频器 对于交一直一交变频器，当中间直流环节主要采用大电容滤波时，直流电压波形比较平 直，在理想情况下是一种内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这种变频 器称为电压源变频器，或叫做电压型变频器( 图2 - 5a ) 。一般的交一交变频器虽然没有滤波 电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，因此也属于电压源变频器。根据输出端 电压和频率控制实现方式的不同，电压型变频器又可分为电压型p a m 变频器和电压型p w m 变频器。 电压型p a m 变频器的变频和变压有两个独立环节构成：逆变器只负责频率控制，整流 环节则通过控制中间直流环节的电压幅值来实现对变频器交流输出电压的控制。这种变频器 的缺点是它的输出电压波形一般为方波，谐波分量大，转矩脉动大；同时，电压控制一般采 用晶闸管相控整流，不仅使整个控制电路复杂，系统的可靠性相应降低，而且导致低电压输 1 0 贵州大学硕士学位论文 出时整流侧的功率因数低下而影响系统总的功率因数；此外，输出的电压和频率需要分别控 制，特别是可控整流响应时间的存在，影响了系统的动态响应速度。p a m 型变频器是高性能 电力电子开关器件成熟以前采用的变频实现方案。除了要求高压大容量的特定场合，现已很 少使用。 采用p w m 控制技术使逆变器能同时完成变频变压输出的电压型交直交变频器称为电压 型p 聊变频器。它具有如下特点： a )变频变压都由逆变器完成，因此p 删变频器整流环节一般采用二极管不控全波整 流，这样可以克服p a m 变频器网侧功率因数低下的缺点，同时变频器整体结构也 变得更加简单，可靠性提高。 b )采用了p 删高频开关控制，变频器输出电压电流谐波含量大幅减少，转矩脉动相 应较少，性能显著提高。 c ) p w m 变频器具有很高的器件开关频率，因此输出电流响应速度大大提高，为矢量控 制等高性能控制方式提供了必要的条件。 正是因为电压型p 删变频器具有以上这些优点，使得其在实际生产中得到广泛的应用。 现代变频调速系统中一般多采用电压型的p 聊的变频器。 2 )电流源变频器 当交一直一交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流回路中的电流波形比较 平直，对负载来说基本上是一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这种变频器叫做 电流源变频器，或称为电流型变频器( 图2 - 5 b ) 。有的交一交变频器用电抗将输出电流强制 成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，也是电流源变频器。电流型变频器的优点是通过直 流环节电压反向可以很方便把电机处于再生发电状态时反馈给电网，使电机很方便地实现四 象限工作而不需要其它附加环节。它的缺点是它的电压谐波比较大，会引起电机转矩脉动， 影响控制精度，而且直流环节大电感的存在，电流变化速度影响受到限制，影响了系统的动 态响应速度。目前电流型交直交一般只用于要求频繁加减速的大容量电机传动。 2 3p w m 脉宽调制技术简介 2 3 1p w m 脉宽调制技术 所谓p 咖脉宽调制技术，是用一种参考波( 通常是正弦波，有时也采用梯形波或注入零序 贵州大学硕士学位论文 谐波的正弦波或方波等) 为调制波，而以n 倍于调制波频率的三角波( 有时也用锯齿波) 为 载波进行波形比较，在调制波大于载波的部分产生一组幅值相等，而宽度正比于调制波的矩 形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把 直流电变成交流电，这种技术叫作脉宽调制逆变技术。由于载波三角波( 或锯齿波) 的上下 宽度是线性变化的，故这种调制方式也是线性的。当调制波为正弦波时，输出矩形脉冲序列 的脉冲宽度按正弦规律变化，这种调制技术通常又称为正弦脉宽调制技术。要改变等效输出 正弦波的幄值时，只要按照同一比例系数改变各个脉冲宽度即可。 p w m 波形可分为等幅p w m 波和不等幅p 删两种。由直流电源产生的p 删波通常是等幅p w m 波，由交流电源产生的p 聊波通常是不等幅的。不管是等幅p w m 波还是不等幅p 硼波，都是 基于面积等效原理进行控制的，因此其本质是相同的。 根据p 删控制的基本原理，如果给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内 的脉冲数，p t b ! 波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆变电 路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的p 删波形。这种方法称之为计算法。可以看出， 计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。 与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接收调制的信号作 为载波，同过信号波的调制得到所期望的p w m 波形。通常采用等腰三角形或锯齿波作为载波， 其中等腰三角形应用最多。因为等腰三角形上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右堆 成，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通 断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合p 嗍控制的要求，在调 制信号波为正弦波时，所得到的就是s p 删波形。正是因为调制法有这样的优点，所以实际 应用中的主要是调制法。 2 3 2s p w m 原理 s p w m 逆变器是脉宽调制是利用相当于基波分量的正弦波对三角波进行调制，达到输 出脉冲宽度的一种方法。如下图是三相s p w i - ! 调制波形，其中下图中a ，b ，c 三相正弦调制 波对三角波进行调制。图b ，c ，d 分别为电机输入端u ，v ， w 对直流电源中点0 的电位。 在数字化控制技术产生p 1 】y i 脉冲时，三角波实际上是不存在的，完全由软件硬件定时器代替 了，这样可以减小硬件投资，又能提高系统的可靠性。 s p w m 逆变器工作原理为：载波为三角波，参考信号波为正弦波( 它的频率即为调制输出 1 2 贵州大学硕士学位论文 频率) ，二者比较，取逻辑信号( 当信号波比三角波大时，为正逻辑；反之负逻辑) ，这样对 应产生等幅不等宽的脉冲信号。它的电压波形与正弦波形等效，即为s p l 】y m 波，如下图的a ， b ，c 所示。用这一系列脉冲列来驱动逆变器，使逆变器输出幅值为邑的相似的矩形波，此 波与正波近似等效。 一 i 脚 i 西 船h 圈，i 三相s p , t m 霸锈渡形 图2 6 正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波 矩形脉冲组成的波形与正弦波遵循等效原理。为了使逆变器的输出是一个正弦波，可 把一个正弦半波分作n 等份，把正弦曲线所包围的每一等份的面积都用一个与其面积相等的 等幅矩形脉冲来代替，如图2 - 7 所示。这样n 个等幅不等宽的矩形脉冲的波形与正弦半波等 效，而另半波也可用相同的方法等效。 是： u 丑2 - 7 单极式s p w m 电压波形 如上图2 - 7 即为所希望的逆变器输出。 s p e l l 逆变器的两个重要的性能参数，调制比( 也叫调制深度) m 和载波比，分别 1 3 贵州大学硕士学位论文 m 。坠 。五；丝；王 式中： 、，c ( 吐、t ) 一正弦波( 调制波) 信号的幅值和频率( 角频率、周期) 、f ( q 、霉) 一三角波( 载波) 信号的幅值和频率( 角频率、周期) 在s p b i 控制方式中，u s m 的值保持不变，m 值的改变通过改变u r n 来实现。改变参考信 号的频率疋时，可以改变输出基波的频率，当改变参考信号的幅值时，输出脉冲的宽度 随之改变，从而可以改变基波电压的大小。 2 3 3p w m 脉宽调制技术分类 在p w m 控制电路中，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，p 珊调制方式可分 为异步调制和同步调制两种。如果控制u ，使其频率、幅值协调变化，而三角载波恒定不 变，则可以完成变频器的c 厂厂控制，这是异步调制。或者改变参考信号矿频率，同时改 变三角载波的频率，并保持每周期输出的脉冲数不变，也可以改变基波的频率，这是同步调 制。 1 ) 异步调制 在异步调制方式中，通常保持载波频率五固定不变，因而当信号波频率f 变化时，载 波比是变化的。同时，在信号波的半个周期内，p b t 波的脉冲个数不固定，相位也不固 定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后l 4 周期的脉冲也不对称。 当信号波频率较低时，载波比较大，一周期内脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称 和半周期内前后1 4 周期脉冲不对称产生的不利影响都较小，p w m 波形接近正弦波。当信号 波频率增高时，载波比减小，以周期内脉冲数减小，p 嘲脉冲不对称的影响就差异变大。 对于三相p w m 型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差，因此在采用异步调制方式时，希 望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。 2 ) 同步调制 在基本同步调制方式中，信号波频率变化时载波比不变，信号波一个周期内输出的 1 4 贵州大学硕士学位论文 脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在三相p 删逆变电路中，通常共用一个三角波载波， 且取载波比为3 的整数倍，以使三相输出波形严格对成。同时，为使一相的p 删波正负半周 镜对称，应取奇数。 当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的载波频率也很低。过低时由调制带来 的谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。当逆变电路输出频率 很高时，同步调制时的载波频率无会过高，使开关器件难以承受。 3 ) 分段同步调制 为了扬长避短，可以将同步和异步调制结合起来，成为分段同步调制方法，即把逆变电 路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比为恒定，不同频段的载 波比不同。在输出频率高的频段采用较低的载波比，以使载波频率不致过高，限制在功率开 关器件允许的范围内。在输出频率低的频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对 负载产生不利影响。各频段的载波比取3 的整数倍且为奇数为宜，即在恒转矩区的低速段采 用异步调制，在恒功率区的高速段采用同步调制。但是在调制比k 值切换时可能出现电压 突变甚至振荡。 s p l n ! 可分单极性和双极性控制模式，所谓单极性是指在输出的半个周期内同一组的两 个桥臂仅有一个反复通断，而另一个始终截止。而双极性调制在输出的半个周期内同一组的 两个导电臂互补交替通断。 2 3 4s p w m 的控制模式及实现 s p 删的控制方法有两种，即模拟控制和数字控制。原始的s p l 】m 是由模拟控制来实现的， 图2 - 8 是s p 删变压变频器的模拟控制电路原理框图。三相对称的参考正弦电压调制信号“。、 a ，6 、比，c 由参考信号发生器提供，其频率和幅值都是可调的。三角载波信号h ，由三角波发 生器提供，各相公用。它分别与每相调制信号在比较器上进- ：f f l t 较，给出“正”或“零”的 饱和输出，产生s p 诵, i 脉冲序列波“面、w 如、“如，作为变压变频器功率开关器件的驱动信 号。 s p i n i 的模拟控制电路现在已经很少应用，但他的原理往往是其它控制方法的基础。 1 5 贵州大学硕士学位论文 ) 驱动v 1 。v 6 ，) ( ! ，p w m 波) 图2 - 8s p 删交压交频器的模拟控制电路 数字控制是s p 聊目前常用的控制方法，可以采用微机存储预先计算好的s p w m 数据表格，控 制时根据指令调出，或者通过软件实时生成s p 嘲波形，也可以采用大规模集成电路专用芯片 产生s p b i 。下面是几种常用的方法： 1 )等效面积法正弦脉宽调制的基本原理就是按面积相等的原则构成与正弦波等效的一 系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，由 r ， 岛+ 云 4 誓。州( 吖) 岛一云 u 。 c o s ( 谚一差三) 一c o s ( q + 云) 一q s i n 丢s i n b 当，l 的数值较大时，s i n 三2 n 一旦2 n 于是 小学咖岛 上式已给出脉冲宽度的计算公式，根据已知数据和正弦数值可以依次算出每个脉冲的宽 度，用于查表或实时控制，这是一种最简单的算法。 2 )自然采样法 移植模拟控制的方法，计算正弦调制波与三角载波的交点，从而求出相应的脉宽和脉冲间歇 时间，生成s p w m 波形，叫做自然采样法，如图2 - 9 所示，在图中截取了任意一段正弦调制 波与三角载波的相交情况。交点a 是发出脉冲的时刻，b 点是结束脉冲的时刻，c 为三角载 波的周期，为i 时间内在脉冲发生以前( 即a 点以前) 的间歇时间，f 2 为a b 之间的脉宽 时间，f 3 为在i 以内b 点以后的间歇时间，显然瓦t + f 2 + 。 1 6 贵州大学硕士学位论文 一一 | t 1 ，t 日 l t 】十i -， 十， l t ， 圈2 - 9 生成s p 嘲电波形的自蒜采样浩 若以单位量1 代表三角载波的幅值u 。，则正弦调制波的幅值u ，就是调制度m ，正 弦调制波可写作 比，一ms i n o h t 式中，q 是调制波频率，也就是变压变频器的输出频率。 由于a 、b 两点对三角载波的中心线并不对称，须把脉宽时间f 2 分成f 2 7 f t 2 ”两部分( 见 图2 - 9 ) 。按相似直角三角形的几何关系，可知 2 1 + m s i l lq 一i 。- 。一 瓦2乞 2 1 + ms i n o j , t ，| - - _ 。_ _ i 。1 。- _ 一 乏2t 2 ” 经整理得 州z z 畸畔 n 毗“n 叫 这是一个超越方程，其中、与载波比和调制度m 都有关系，求解困难，而且 t 3 ，分别计算更增加了困难。因此，自然采样法虽然能确切反映正弦脉宽调制的原始方 法，却不适合微机实时控制。 3 ) 规则采样法 自然采样法的主要问题是，s p 删波形每一个脉冲的起始和终了时刻乙、如对三角波的中 心线不对称，因而求解困难。工程上实用的方法要求算法简单，只要误差不太大，允许作一 1 7 贵州大学硕士学位论文 些近似处理。其中应用最广泛是规则采样法。它可以分成两类不同的采样法则。 图2 - 1 0 ( a ) 所示为一种规则采样法，姑且称之为规则采样i 法。它是在三角载波每个 周期的正峰值时找到正弦调制波上的对应点，即图中d 点，求得电压值i l 一。用此电压值对 三角载波进行采样，得a b 两点。就认为它们是s p w m 波形中脉冲的生成时刻，a 、b 区间 就是脉宽时间t ，。规则采样i 法的计算显然要比自然采样法简单，但从图中可以看出，所得 的脉冲宽度将明显地偏小，从而造成不小的控制误差。这是由于电压水平线与三角载波的高 点都处于正弦调制波的同一侧造成。 锕5 i i ”。 v ； 一 t u 一一_ 十 i f ， 规则采样i 洼b 规则采样法 田2 - 1 0 生成s p 州电波形的规则采样法 为此可对采样时刻作另外的选择，这就是图2 - 1 0 ( b ) 所示的规则采样i i 法。图中仍 在三角载波的固定时刻找到正弦调制波上的采样电压值，但所取的不是三角载波的正峰值， 而是负峰值。得图中e 点，采样电压为“。在三角载波上由“。水平线截得a 、b 点，从而 确定了脉宽时间乙。这时，由于a 、b 两点坐落在正弦调制波的两侧，因此减d , t 脉宽生成 误差，所得的s p 硼v l 波形也就更准确了。 由图2 1 0 可以看出，规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波，从而简化了算法， 只要载波比足够大，不同的阶梯波都很逼近正弦波，所造成的误差就可以忽略不计了。 在规则采样法中，三角波每个周期的采样时刻都是确定的，都在正峰值或负峰值处， 不必作图就可以计算相应时刻的正弦波值。 1 8 贵州大学硕士学位论文 第三章调速系统的硬件电路 3 1 系统原理及组成 变频调速一般可分为基频以下的恒磁通变频调速和基频以上的弱磁通变频调速。由于磁 通比较难以准确地控制和调节，故基频以下的恒磁通变频调速应用的较多。实现这种变频调 速需要对两个量进行有效地调节，定子电压和频率。鉴于定子电压和频率之间有固定的比例 关系，于是通过对一个信号的控制就可以同时对定子电压和频率两个信号的调节，来达到实 现变频调速的目的。设计是先把工频的三相交流电经三相整流桥电路变成直流电，通过大电 容对整流后的直流电进行滤波，使直流电压交化趋于平稳。然后用三相逆变桥对平稳的直流 电进行逆变，从而转化成可调节的交流电。在整个变换过程中，通过对逆变器的开关控制， 有规律地控制逆变器中主开关的通和断，可以输出任意频率的三相交流电，来实现对异步电 动机的变频调速。 系统采用s p 硼技术。主要依靠d s p 控制器产生三相互差1 2 0 度的3 对s p 嘲波来实现对 逆变器的开关进行控制。生成s p 删波形的方法很多，例如有等效面积法、自然采样法、规 则采样法等。其中最常用的是中值规则采样法( 前面已经介绍过该原理) 。 系统设计电路可分为整流电路、逆变电路、滤波电路、驱动电路、电流检测电路、电压 检测电路，速度检测电路、显示电路、输入电路、保护电路等。 以下是系统的整体模块结构图： 1 9 贵州大学硕士学位论文 三相交流电 3 2 电机的型号和参数 图3 - 1 系统原理图 本系统中受控电机为实验室的三相交流异步电动机，硬件电路中所有参数的计算和选型 均以此电机为基础。电机的型号为y 9 0 l 4 ，为西安西码电机集团有限公司产品，铭牌参数 如下：= 3 8 0 v ，昂= 1 5 k w ，凡i3 7 a ，i5 0 h z ，n - 1 4 0 0 r m i n ，电机的 接线方式为y 型接法。 3 3 系统硬件电路设计和计算 系统电路分为主电路、控制电路两部分，主电路由整流桥、滤波电路、逆变桥、电压检 测电路、电流检测电路。控制回路由控制器、光电隔离电路、驱动电路、控制电源电路、转 速检测电路、系统显示电路、键盘输入电路、与p c 通讯电路。 贵州大学硕士学位论文 三相交整流桥电路滤波电路电压检测逆变桥电路电流检测 流 3 3 1 整流电路 图3 - 2 系统硬件图 近年来，在交一直一交变频器、不i 司断电源、开关电源等应用场合，大都采用不可控整流 电路经电容滤波后提供直流电源，供后级的逆变器、斩波器等。用于整流目的电路器件称为 整流器，所有整流器类别中最简单的是二极管整流器。二极管整流器不提供任何一种控制输 出电流和电压数值的手段。这样不仅简化了整流电路的结构，而且为它能以非常小的谐波干 扰和1 的功率因数加载于电网。结合本设计控制的要求，系统采用三相整流桥模块，整流电 路采用不可控二极管组成。二极管的参数选择为： 通过二极管的峰值电流：l 。2 ! i l = 2 4 互3 7 1 0 4 6