（电力电子与电力传动专业论文）工业振动棒变频电源的研究.pdf

塑垩盔堂堡主堂丝丝兰一 a b s t r a c t t h e d a p e ra i m a t v a r i a b l e f r e q u e n c yp o w e rs u p p l y o fv i b r a t o rf o r i n d u s t r y ，a n dm a i n l yi n t r o d u c e sh o w t ou s ean e wm e t h o dt od e s i g np r o d u c t i no r d e r t ob ei n s t e a do ft h ec u r r e n t ，w h i c h r u na s t h ef o r mo f e l e c t r o m o t o r g e n e r a t o rn o w i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h eg e n e r a ls i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt e n d e n c yo f v a r i a b l e f r e q u e n c y a cm o t o rd r i v e r sa n d t h e i rr e l a t e d t e c h n i q u e s i s p r e s e n t e d ，a n dm a i no b j e c ta n dw o r k o ft h et h e s i sa r ep u tf o r w a r da tl a s t i nt h es e c o n dc h a p t e r ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yt h a t i st h e k e yt e c h n i q u e s o f v a r i a b l e f r e q u e n c y a cd r i v e r si s d e t a i l e d i n t r o d u c e d ，w h i c hi n c l u d e ss p w m ，s v m a n dc u r r e n t - t r a c i n gp w m s p w m c o n t r o lt e c h n o i o g ya n di t sm a t hm o d e la r ee s p e c i a l l yd e e p l yi n v e s t i g a t e d i t p r o v i d e st h et h e o r yb a s i sf o rd e s i g n i n gf o l l o w i n gp r o j e c t o nt h eb a s i so ff u n c t i o nt a r g e tt h a tw i l lb er e a c h e d ，t h ef o r mo fm a i n c i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i ti sd i s c u s s e di nc h a p t e ri i i t w ok i n d so fs c h e m e i m p l e m e n t e d a r ec o n f i r m e da n da r eb r i e f l ya n a l y z e da n di n t r o d u c e d i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，t h ed e s i g nc o u r s eo ft h ef i r s tp r o je c ti sd e t a i l e d d i s c u s s e d i ti n c l u d e sm a i n c i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i t ，a u x i l i a r y s w i t c h p o w e rs u p p l y ，c o n t r o lc i r c u i ta n dl o w f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r i nt h ee n d ，t h e f u n c t i o no fm o d e li n v e r t e ri sb r i e f l ya n a l y z e d i nt h ef i f t h c h a p t e r ，t h es e c o n dp r o j e c ti s i n t r o d u c e di nd e t a i l ，w h i c h i n c l u d e sa c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，d c d cc o n v e r t e ra n dt h r e e p h a s e i n v e r t e r i t sa d v a n t a g ea n ds h o r t c o m i n ga r ec o m p a r e dt ot h ef i r s tp r o je c t o nt h eb a s i so fw h a tm e n t i o n e db e f o r e ，a c c o r d i n gt od e s i g no ft h ef i r s t p r o j e c t ，am o d e lm a c h i n ew a sf i n i s h e d b yt h el o c a lt e s t ，i tw a se s t a b l i s h e d t ob e q u a l i f i e d t h es e c o n dp r o je c t i s p r e s e n t e d w i t hs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n s i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss m a l lb u l k ，l o w w e i g h t ，s t e a d yo u t p u tv o l t a g e ，h i g hp o w e rf a c t o ra n dl o wh a r m o n i c i ft h e s h o r t c o m i n go ft h es e c o n dp r o j e c tc a nb eo v e r c o m e ，i t sf p rw i l lb em u c h h i g h e ra n dt h ep r o d u c tc a nr e a c hab e t t e rs e l l i n g a t1 a s t 。as i m p l es u m m a r i z ea b o u tt h et h e s i si sm a d e i v 塑堑盔堂塑主堂堡丝塞 第一章绪论 1 1 交流电动机调速技术的发展 交流调速系统，就是以交流电动机作为电能一机械能的转换装置，并通过 对电能的控制以产生所需的转速和转矩。它与直流电机调速系统最大的不同之 处在于没有电动机电流流向变化的机械换向器一整流子。 在1 9 世纪8 0 年代以前，在工业生产中，直流电力传动是唯的一种电力 传动方式。到1 9 世纪末，由于发明了交流电，解决了三相制交流电的输送与分 配问题，加之又制成了经济实用的交流鼠笼式异步电动机，这使交流电力传动 在工业中逐步得到了广泛的应用。随着生产技术的发展，对电力传动在启动与 制动，正反转以及调速精度和调速范围等静态特性与动态响应方面提出了新的 更高的要求，但是交流传动比直流传动在技术上更难实现，因此在2 0 世纪前半 叶，在可逆调速与高精度的传动技术领域中，几乎都是采用直流传动系统。 但是，直流电动机有电刷与整流子，需要经常对电刷与整流子进行维修检 查，电动机安装的环境受到限制以及直流电动机的容量小、转速低等缺点。而 且，直流电机的体积、重量与价格比同等容量的交流电机要大，所以2 0 世纪 3 0 年代后，很多国家就开始对无换向器调速传动装置进行研究。在6 0 年代以 后，随着电力电子学与电子技术的发展，使得采用半导体变流技术的交流调速 系统得以实现。特别是7 0 年代以来，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应用为交流电力传动的开发创造了条件，使得交流传动装 置逐步具备了宽的调速范围、高的稳定精度、快的动态响应以及四象限可逆运 行等良好的技术性能。因此交流调速在各个工业领域中的应用所占的比重逐渐 增大，设计研究工作的重点也已逐渐转向交流调速技术，交流调速在工业应用 领域中的地位也日趋重要。 交流电动机的调速方法很多：有调压调速、斩波调速、串级调速、转子串 电阻调速、滑差离合器调速、变频调速等等p 】。但是从本质上讲，由异步电动 机的转速公式 n = n 。( 1 一s ) = 6 0 ( 1 一s ) f p ( 1 - 1 ) 可知，交流电动机的调速方法实际上只有两大类：一种是在电机旋转磁场的同 步转速 ，恒定的情况下调节转差率s ；另一种是调节电机旋转磁场的同步转速 。异步电动机的调压调速、转子串电阻调速、滑差离合器调速、斩波调速等 均是调转差的调速方法，而转差率s 直接意味着电机损耗的大小，所以用改变 转差率的方法来实现调速是耗能的低效调速方法。调节电机旋转磁场的同步转 速n 。的方法是高效的调速方法，它包括变极调速和变频调速。变极调速是一种 通过改变交流电机的极对数p 而达到调速目的的调速方法，这种调速方法比较 简单，所以设备投资比较小，但它是有级调速，一般适用于设备只运行在二种 工作状况的场合：变频调速是通过改变定子电流频率来改变旋转磁场的同步转 速的调速方法，它不但能实现无极调速，而且能根据负载的特性不同，通过适 当地调节电压与频率之间的关系，使电动机始终运行在高效率区，并保证电机 具有良好的动态特性。 一般说来，通过改变转差率达到调速目的的方法都是耗能的方法。从节能 的观点来看，这种调速方法是不经济的。但是这种调速方法比较简单，设备价 格比较便宜，还是被广泛应用于一些调速范围不大、低速运行时间不长、电机 容量较小的场合中。而且，虽然变频调速是交流电动机的理想调速方法，但是 它需要有一个能满足电机运行要求的频率可变的电源。由于变频电源的价格比 较昂贵，这是交流电动机变频调速技术推广应用的主要障碍。因此降低变频电 源的造价，研究适用于交流电动机调速用的变频电源成为广泛采用变频调速技 术的关键。 1 2 变频调速技术的发展与应用 1 2 1 变频器的拓扑和结构 从结构上看，变频器可分为直接变频和间接变频两类。直接变频又称交一 交变频，是一种将工频交流电直接变换为频率可控的交流电，中间没有直流环 节的变频形式；间接变频又称为交一直一交变频，是将工频交流电先经过整流器 整流成直流，再通过逆变器将直流变换成频率可变的交流的变频形式，因此这 种变频方式又被称为有直流环节的变频【2 l 【3 1 。 交一交变频器一般使用的开关器件是晶闸管，利用电网电压有自动过零并变 负的特点，将晶闸管直接接在交流电源上，使晶闸管能自然关断。其过程与可 控整流器一样，不需要附加换流元件，方法简单，运行可靠。而且，交一交变频 器在低频时输出波形接近正弦，且为一次变流，具有较高的效率，还能实现四 象限运行。但是由于这种方法使用晶闸管数量较多，主回路复杂，且输出频率 受电源频率的限制，一般不能高于电网频率的1 2 ，所以交一交变频器在交流异 步电机调速方面主要用于低速大功率传动，特别是起动转矩要求高的场合。在 交一交变频器这个领域中，有报道说已经出现了一些很实用有生命力的方案，例 如矩阵变换器和串联直接周波变换器等【l 】【33 1 ，但是开关技术和换流的复杂性仍 然是一个限制因素。 交一直一交变频器是目前交流电动机变频调速电源的主要形式，按照主电路 结构及能量变换方式的不同，间接变频器又可以分为以下三种： 1 用可控整流电路变压，逆变器变频。这样调频和调频在两个环节上进 2 塑坚盔兰塑主堂垡堡塞 一 行，两者要在控制电路上协调配合。这种装置结构简单控制方便。但在低压、 低频的情况下，电网侧功率因数低，输出环节多用由晶闸管组成的三相六拍逆 变器( 每周换流六次) ，输出谐波较大。 2 用不控整流电路整流、斩波器变压、逆变器变频。这样虽然多了一个 环节，但由于使用了不控整流，因此输入功率因数较高，克服了第一种方法的 第一个缺点。但由于输出环节不变，则输出谐波问题仍然没有改变。 3 用不控整流电路进行整流，p w m 逆变器同时进行变压变频。这样的 好处在于用不控整流使输入功率因数较高，采用p w m 逆交，则输出谐波减少。 这种方式克服了第一种方法的两个缺点，但谐波能够减小的程度取决于开关频 率，而开关频率又受开关器件的限制。但随着高速自关断器件的发展，这已经 不是一个限制应用的主要因素了。因此在目前的应用中，前两种方法已经很少 采用，主要采用的还是这种方式。 从变频电源的性质看，无论是交一交变频还是交一直一交变频，又都可以分为 电压源变频器和电流源变频器两类。对于交一直一交变频器，按照中间直流环节 的不同，可以把变频器分为电压型和电流型两类。 1 当中间直流环节采用大电感滤波时，直流回路呈高阻抗，它的输出电流 比较稳定，在动态过程中近似于电流源，强制输出的交流电流为矩形波或阶梯 波，这种变频器叫做电流型逆变器。当电流型逆变器工作于再生状态时，由于 直流电压的方向可以改变，故无需电流反向即可实现再生制动，所以它特别适 合于要求四象限运行的场合。而且电流型逆变器输出电流稳定，电流冲击比较 小，对于过载能力比较小的半导体器件尤为合适。但是由于输出电流中的谐波 含量比较大，引起输出转矩脉动，系统运行的稳定性就比较差。又因为大电感 使电流的变化受到限制，使系统的响应速度比较慢。 2 当中间直流环节采用大电容滤波时，直流回路呈低阻抗，输出电压比较 稳定，强制输出的交流电压为矩形波或阶梯波，这种变频器叫做电压型逆变器。 由于电压型逆变器的输出电流可以突变，比较容易出现过电流，所以需要快速 的保护系统。电压型逆变器最主要的问题是它不能适应电动机四象限运行的要 求，不能实现再生制动，这是电流型逆变器的最大的优点。但是电压型逆变器 最显著的优点是能适用于多台电动机的开环并联运行和协同调速，在多机传动 系统中得到了广泛的应用。而且随着具有自关断能力的功率开关器件的迅速发 展，逆变器广泛采用高频脉宽调制技术( p w m ) ，使得控制与保护的快速性大 大提高，电压型逆变器的优势越来越明显，其应用也更加广泛。( 电压型与电流 型变频器的特点比较见表1 1 ) 对于变频调速系统来说，由于异步电动机属感性负载，不论电机处于电动 状态还是发电状态，功率因数都不为1 0 ，故在中间直流环节与电动机之间总 存在无功功率的变换。由于逆变器中的电力电子开关无法储能，所以无功能量 浙江大学硕士学位论文 只能靠直流环节中的储能元件来缓冲。因此也可以说，电压型和电流型变频器 的主要区别在于用哪种储能元件来缓冲无功功率。 表1 1电压型与电流型交一直一交变频器的主要特点比较 变频器类 别电压型电流型 比较项目 直流回路滤波环节电容器电抗器 输出电流波形与功率因数有关，谐波较大矩形波 输出动态阻抗小大 过流及短路保护难易 动态响应p w m 方式较快快 多负载并联运行易难 对开关器件的要求快速关断能力高耐压 线路结构较复杂 较简单 适用范围多电机拖动、稳频稳压电源 单电机拖动，可逆拖动 回馈制动须在电源侧设置反并联逆变器主回路不需附加设备 决定于负载，对异步电机负 输出电压波形矩形波 载近似为正弦波 1 2 2 开关应用技术 在实际的应用系统中，无论是哪种类型的变换器，都还要牵扯到一个重要 的问题一开关问题。包括电力电子开关的导通和关断( 强迫换流或驱动开关的通 断) 、减少开关损耗( 利用缓冲电路和谐振电路) 、开关的保护( 瞬态电压的抑 制和钳位、过电压和过电流的检测) 以及开关的散热问题，当然还有在变换器 的功率一频率乘积n - - 定水平时的电磁干扰，电磁兼容( e m i e m c ) 问题。尤其 是在大功率的变频调速系统中，这些问题显得更加突出。 ( 1 ) 电力电子开关的开通和关断：无论从主电路还是从门极驱动电路来 看，功率开关的开通与关断都需要复杂的技术。由于现代电力电子开关本身都 具有关断能力，所以最新的技术要求已转移到了门控技术方面。同时为了开关 的稳定运行，驱动电路必须与缓冲电路、谐振电路以及在硬开关中的寄生电路 一起考虑并加以优化。 ( 2 ) 减少开关损耗：现在人们已经把很多的注意力投向了减小开关损耗 的技术上，尤其是在大功率的变频传动中。从传统的硬开关发展到使用耗能型 缓冲电路，再到开始使用馈能型缓冲电路，直到谐振电路的使用，在减小开关 损耗方面已经取得了不小的成就。 ( 3 ) 开关的保护和散热：随着开关器件开关速度的提高，保护电路的设 4 浙江大学硕士学位论文 计也变得越来越复杂。尤其是过电压起源于外部且不可控，所以过电压的保护 比过电流的保护存在更多的问题，带有智能诊断的设计正在成为合理使用保护 的基本特征。由于空间和机动性的要求，散热经常成为限制变频器应用的主要 因素。而且在将来可能实现的电磁集成的大功率变换器中，散热将成为更关键 的问题。在常规结构的变换器中，产生的热量是可以向空间四处散发的。 ( 4 ) 在变换器的功率一频率乘积提高到目前水平的情况下，人们已经认识 到，电磁干扰电磁兼容( e m i e m c ) 问题将很快成为变换器在一些技术领域 中应用的限制因素。在大部分情况下，是通过设置滤波器和e m i 隔离措施来解 决这类i u - j 题的【4 】。但是在大功率应用场合，这种方法在价格、体积和复杂性方 面严重制约了变换器的发展应用。因此e m i 干扰源应当从电路拓扑、设计和开 发过程中的电路布局以及开关的转换中去找寻【3 4 】【3 5 】。 1 2 3 变频调速控制技术 交流电机是一个非线性、强耦合的系统，它的数学模型的最大特点就是高 阶、多变量、非线性。在实际应用中，通过它的数学模型做不同的假设，就可 以得到不同的动态结构图，也就有了下面几种不同的控制方法【2 】： 1 转速开还，恒定压频比控制这种控制方法的最大优点就是系统结构简 单，成本低，可以满足一般平滑调速的要求。缺点就是系统的静态及动态性能 不高。 2 转速闭环，转差频率控制这种控制方式的突出优点就在于它基本上具 备了直流电机双闭环控制系统的优点，结构也不是很复杂，系统的静、动态性 能都得到了很大的改善。但是由于采用了较强的假定，得到的是近似的动态结 构图，因此设计结果与实际还有一定距离，效果不能令人完全满意。 3 矢量控制这种控制方法是通过分析异步电动机的动态模型，利用坐标 变换实现了电动机定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦，从而可以分别控制 定子电流的励磁分量和转矩分量来控制电机的磁通和转矩，使交流电机得到了 和直流电机一样的调速性能。同时，这种方法又可以分为两种模式：有速度传 感器的矢量控制和无速度传感器的矢量控制。这种方法的缺点在于控制性能受 电机参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。 4 直接转矩控制这种控制方式的优点在于它的数学模型简单，避开了旋 转坐标变换，直接进行转矩碰一碰控制，使得控制系统可以不受电机参数变化的 影响。但是由于产生了转矩脉动。降低了调速性能。 目前变频调速已经在交流调速系统中占据了主导地位，从数百瓦的家用电 器到上万千瓦的调速传动系统，无所不包的都用到了变频调速技术。而且，随 着自关断元件的发展，各种数字控制技术及p w m 技术的应用、集成技术以及 浙江大学硕士学位论文 交流电机调速理论的不断发展，变频器也朝着高度集成化、采用表面安装技术、 转矩控制高性能化、保护功能健全、操作简便化、驱动低噪音化、高可靠性、 低成本和小型化的方向发展。 1 3 本文的主要内容 从以上讲述的内容来看，在变频调速的应用系统中，除了变换器的拓扑、 结构以及开关技术外，还有以下几个问题也同等重要： 开关变换的效率 开关变换器的可靠性 变换器的稳定性 变换器的功率密度 变换器与环境噪声的相互作用 变换器与电源的相互作用 变换器与传动系统之间的相互作用，即转矩脉动和共振问题 本课题的主要任务是开发一种应用于工业振动棒的变频电源，因此不可避 免的要涉及到以上这些问题。现有的产品主要是一种电动机带发电机运行的结 构，这使得负载电机的频率特性受电网的影响很大，不利于负载的长期稳定运 行，而且体积、重量都比较大( 输出功率为1 k w 的重量为2 1 k g 。) ，本文所做 的主要工作就是： 在了解现有产品性能的基础上，借鉴现有产品的优点；针对产品要达到的 性能指标，提出了两种实施方案；通过详细分析每个方案的特点，设计了两套 变频装置，并通过实验验证了两种方案的可行性；对两种方案各自的优缺点进 行了分析比较，并对以后的工作提出一点建议 6 浙江大学硕士学位论文 第二章变频调速系统的p w m 控制技术 2 。1 前言 1 9 6 4 年，德国的a s c h s n u n g 等提出了脉宽调制变频的思想8 1 ，并推广应用 于交流变频系统，为交流调速系统开辟了新的发展领域。图2 一l 是p w m 变频 器的原理图。由图可知，通过控制逆变器中的功率开关器件的通断，就可以在 输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲，而决定开关器件动作时序的控制方法 就被称为脉宽调制方法。通过改变矩形脉冲的宽度，可以控制逆变器输出交流 基波电压的幅值：通过改变调制周期，可以控制输出频率，从而在逆变器上可 同时进行输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频率协调控制的 要求。 ) 一 ，一- 十 丁 久 i ) 图2 - 1p w m 逆变器原理图 在交流变频调速系统中，用变频器进行的是“功率变频”。但变频的同时也 必须协调地改变电动机的端电压，否则电动机将出现过励磁或欠励磁。为此， 应用于交流变频调速系统中的变频器实际上是一种变压变频( v a r i a b l ev o l t a g e v a r i a b l ef r e q u e n c y ) ，即v v v f 。所以，通常也把这种变频器叫做v v v f 装置或 v v v f 。v v v f 控制技术分为两种：一种是把v v 与v f 分开完成，这种控制技 术被称为脉冲幅值调制( p u l s e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 方式，简称p a m 方式； 另一种是将v v 与v f 集中于逆变器一起来完成，这种控制技术称为脉冲宽调 制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 方式，简称p w m 方式。 在v v v f 控制技术发展的早期均采用p a m 方式，这是受半导体器件地开 塑坚丕堂塑主主焦鲨奎一 关频率限制的，逆变器的输出也只能是方波。随着电力电子器件的快速发展， 才逐渐发展为p w m 方式。这时，整流器无需控制，简化了电路结构。用全波 整流代替了相控整流，提高了输入端的功率因数，减小了高次谐波对电网的影 响；输出电压波形由方波改为p w m 波，减小了低次谐波，从而解决了电动机 在低频区的转矩脉动问题，同时也降低了电动机的谐波损耗和噪声。p w m 控 制技术可以分成许多种，并且还在不断发展之中。但从控制思想上分，可以分 为等脉宽p w m 法、正弦波p w m 法( s p w m ) 、电压空间矢量法和跟踪型p w m 法等。 等脉宽p w m 法是为了克服p a m 方式中逆变器部分只能调频但不能调压的 缺点而发展起来的，是p w m 法中最简单的一种。它每一脉冲的宽度均相等， 改变脉冲系列的周期可以调频，改变脉冲的宽度可以调压，采用适当的控制方 法就可使输出电压与频率协调变化。其缺点就是输出电压中除基波外，还包含 较大的谐波分量。 s p w m 法是为了克服等脉宽p w m 法的缺点而发展起来的，它从电动机供 电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频调压的三相对称正弦波电源。 s p w m 法实现的方法就是以正弦波作为基准波( 调制波) ，用一列等幅的三角 波( 载波) 与基准正弦波相交，由交点来确定逆变器的开关模式。当正弦波高 于三角波时，使相应的开关器件导通；当基准正弦波低于三角波时，使开关器 件截止。这样，使输出的脉冲系列的占空比按正弦规律变化：当正弦值最大时， 脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小；当正弦值较小时，脉冲的宽度也 小，而脉冲间的间隔则较大。这样的脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成 分大为减小。同时，根据调制波波形的不同，还可以派生出许多方法，但着眼 点都在于如何使变频器的输出电压更好地获得三相对称的正弦波。 电压空间矢量法是从电动机的角度出发的，着眼点在于如何使电动机获得 圆形磁场。这种方法的数学模型是建立在电机统一理论和电机轴系坐标变换理 论基础上的，以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准， 用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结 浙江大学硕士学位论文 果决定逆变器的开关模式，形成p w m 波。 电流跟踪型p w m 的基本思想是将电动机定子电流的检测信号与正弦波电 流给定信号进行比较，若实际电流大于给定值，则通过逆变器的开关动作使之 减小，反之则增大。这样，实际电流波形围绕给定的正弦波作锯齿状变化，而 且开关器件的开关频率越高，电流脉动就越小。使用这种方法，电动机的电压 数学模型改成为电流模型，可使控制简单，动态响应加快，还可以防止逆变器 过电流。 以上简要介绍了p w m 的各种控制方法下面将分别对这些内容作详细的 介绍。 2 2 正弦波脉宽调制( s p w m ) 1 l 【2 】【3 】【5 j 【6 】【7 】 2 2 1 采样法s p w m s p w m 的控制方法有两种：单极性调制和双极性调制。单极性调制如图2 2 所示。其中，曲线1 是正弦调制波，其周期反映了输出的基波频率，曲线2 是 a 0 b 0 醯日日h 白曰hh - c 图2 _ 2 单极性调制 采用等腰三角形的载波，其周期决定于载波频率( 也就是器件的开关频率) ，幅 值为幅度调制比为i 时的正弦调制波的峰值，在半周期内所有三角波的极性是 相同的。调制波和载波的交点，决定了s p w m 脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔 a 0峙侧八八八八 vvv 沁蝉圹_ a ) b ) c ) d ) e ) + 2 图2 3 双极性调制 + 日 图2 - 4 双极性调制的三相输出波形 宽度，所得的脉冲系列如图2 _ 2 b 所示。这就相当于在每半个周期内，逆变桥同 一桥臂的两个逆变器件中( 图2 - 2 c 中的v l 和v 2 ) ，只有一个开关器件( v l 或 v 2 ) 按脉冲系列的规律来通断工作，另一个( v 2 或v 1 ) 则完全截止；在另外 1 0 塑婆丕量塑主堂垡鲨羔 一 一个半周期内，则v 1 、v 2 的工作情况正好相反。双极性调制如图 3 所示， 逆变桥输出相电压的脉冲系列仍然由调制波和载波的交点来决定，这也就相当 于逆变桥同一桥臂的两个开关器件( 图2 3 c 中的v l 和v 2 ) 是按照相电压脉冲 系列的规律，在一个周期内是互补导通的。虽然这个脉冲系列是双极性的，但 是由相电压合成为线电压时所得到的( “= 甜。- - u 6 ；甜6 c = 蚝一；甜。= 甜。一2 ，。) 脉冲系列却是单极性的。双极性调制的三相s p w m 波形如图2 4 所示。 从上述可以看出，逆变器输出的脉冲系列与频率调制比( 载波比) 和幅度 调制比( 调制深度) 有很大的关系。频率调制比指的是一个调制信号周期内所 包含的三角载波的个数；幅度调制比是调制波峰值与载波峰值的比值，也称调 制深度。在调制深度不大于1 的情况下，输出电压和调制深度有一一对应的关 系。因此在一般情况下，可以通过改变调制深度来改变输出电压的幅值；通过 改变调制信号的频率来改变输出电压的频率。根据调速过程中频率调制比变化 与否，调制方式又可分为同步调制和异步调制。 1 同步调制同步调制就是在改变信号周期的同时成比例地改变载波周 期，使载波频率与信号频率的比值保持不变。这种调制的优点在于当开关频率 较低时可以保证输出波形的对称性。对于三相系统，为了保证三相之间对称， 互差1 2 0 。相位角，通常取载波频率比为3 的整数倍。而且，为了保证双极性调 制时每相波形的正负半波对称，上述倍数必须为奇数，这样在信号波的18 0 。处， 载波的正负半周恰好分布在1 8 0 0 处的左右两侧。由于波形的左右对称，就不会 出现偶次谐波问题。但是，这种调制方法在输出频率较低时，载波的数量显得 稀疏，电流波形脉动大，谐波分量大大增加，电动机的谐波损耗及脉动转矩也 相应增大。 2 异步调制异步调制就是在调制信号周期变化的同时，载波周期仍然 保持不变，因此，载波频率与信号频率之比就随之变化。这种调制方式的好处 就在于低频输出时，可以使一个信号周期内载波个数增加，这对抑制谐波电流、 减轻电动机的谐波损耗及转矩的脉动有很大好处，大大改善了系统的低频工作 特性。但是异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优 堂婆盔堂塑主主焦丝塞 一 点。当载波比n 随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3 的倍数， 势必会使输出电压的波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性， 从而引起电机工作不稳定。 3 分段同步调制为了扬长避短，可将同步调制与异步调制结合起来，这 就是分段同步调制。实用的s p w m 变频器多采用这种方式2 】：把整个变频范围 划分为许多频段，在每个频段内保持载波比不变，而在不同的频段取不同的n 值。这种调制方法如图2 5 所示。图中n 为载波比，且都是3 的奇数倍；正为 开关频率；为输出频率。分段同步调制使得功率器件的开关频率限制在一定 图2 - 5分段同步调制方式 的范围内，而且载波频率变低后，在载波比为各个确定值的 异步调制的缺点，保证输出波形对称。同时，n 值的切换应 出现电压的突变。( 2 ) 在切换的各临界点处设置一个滞环区 恰好落在切换点附近时造成载波频率反复变化不定的振荡。 范围内，可以克服 注意两点：( 1 ) 不 ，以免在输出频率 2 2 2 采样型s p w m 法的数学模型 s p w m 法的实现有多种方式，可以由模拟或数字电路等硬件电路来实现， 也可以由微处理器运用软硬件结合的办法来实现。用硬件电路来实现s p w m 通常是用一个正弦波信号发生器产生可以调频调幅的正弦波( 调制波) 信 再用一个三角波信号发生器产生幅值不变的三角波( 载波) 信号，将二者 比较，由交点来确定逆变器开关的转换。这种方法采用的元件多，线路复 而且控制精度也难以得到保证，因此这种方法现在已很少被采用。用软件 1 2 i n = 6 9 n = 4 5n - - 3 3n ；2 1 l| 少少 | 一 ， ， 行 ， 法号进杂 浙江大学硕士学位论文 来实现s p w m 法，实现起来简便，精度高，现在已经被广泛采用。下面就来介 绍一下使用软件方法来实现s p w m 时所采用的采样型s p w m 法的数学模型。 采样型s p w m 法，分为自然采样法和规则采样法【 。其中规则采样法又有 对称规则采样法与不对称规则采样法两种。 1 自然采样法图2 “所示的就是自然采样法。它是将基准正弦波与一 个三角载波相比较，由两者的交点决定出逆变器开关模式的方法。在图中，正为 u o s i nc o t 、l切雄i7 i fv 纳他 j t ，。 一 一 黝z杉 kf k。乙如。妇。 r 、7 。：p7 图2 - 6 自然采样法 三角波的周期，u ，为三角波的幅值，正弦波为u c s i n r o t ，瓦称为采样周期 t = 。么。由图可知： ，厶 兀 幻2 i 叫 孔 = 一+ 口 2 ：墨+ 6 ， 哳 _ 昙一6 利用三角形的相似关系，可以解出口，b ，并代入式( 2 1 ) 可以得到 ( 2 1 ) 护孚( 1 一m s i n 删 = 詈( 1 + m s i n 耐) = 罢( 1 + m s i n 耐：) 哳= 竽( 1 一m s i n 甜：) ( 2 之) 其中，肘= 哆厶为正弦波幅值对三角波幅值之比，o m ，7 t v 口| 口 ， 71 - 。一 f 删 一 髟乡勿乡少么哆 幻惫 。如。 f 一。 必” 图2 7 对称规则采样法 这种方法只在三角波的定点位置或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波。此阶 梯波与三角波的交点所确定的脉宽在一个采样周期兀( l = t t ) 内的位置是对称 的，故称为对称规则采样。由图可知： 兀 蛔2 i 一。 兀 t o = 一十口 4 根据三角形相似关系，解出口值，并代入式( 2 _ 4 ) 可得 幻= 孕( 1 一m s i n 耐- ) = 鲁( 1 + m s i n 耐) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 其中，t l 为采样点( 这里为顶点采样) 的时刻。脉冲宽度为 枷= 詈( 1 + m s i n 科一) = 罢( 1 + m s i n 硼) ( 2 - 6 ) 采样点时刻t 1 只与载波比n 有关，而与幅度调制比肘无关。对于图2 7 的情况 有 t l = 七n ( 2 7 ) 其中，k = 0 ，1 ，2 ，n 一1 。由式( 2 - 5 ) 、( 2 “) 可知，在对称规则采样 的情况下，只需知道一个采样点t l 就可以确定出这个采样周期内的时间间隔幻 与脉冲宽度枷的值。 3 不对称规则采样法如果既在三角波的顶点位置又在底点位置对正弦波进 行采样，由采样值形成阶梯波，则此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在 一个三角波的周期内的位置是不对称，如图2 8 所示。因此，这样的采样方法 称为不对称规则采样法a 在这里，采样周期乃是三角波周期的，即五= 。 当在三角波的顶点时，由图可知 兀 幻2 i 一口 l ，埘= 一+ a 2 ( 2 - 8 ) u s i n c o t f _ _ 7 f卜 7 戮他 殛 j- 1 。t 。： l 珍夕衫么9 4 , 幻 。乙珐。础。材 j、r ：r 7 图2 - 8 不对称规则采样法 而当在三角波的底点采样时，由图可知 t ：墨+ 6 ：娶一6 ( 2 - 9 ) 利用三角形相似的关系，可以解出式( 2 - 8 ) 中的口和式( 2 - 9 ) 中的b ，代入 之后得到 幻= 冬( 1 一m s i n 科- ) = 詈( 1 + m s i n 鳓) 一：墨( 1 + ms i n o ) t 2 ) 2 、 7 让孚( 1 一m s i n 删 ( 2 一l o ) 脉冲宽度为 抽= m i = 争争蝴+ s i ) 】 c z - n ， 式( 2 - 1 1 ) 与式( 2 - 3 ) 在形式上一样，但实质上已有区别。在式( 2 1 1 ) 中， f t ，t 2 均与幅度调制比m 无关。对于图2 - 7 所示的情况有 1 6 浙江大学硕士学位论文 ”和：0 ，2 ，4 ，6 ，) f z = - ；k 0 ( 电动机正转) 的情况下，使用a w ( 1 0 0 ) 、 a l i f 0 1 0 ) 来合成a 虮，称弘r ( 1 0 0 ) 为，矢量，称i f f ( 1 1 0 ) 为m 矢量。用两个，矢 量和两个聊矢量即可合成沙，如图2 - 1 5 所示。设，矢量作用时间为乃，脚矢 量作用时间为瓦，根据式( 2 - 2 2 ) 、式( 2 - 2 3 ) 有 妒z 伊加：伊。l ( 2 - 2 8 ) 虽然是用两个，矢量，两个卅矢量，以图2 - 15 所示三段逼近方式可以合成， 但是( 2 正+ 2 t ) 是否正好等于a t 呢? 显然很难正好相等。而如果不等，则磁链 追踪的速度，也就是p w m 波的基波频率也就不等于所要求的频率，。为此， 要用零矢量来调节作用时间，以使，、1 7 1 矢量作用产生的磁链的角速度正好等 于= 2 n f 假定只在，矢量与i n 矢量之间各加一个零矢量，则沙的完整表达 浙江大学硕士学位论文 式为 ( 争 图2 - 15三段逼近式磁链追踪方式 = 2 u o t o + z 伊卅：伊。瓦 c z 圳 其中，u 。代表零矢量y ( 1 1 1 ) 或q j ( 0 0 0 ) 的值，u 。= 0 ；r o 为零矢量作用的时 f n q 。 2 3 2 2比较判断式磁链追踪基本原理 将图2 1 l 中所示理想磁链圆作为基准，适当地使用图2 1 3 中8 种磁链矢 量追踪基准磁链圆，由第( 一1 ) 次追踪的结果进行比较判断，决定第n 次应该使 用的是6 种非零矢量的哪一种还是使用两种零矢量中的哪一种暂停追踪，这样 来决定逆变器的开关模式，形成p w m 波。这就是比较判断式磁链追踪型p w m 法的基本思想。 2 4 电流追踪型脉宽调制【3 1 1 7 1 1 3 8 1 电流追踪型p w m 逆变器，又称电流控制型逆变器，是由一个通常的p w m 电压源逆变器和一个电流控制环组成，使逆变器输出可控的电流，其基本思路， 是将一个正弦波定子电流给定信号与定子电流实测信号相比较，若实际电流值 塑婆查堂堡主堂垡造塞 大于给定值，则通过逆变器开关器件的动作使之减小；反之使之增大，使实际 输出的电流围绕着给定的正弦波电流作锯齿形变化，并将偏差限制在一定范围 内；与此同时，逆变器输出的电压波成为p w m 波。这样，如果逆变器的开关 器件具有足够高的开关频率，则定子电流就能很快地调节其幅值和相位，使电 动机电流得到高品质地动态控制。因此，实际上，电流追踪型p w m 逆变器是 一个通常的电压型p w m 逆变器加上一个电流闭环构成的系统，从而将电动机 复杂的电压模型改造成为电流模型，使控制模式简单化。这种控制方法有许多 不同的形式，主要的是电流滞环控制型和固定开关频率型。 2 4 1 电流滞环控制型 电流滞环控制型如图2 一1 6 所示，通常是生成一个正弦波电流信号作为电流 给定信号，将它与实际检测得到的电动机电流信号进行比较，再经滞环比较器 去导通或关断逆变器的相应开关器件，使实际电流追踪给定电流的变化。具体 地说，如果电动机电流比给定电流大，并且大过滞环宽度的一半，则使上桥臂 开关截止，使下桥臂开关导通，从而使电动机电流减小；反之，如果电动机电 流比给定电流小，并且小过滞环宽度的一半，则使电动机电流增大。滞环的宽 度决定了在某一开关动作之前，实际电流离开给定电流的偏差值。上、下桥臂 要有一个互锁延迟电路，以便形成足够的死区时间。 图2 一1 6 电流滞环控制型原理图 显然，滞环宽度越窄，开关频率越高。但对于给定的滞环宽度，开关频率 塑婆盔堂塑主堂垡丝塞一 并不是一个常数，而是受电动机定子漏感和反电动势制约的。当频率降低、电 动机转速降低，因而电动机反电动势降低时，由于电流上升率增大，因此开关 频率越高；反之则开关频率降低。这是针对三相逆变器的一相讨论的，对于三 相来说也是同样适用的。只是由于三相电流的平衡关系，某一相的电流变化率 还要受到另两相的制约，电流的变化率也就不是唯一的。但一般来说，其电流 变化率较一相时要小，因此开关频率要略低些。 图2 一1 7电流滞环控制型电流追踪波形 电流滞环控制的缺点是它的开关频率是变化的，将产生令人讨厌的噪声 而且不能使输出电流达到很低，在给定电流很小时，滞环调节将不起作用。 2 4 2 固定开关频率型 在工业应用中，通常是选择一个固定的开关频率，这样不仅噪声小，而且 逆变器的开关损耗也将减小。图2 18 是常用的一种固定开关频率型电流追踪控 制原理图。在图中，给定电流信号与实测电流信号的比较可以由线性运算放大 器完成，也可以用别的方法来实现；电流控制器应具有比例或比例积分的作用， 以调整电流误差信号，使电动机电流的相位误差最小。这种方法的原理是将给 定正弦波电流信号与实测电流信号的误差，经电流控制器处理后再与一个固定 频率的三角波信号相比较。在本质上，经电流控制器处理后的电流误差信号就 是正弦波调制信号，而三角波信号就是载波信号。因此，这种控制方式就是一 种正弦波一三角波异步p w m 控制。如果给定电流信号比实测的电流信号大， 秽n烩。 0r f 1 什孚： n 几厂几 0luj j lj 浙江大学硕士学位论文 误差信号为正，则使上桥臂开关导通，从而使实际电流增加；反之则使下桥臂 开关导通，使实际电流减小。而且，由三个相同的单相逆变器可以构成三相逆 变器。给定电流信号正弦性越好，三角波的频率越高，则逆变器输出的电流波 形的正弦性也越好。 图2 1 8 固定开关频率型电流追踪p w m 原理图 塑坚盔兰塑主堂垡堡塞一 第三章整体方案的设计 作为一种变压变频的实用功率变换装置，变频器基本上涵盖了现代电力电 子技术的几个重要方面，包括a c d c 、d c - d c 和d c - a c ( 如图3 - 1 所示) 。 本文研究的重点是开发应用于工业振动棒的变频电源，因此除了变频器的一些 基本要求以外，如何根据负载特性来设计产品就变得非常重要。 图3 一l逆变系统基本结构框图 作为本文设计电源的负载，振动棒是一种小型建筑机械，主要用于制造水 泥制品和建造水泥结构时，将水泥填满型胶，减少水泥制件中的空洞和各种缺 陷，有利于提高水泥建筑质量【2 l 】【2 2 1 【2 3 1 。振动棒主要有两种：液压式和电动式， 本文的应用对象主要是