（电机与电器专业论文）宽幅变频变压交流正弦波信号源研究.pdf

西北t业大学硕论文 英文摘要 a b s t r a c t f工0 0山l i n t h i s p a p e r , a s i g n a l s o u r c e t h a t i s u s e d f o r i n t e l l i g e n t t e s t g e n e r a t o r t e c h n o l o g y c o n t r o l u n i t , i s r e s e a r c h e d . t h e s i g n a l s o u r c e r e l a t e s o f p o w e r e l e c t r o n i c、 c y b e r n e t i c s a n d t e c h n o l o g y o f m i c r o p r o c e s s o r , a n d s o o n . t h e p a p e r , f o c u s e d o n t h e p r o g r a m m a b l e s a 4 8 2 8 a n d a t 8 9 c 5 2 s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r , c a r r i e d o u t t h e d e s i g n a n d t h e d e b u g g i n g o f h a r d w a r e a n d s o f t w a r e o f t h e w i d t h f r e q u e n c y - c o n v e r s i o n a n d v o l t a g e - c o n v e r s i o n a l t e r n a t i n g - c u r r e n t s i n u s o i d a l w a v e s i g n a l s o u r c e . t h e f e a s i b i l i t y a n d t h e e x c e l l e n c e o f t h e d e s i g n h a v e b e e n p r o v e d b y t h e r e s u l t o f i n s t r u m e n t t e s t . t h e r e s e a r c h o f t h e p a p e r h a s e s t a b l i s h e d a f o u n d a t i o n f o r t h e i n t e l l i g e n t t e s t o f t h e g e n e r a t i o n c o n t r o l u n i t . t h e s t u d y b r i n g s u p a n e w w a y t o m a k e v o l t a g e a n d f r e q u e n c y o f t h e t h r e e - p h a s e s i n u s o i d a l i n v e r t e r c h a n g e l a r g e - r a n g e p o s s i b l e . f i n a l l y , t h e m a i n w o r k o f t h e p a p e r i s s u m m a r i z e d , a n d t h e s u g g e s t i o n s a r e g i v e n f o r f u t u r e s t u d y . k e y w o r d s :i n t e l l i g e n t t e s t p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n t h r e e - p h a s e s i n u s o i d a l w a v e s a 4 8 2 8 西北工业大学硕 论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 引言 随着航空工业的迅猛发展， 飞机的性能越来越先进， 主要表现在: 过去靠 人力和液压设备进行飞行操作控制的设备， 现在大多数改为由电动执行机构来 操作控制;机上配备了越来越多的智能化电子设备。众多的用电设备对飞机 电源的容量和可靠性提出了更高的要求。现代飞机上电 源主要以交流电、直流 电以及交直流混合供电三种形式存在，其中以交流供电形式最多。飞机上交流 电直接由交流发电 机提供，因此交流发电机作为飞机上 的主要供电设备，它在 飞机正常工作中具有十分重要的作用。为了保证发电机能够正常工作，并且保 证供电 质量， 飞 机上配备有发电 机控制 器 ( g c u g e n e r a t o r c o n t r o l u n i t ) ， 它 用来保证发电 机的可靠工作， g c u 在飞机上如此重要的作用要求它具有十分可靠 的性能。从g c u 的使用角度看，对它的定期检测维护是保证它可靠工作的有效 措施，只有定期对其进行检测维护，才能做到故障的及时发现和及时处理，从 而刁 能保证g c u 的正常工作，进而保证飞机上用电设备对电能的正常需要。在 我国目 前有许多种类的军民用飞机在投入使用，所有民用飞机和个别军用飞机 配备有 g c u ，所以g c u拥有量大、种类繁多。如果采用常规的检测维护手段， 工作量大，维护质量难以保证:如果采用智能化检测设备对g c u 进行定期检测 维护，检测维护工作将会方便、快捷，而且维护质量也能得到有效保证，同时 也会大大降低在检测维护过程中人力和物力的消耗，由此可见研究开发发电 机 控制器智能检测设备十分必要。 g c u智能检测设备是受某飞机附件检测维修公 司委托开发。信号源是g c u 智能检测设备的重要组成部分，对它的研究有重要 的意义。信号源的研究、设计、 调试是g c u 智能检测设备开发的前提条件， 信 号源的研究为g c u 智能检测设备的研制奠定了一定的基础，同时也对g c u 智能 检测的实施提供了一定的保障。 1 . 2 选题意义及目 前国内外水平 交流发电 机作为飞机上的主要供电设备， 机上所有用电设备的工作依赖于 西北工业大学硕 论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 引言 随着航空工业的迅猛发展， 飞机的性能越来越先进， 主要表现在: 过去靠 人力和液压设备进行飞行操作控制的设备， 现在大多数改为由电动执行机构来 操作控制;机上配备了越来越多的智能化电子设备。众多的用电设备对飞机 电源的容量和可靠性提出了更高的要求。现代飞机上电 源主要以交流电、直流 电以及交直流混合供电三种形式存在，其中以交流供电形式最多。飞机上交流 电直接由交流发电 机提供，因此交流发电机作为飞机上 的主要供电设备，它在 飞机正常工作中具有十分重要的作用。为了保证发电机能够正常工作，并且保 证供电 质量， 飞 机上配备有发电 机控制 器 ( g c u g e n e r a t o r c o n t r o l u n i t ) ， 它 用来保证发电 机的可靠工作， g c u 在飞机上如此重要的作用要求它具有十分可靠 的性能。从g c u 的使用角度看，对它的定期检测维护是保证它可靠工作的有效 措施，只有定期对其进行检测维护，才能做到故障的及时发现和及时处理，从 而刁 能保证g c u 的正常工作，进而保证飞机上用电设备对电能的正常需要。在 我国目 前有许多种类的军民用飞机在投入使用，所有民用飞机和个别军用飞机 配备有 g c u ，所以g c u拥有量大、种类繁多。如果采用常规的检测维护手段， 工作量大，维护质量难以保证:如果采用智能化检测设备对g c u 进行定期检测 维护，检测维护工作将会方便、快捷，而且维护质量也能得到有效保证，同时 也会大大降低在检测维护过程中人力和物力的消耗，由此可见研究开发发电 机 控制器智能检测设备十分必要。 g c u智能检测设备是受某飞机附件检测维修公 司委托开发。信号源是g c u 智能检测设备的重要组成部分，对它的研究有重要 的意义。信号源的研究、设计、 调试是g c u 智能检测设备开发的前提条件， 信 号源的研究为g c u 智能检测设备的研制奠定了一定的基础，同时也对g c u 智能 检测的实施提供了一定的保障。 1 . 2 选题意义及目 前国内外水平 交流发电 机作为飞机上的主要供电设备， 机上所有用电设备的工作依赖于 西北t业人学硕 一 论文 第一章 绪论 它供电的可靠性，供电可靠与否直接关系到飞机的飞行安全。 g c u是保证交流 发电 机输出电能是否满足飞机上用电 设备需要的 重要设备。保障g c u 安全可靠 工作的有效措施是定期检查它的各项性能指标， 使各项性能指标时时处于最佳 工作状态，这对g c u 维护者来说，工作量大，而且维护质量难以保障。如果有 相应的智能检测设备来配合维护工作，那么不仅能提高维护工作效率，而且能 够提高维护质量， 由此可见研究并设计g c u 智能检测设备具有十分重要的意义。 智能检测设备对g c u 检测时需要信号源，为了 确保检测的准确性，高性能的信 号源对g c u 检测来说十分重要，因此对检测用信号源的研究具有重要的意义。 目 前世界飞机拥有量大、种类多，而且在世界范围内运营的大部分军民用飞机 产自 西方发达国家，相应的配套维护设备由 他们来提供。 对于大部分像我国这 样的第三世界国家，降低飞机附件维护费用对本国 经济发展来说十分有利， 而 产自 西方发达国家的检测维护设备相对他们来说十分昂贵，我国作为第三世界 国家，也不例外。我国目 前进行g c u 检测设备及检测用信号源的单位较少，据 查相关资料，国内目 前进行g c u 智能检测设备及所用信号源研究的单位主要有 西北工业大学原9 0 7 教研室、西安飞行自 动控制研究所 ( 6 1 8所) 和陕西兴平 1 1 5 厂4 7 所。 他们研究的检测用信号源均是针对某一机型，自 动化程度低， 使 用不方便。例如我们教研室为 “ 歼八i i i 飞机”研制的g c u 检测装置，该检测装 置所用信号源是采用模拟放大的方式产生，使得信号源功耗很大，可靠性和可 控性均较差。 西安飞行自 动控制研究所 ( 6 1 8 所) 和陕西兴平1 1 5 厂4 7 所研制 的g c u 检测装置的信号源是采用交流发电 机来提供， 通过交流调压器实现信号 源输出电压的调节，通过改变交流发电 机的速度实现输出频率的改变。 这种调 压调频方式输出电 压频率变化范围较小，而且输出参数不易设定，不利于检测 设备的工作， 因此对g c u 检测设备的信号源进行进一步的研究还十分必要。 g c u 智能检测设备的研制成功在某种程度上将会降低我国飞机维护的费用， 如果该 设备与西方国家的同类产品相比，性能相近，而且有价格优势，它肯定会受到 其它第三世界国家的青睐，也可能被一些西方国家采用，该设备的应用前景看 好。 作为该智能测试设备重要组成部分的信号源，它的研究必要性是显而易见 的。信号源从它所要求的性能指标来看，与输出电压波形失真小的三相变频电 源相近，但又不同于一般的变频电源，因为它的各项性能指标高于一般的变频 西北工 业人学a吹! 论文第一章 绪论 电源。 变频电源在国内目前研究较多，大多数用于交流调速，或者是将工频交流 电变为某一频率和电压的交流电，供特殊用电设备使用。论文要研究的信号源 要求输出电压和频率范围宽;而且在输出电压和频率范围内，要求输出电压稳 定、波形失真小，这些都增加了它研制的难度。目 前国内 研究的变频电源作为 能源使用，对它的输出波形失真度要求低，而且电压频率变化范围很小，这些 使得它研究起来比 较容易。 论文研究的信号源是波形失真小而且电 压和频率变 化范围大的宽幅变频变压正弦波交流电源，在国内目 前研究较少，因此它的研 究不仅对于g c u 智能测试设备十分必要， 而且对于有类似要求的供电 设备来说 也具有十分重要的意义。该信号源的研究将会为波形失真小电压频率变化范围 大的交流电源的研究提供一个方法。 t 3 确定信号源功能和技术指标的依据和原则 现代飞机电 源大部分采用1 1 5 v( 相) / 2 0 0 v( 线)4 0 0 h z 三相交流电 源系 统， 部分采用2 7 0 v 中压直流电 源系统， 少量采用2 8 . 5 v 低压直流电源系统。 信 号源的研究设计是针对目 前大多数飞机g c u的检测设备，因此该测试设备应围 绕三相1 1 5 / 2 0 0 v 4 0 0 h z 正弦波交流电来进行设计， 智能检测设备的信号源也应 依据该参数进行设计. 由于g c u 智能检测设备不是在发电机控制器正常工作时对其进行检测，因 此测试时的信号源应该能够模拟g c u 正常工作和非正常工作的各种信号，以 便 g c u 在有故障时能及时提供故障信息，并能提供保护和报警。 根据中华人民共和国国家军用标准 g j b 1 8 1 - 8 6 飞机供电特性及对用电设 备的要求和空中客车 a 3 2 0 g c u检测维护手册 ( h a m i l t o n s u n d s t r an d c o m p o n e n t m a i n t e n c e m a n u a l , p a r t n u m b e r 7 3 5 2 2 6 , 7 4 0 2 0 6 a n d 7 4 0 1 2 0 )以及 美国军用标准m i l - e - 2 3 0 0 1 b ( e l e c t r i c g e n e r a t i n g s y s t e m , v a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t f r e q u e n c y , a i r c r a f t , g e n e r a l s p e c i f i c a t i o n ) ，交流供电系统应 是 额 定 电 压 为1 1 5 v ， 额 定 频 率 为4 0 0 h z ， 中 线 接 地 的 三 相 四 线 制 系 统 m 。 交 流 发电机交流供电特性的稳态电压范围为:三相电压的平均值在正常情况下为 1 0 5 . 5 -1 1 6 . 5 v 、非正常情况下为9 3 . 5 1 2 4 . 5 v ,应急情况下为 1 0 2- 1 2 0 v , 西北工 业人学a吹! 论文第一章 绪论 电源。 变频电源在国内目前研究较多，大多数用于交流调速，或者是将工频交流 电变为某一频率和电压的交流电，供特殊用电设备使用。论文要研究的信号源 要求输出电压和频率范围宽;而且在输出电压和频率范围内，要求输出电压稳 定、波形失真小，这些都增加了它研制的难度。目 前国内 研究的变频电源作为 能源使用，对它的输出波形失真度要求低，而且电压频率变化范围很小，这些 使得它研究起来比 较容易。 论文研究的信号源是波形失真小而且电 压和频率变 化范围大的宽幅变频变压正弦波交流电源，在国内目 前研究较少，因此它的研 究不仅对于g c u 智能测试设备十分必要， 而且对于有类似要求的供电 设备来说 也具有十分重要的意义。该信号源的研究将会为波形失真小电压频率变化范围 大的交流电源的研究提供一个方法。 t 3 确定信号源功能和技术指标的依据和原则 现代飞机电 源大部分采用1 1 5 v( 相) / 2 0 0 v( 线)4 0 0 h z 三相交流电 源系 统， 部分采用2 7 0 v 中压直流电 源系统， 少量采用2 8 . 5 v 低压直流电源系统。 信 号源的研究设计是针对目 前大多数飞机g c u的检测设备，因此该测试设备应围 绕三相1 1 5 / 2 0 0 v 4 0 0 h z 正弦波交流电来进行设计， 智能检测设备的信号源也应 依据该参数进行设计. 由于g c u 智能检测设备不是在发电机控制器正常工作时对其进行检测，因 此测试时的信号源应该能够模拟g c u 正常工作和非正常工作的各种信号，以 便 g c u 在有故障时能及时提供故障信息，并能提供保护和报警。 根据中华人民共和国国家军用标准 g j b 1 8 1 - 8 6 飞机供电特性及对用电设 备的要求和空中客车 a 3 2 0 g c u检测维护手册 ( h a m i l t o n s u n d s t r an d c o m p o n e n t m a i n t e n c e m a n u a l , p a r t n u m b e r 7 3 5 2 2 6 , 7 4 0 2 0 6 a n d 7 4 0 1 2 0 )以及 美国军用标准m i l - e - 2 3 0 0 1 b ( e l e c t r i c g e n e r a t i n g s y s t e m , v a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t f r e q u e n c y , a i r c r a f t , g e n e r a l s p e c i f i c a t i o n ) ，交流供电系统应 是 额 定 电 压 为1 1 5 v ， 额 定 频 率 为4 0 0 h z ， 中 线 接 地 的 三 相 四 线 制 系 统 m 。 交 流 发电机交流供电特性的稳态电压范围为:三相电压的平均值在正常情况下为 1 0 5 . 5 -1 1 6 . 5 v 、非正常情况下为9 3 . 5 1 2 4 . 5 v ,应急情况下为 1 0 2- 1 2 0 v , 西北 业人学硕 : 论文第一章 绪论 稳态平均频率范围为在正常情况下为 3 8 0 - 4 2 0 h z 、非正常情况下为 3 7 0 4 6 0 h z 在 1 . 、应急情况下为 3 6 0 -4 4 0 h z 。相电压波形应符合以下条件:波峰系数 4 1 士 0 . 1 5范围内:总谐波含量不超过5 % ; 单次谐波含量:任何一次 谐波含量不超过基波有效值的4 % c 偏离系数: 波形对基波相应点偏离值不超 过 基 波峰 值的5% ij 。 以上这些都是进行c c u 智能检测设备信号源的设计依据，所设计的信号源 在上述技术指标范围内 应有所延伸。 信号源不仅要满足测试所要求的 性能指标， 而且还要具备一些必要的功能，如操作方便，具有对自 身的保护功能等。 信号源的整体设计原则是在满足c c u 测试设备要求的各项性能指标和功能 的前 提下，要求操作尽可能方便、体积尽可能小、 成本尽可能低、各项性能指 标尽可能最优。 1 . 4 信号源功能与技术指标 根据信号源上述性能指标的依据，要求设计的信号源性能指标为: 1 、输出为三相四线制、相电压8 0 -1 8 0 v 士1 . 0- 伏; 2 ,频率3 0 0 -4 6 0 h z 士i h z ; 3 、输出波形为近似正弦波、总谐波失真小于3 % ; 4 、功率5 0 0 w . 信号源不仅要能达到它要求的性能指标，还应具备方便人工控制的手段和 工作时正常状态与故障状态的显示，以 及故障时对自 身的 保护功能。 具体来说 它应具备输入接口、输出接口、过电流、过电压保护等功能以及功率器件的散 热问题的处理等。 1 . 5 论文研究的内 容和要求 论文的主要内容是研究并设计、调试宽幅变频变压交流正弦波信号源。主 要涉及以下几方面的工作: 整流电路的设计与调试; 三相逆变主电 路的设 计与调试; 三相逆变控制电路的设计与调试: 信号源监控电路和温控电 路 的设计与调试;逆变输出电压谐波的消除。 西北 业人学硕 : 论文第一章 绪论 稳态平均频率范围为在正常情况下为 3 8 0 - 4 2 0 h z 、非正常情况下为 3 7 0 4 6 0 h z 在 1 . 、应急情况下为 3 6 0 -4 4 0 h z 。相电压波形应符合以下条件:波峰系数 4 1 士 0 . 1 5范围内:总谐波含量不超过5 % ; 单次谐波含量:任何一次 谐波含量不超过基波有效值的4 % c 偏离系数: 波形对基波相应点偏离值不超 过 基 波峰 值的5% ij 。 以上这些都是进行c c u 智能检测设备信号源的设计依据，所设计的信号源 在上述技术指标范围内 应有所延伸。 信号源不仅要满足测试所要求的 性能指标， 而且还要具备一些必要的功能，如操作方便，具有对自 身的保护功能等。 信号源的整体设计原则是在满足c c u 测试设备要求的各项性能指标和功能 的前 提下，要求操作尽可能方便、体积尽可能小、 成本尽可能低、各项性能指 标尽可能最优。 1 . 4 信号源功能与技术指标 根据信号源上述性能指标的依据，要求设计的信号源性能指标为: 1 、输出为三相四线制、相电压8 0 -1 8 0 v 士1 . 0- 伏; 2 ,频率3 0 0 -4 6 0 h z 士i h z ; 3 、输出波形为近似正弦波、总谐波失真小于3 % ; 4 、功率5 0 0 w . 信号源不仅要能达到它要求的性能指标，还应具备方便人工控制的手段和 工作时正常状态与故障状态的显示，以 及故障时对自 身的 保护功能。 具体来说 它应具备输入接口、输出接口、过电流、过电压保护等功能以及功率器件的散 热问题的处理等。 1 . 5 论文研究的内 容和要求 论文的主要内容是研究并设计、调试宽幅变频变压交流正弦波信号源。主 要涉及以下几方面的工作: 整流电路的设计与调试; 三相逆变主电 路的设 计与调试; 三相逆变控制电路的设计与调试: 信号源监控电路和温控电 路 的设计与调试;逆变输出电压谐波的消除。 西北丁业人学 l j j i 。论史第一章绪论 稳态平均频率范围为在证常情况下为3 8 04 2 0 h z 、非正常情况下为3 7 0 4 6 0 t t z 、应急情况下为3 6 0 4 4 0 h z 。相电压波形应符合以下条件：波峰系数 在l _ 4 1 0 1 5 范围内：总谐波含量不超过5 ；单次谐波含量：任何一次 谐波含量不超过基波有效值的4 ：偏离系数：波形对基波相应点偏离值不超 过基波峰值的5 ”1 。 以上这些都是进行g c u 智能检测设备信号源的设计依据，所设计的信号源 在上述技术指标范围内应有所延伸。信号源不仅要满足测试所要求的性能指标 而且还耍具备一些必要的功能，如操作方便，具有对自身的保护功能等。 信号源的整体设计原则是在满足g c u 测试设备要求的各项性能指标和功能 的前提下，要求操作尽可能方便、体积尽可能小、成本尽可能低、各项性能指 标尽可能最优。 1 4 信号源功能与技术指标 根据信号源上述性能指标的依据，要求设计的信号源性能指标为： l 、输出为三相四线制、相电压8 0 1 8 0 v + 1 5 伏： 2 、频率3 0 0 4 6 0 h z 1 h z ； 3 、输出波形为近似正弦波、总谐波失真小于3 ： 4 、功率5 0 0 w 。 信号源不仅要能达到它要求的性能指标，还应具备方便人工控制的手段和 工作时正常状态与故障状态的显示，以及故障时对自身的保护功能。具体来说 它应具备输入接口、输出接1 ：3 、过电流、过电压保护等功能以及功率器件的散 热问题的处理等。 1 5 论文研究的内容和要求 论文的主要内容是研究并设计、调试宽幅变频变压交流正弦波信号源。主 要涉及以下几方面的工作：整流电路的设计与调试：三相逆变主电路的设 计与调试；三相逆变控制电路的设计与调试：信号源监控电路和温控电路 的设计与调试：逆变输出电压谐波的消除。 4 两北t 业大学颅卜论文第一章绪论 对信号源有以下几点要求：电压变化范围为8 0 1 8 0 v ，频率变化范围为 3 0 0 4 6 0 h z ；输出功率为5 0 0 w ；信号源输出波形的总谐波失真小于3 ； 信号源在过流、过压、欠压、高温时能够自动保护。对提供电源的交流电网 影响尽量小；该信号源操作简单、使用方便、成本低。 在该信号源当中，由于涉及输出电压和频率的大范围变化，如何保证输出 电压和频率按照要求的性能指标来变化是本论文要研究的重点。在常规的变频 电源当中，采用交直交变换来实现输出电压和频率的变化。通常的做法是采用 可控整流器进行整流和滤波，进行输出电压的调节，采用逆变电路和滤波电路 实现输出频率的变化。采用这种方式的变频电源输出电压波形中含有大量的谐 波，而且控制电路复杂，不适合该信号源。现在比较切实可行的方法是整流滤 波电路采用不可控整流电路，逆变电路采用s p w m ( 正弦脉宽调制) 控制。如何 产生逆变电路的控制信号是论文要研究的主要问题，经过对各种逆变电路的控 制电路的分析研究，控制核心器件选用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 单片机和英国 m i t e l 公司的集成电路芯片s a 4 8 2 8 来实现。s a 4 8 2 8 可通过a t 8 9 c 5 2 编程控制产 生三相逆变器要求的六路s p w m 控制信号，控制逆变开关器件的动作。通过现场 实时修改s a 4 8 2 8 控制寄存器中电压频率控制字的方法实现输出电压和频率的 分别调节。 信号源的原理框图如图l l 所示 图1 1 宽幅变频变压交流正弦波信号源原理框图 西北工业人学硕 卜 论文 第_章 信号源的理论基 础 第二章 信号源的理论基础 论文研究的信号源与常规变频电 源相比，仅仅电 压频率变化范围大和输出 波形失真度小，在基本原理上是一样的。它研究的理论基础可以应用变频电 源 的相关理论。 2 . 1 变频电源的基本原理 变频电源一般采用交交变频和交直交变频。 交交变频可将工频交流电 直接 变换成频率、电压均可控制的交流电， 称直接式变频。交直交变频是先把工频 交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的 交 流 电 ， 称 间 接 式 变 频 3 从原理上说交交变频和交直交变频均可将工频的交流电变为频率、电压均 可控制的交流电，但由于它们采取的技术途径不同，因而得到的交流电的电 压 和频率适用工作范围是不同的。 2 . 1 . 1 交交变频电源 交交变频电 源是 指无中间 直流 环节、 直接将较高 固定频率 ( f ; ) 的 交流电 变换为频 率 ( 几) 较低而且输出电 压可 调的交 流电 。 框图 如图2 -1 所示 图2 一1直接 ( 交交)变频框图 一、工作原理 以单相为例，电路由两组反并联晶闸管变流器组成，原理如图 2 -2 ( a ) 所示，采用无环流工作方式，一组工作，另一组封锁，两组变流器按一定频率 交替工作， 给负载输出某频率的交流电，如图2 -2 ( b )所示。 对反并联变流器晶闸管的控制角。 从 9 0 -0 -9 0 连续进行交变的相位调 制，由正组变流器提供正半周输出交流电，由负组变流器提供负半周输出交流 西北丁业人学颂i j 论史第二章信i j 源的理沦皋础 第二章信号源的理论基础 论文研究的信号源与常规变频电源相比，仅仅电压频率变化范围大和输出 波形失真度小，在基本原理上是一样的。它研究的理论基础可以应用变频电源 的相关理论。 2 1 变频电源的基本原理 变频电源一般采用交交变频和交直交变频。交交变频可将工频交流电直接 变换成频率、电压均可控制的交流电，称直接式变频。交直交变频是先把工频 交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的 交流电，称间接式变频”。 从原理上说交交变频和交直交变频均可将工频的交流电变为频率、电压均 可控制的交流电，但由于它们采取的技术途径不同，因而得到的交流电的电压 和频率适用工作范围是不同的。 2 1 1 交交变频电源 交交变频电源是指无中间直流环节、直接将较高固定频率( f ) 的交流电 变换为频率( f o ) 较低而且输出电压可调的交流电。框图如图2 1 所示 图2 1 直接( 交交) 变频框图 一、工作原理 以单相为例，电路由两组反并联晶闸管变流器组成，原理如图2 2 ( a ) 所示，采用无环流工作方式，一组工作，另一组封锁，两组变流器按一定频奉 交替工作，给负载输出某频率的交流电，如图2 - 2 ( b ) 所示。 对反并联变流器晶闸管的控制角a 从9 0 0 o 一9 0 。连续进行交变的相位调 制，由正组变流器提供正半周输出交流电，由负组变流器提供负半周输出交流 两北t 业大学坝 j 论文 2 f ! ：二章信号源的础论基础 电。改变控制角q 变化的快慢，即正负两组变流器的切换频率可以控制输出交 流电的频率，改变控制角a 的大小可以控制交流电输出电压的幅值。交交变 频电源输出电压波形如图2 3 所示。 ( a )( b ) 图2 2 单相交交变频电路原理翻 酗2 - - 3 交交变频电源输出电压波形 交交变频电源完成变频过程必须有两种换流形式，即换流过程和换组过程， 晶闸管的导通和关断过程称为换流过程。正组与反组变流器的交替工作过程称 为换组过程。前者是晶闸管在工频交流电电网电压过零时自然换流，称为电网 换流：后者是利用输出电流过零信号进行换组。 二、特点： 1 、只用一次变流，且使用电网换流，直接变换效率高，但可调频率范围窄， 为额定频率的1 2 以下。 2 、输出电压是由输入电压波形的某些部分所构成，因此在低频时输出电压 波形较好，接近正弦波。 3 、按电网电压过零自然换流，采用普通晶闸管，变流器容量可以很大。 4 、因电路构成方式的特点，所用晶闸管数量较多，三相交交变频电源至少 需要3 6 只晶闸管。 5 、由于采用相控方式，功率因数较低，特别在低速运行时更低，需要适当 补偿。 西北工业大学硕士论文第_章 信号源的理论基 础 2 . 1 . 2 交直交变频电源 交直交变频是通过整流与逆变两种变换将输入工频交流电 变换为要求电压 和频率的交流电。交直交变频理论上可以产生任意频率的交流电，是现代变频 电 源普遍采用的方法。 交直交变频电 源的基本构成框图如图2 - 4 所示。 主 要由 主电路 ( 包括整流器、中间直流环节、逆变器) 和控制电路组成。 图2 - 4交直交变频电源基本构成框图 上述框图分述如下: l . 整流器是将三相 ( 或单相) 交流电变成直流电， 整流可分为可控整流和 不可控整流。 2 , 逆变器是将直流电变为单相或三相交流电. 最常见的结构形式是利用六 个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路和利用四 个半导体主开关组成的单 相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中开关器件的导通和关断，可以得到任 意频率的三相或单相交流电输出。 3 、 中间直流环节是对经过整流的脉动直流电压进行平滑， 使之尽量接近理 想的直流电或达到满足逆变要求、脉动尽可能小的直流电. 4 、 控制电路主要是对可控整流电路和逆变电路进行控制使输出的直流和交 流满足要求。 控制电 路通常由 运算电 路、 检测电 路、 控制信号的输入、 输出电 路和驱动电路等构成，其主要任务是完成对逆变器的开关控制和对整流器的电 压控制以及完成各种保护功能等。 变频电源可分成电压型和电流型变频电源两类。电流型变频电 源的典型电 路形式如图2 - 5 所示， 其特点是中间直流环节采用大电感作为 储能 环节。 山 于 电感的作用，主电路直流电流趋于平稳，逆变输出电流为方波或阶梯波。直流 西北下业人学硕 i 一 论文 第 _ 帝 信号 源的理论呆咄 电源的内阻较大， 近似于电 流源。 电 压型变频电源的典型电 路形式如图2 - 6 所 示，图中逆变器每个导电臂均由一个可控开关器件和一个不可控器件 ( 通常为 二极管)反并联组成。该电路的特点是中间直流环节的 储能元件采用大电容。 由于大电容的作用， 主电路直流电压比较平稳， 逆变输出电压为方波或阶梯波。 直流电源内阻比较小，相当于电压源。 -3 必 图2 -5 电流型变频电源的主电 路 按输出电压调节的方式变频电源通常有脉冲幅值调节 ( p u l s e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n p a m ) 方式和脉冲宽 度调节( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n p w m ) 方式。 p a m 方式是通过改变直流电压的幅值进行电压调节的方式， 在变频电源中， 逆变器只调节输出频率，而输出电压的调节则由 相控整流器 ( 图2 - 6 ) 或直流 图2 - 6 电压型变频电 源的主电路 斩波器 ( 图2 - 7 ) 通过调节直流电 压来实现， 采用相控整流器调压时网 侧的功 率因数随调制深度的增加而变低。而采用直流斩波器调压时，网侧功率因数在 不考虑谐波影响时，可以达到c o s rp , -l a p a m 控制方式高压和低压时的输出线电压波形如图2 -8 所示 西北工业大学硕七 论文第二章 信号源的理论基 础 新 波 若 瞥能 、 3 中 图2 - 7 采用直流斩波器的p a m 方式 十 一 卜!卜 上 一 _ _ _ _了生 _ _ _ _ _ 低压 卜 一d 下卜 图2 一8 六脉冲方波逆变器的输出线电压 ( a 高压 b 低压) 脉冲宽度调制方式 ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) 简称p w m 方式， 最常见的 主电 路如图2 - 9 ( a ) 中。 变频电 源中的整流器采用不可控的二极管整流电 路， 变频电 源的输出电压和输出频率的调节均由逆变器按p w m 方式完成。调压过程 的 示 意图 见图2 - 9 ( b ) 。 利 用 参考电 压 波u ， 与 载频 三角 波u 。 相互比 较， 来 决 定开关的导通时间而实现调压，利用脉冲宽度的改变来得到输出幅值不同的正 弦基波电 压。 这种参考信号为正弦波， 输出电 压波形近似为正弦波的p w m 方式， 称为正弦p w m 调制. 简称s p w m ( s i n u s o i d a l p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) 方式。 通常变频电源采用s p w m 方式既可调频又可调压，是一种最常采用的方塞 - r, 4 , e d 序一川匕一州平一一了 ”、 l口一下二= fk lt a 场 锻 报岁 ( a )主电路 西北工业人学(gq i 卜 论文 第二章 信号 源的理论基 础 ( b )调压时的波形 图2 -9 p w m 变频电源 2 . 2 整流电路 在变频电源中，主电路通常采用交直交变换实现变频和变压，交直变换即 整流电路，是将交流电变为直流电。整流电路通常可按相数分为单相整流、三 相整流以及多相整流.由于多相整流并不常见.所以这里只介绍单相和三相整 流。 单相整流就是将单相工频交流电 整流为直流电 压， 它的特点是整流电 路简 单， 所用元件少， 成本低， 缺点是整流后的 直流电 压脉动大，如果在交流输入 侧不加变压器，它整流后得到的直流电压也比较低。 三相整流是将三相工频交流电整流为直流电压，它的 特点是整流电路相对 单相来说， 所用元件较多，成本相对较高， 但它具有整流输出的直流电 压脉动 小、电压高的优点。由于直流脉动小，所需滤波元件的容量变小，体积变小。 整流电路还可根据所用整流器件分为不可控整流和可控整流电 路。不可控 整流电路就是由 不可控的器件 ( 整流二极管)构成的整流电路，此种整流电 路 输出的直流电压不可调节。 不可控单相整流电路在理想情况下，输出电压与输入电压的关系为: v = 2 亚 v , -0 . 9 v ， 式中呱 为 整流输出电 压. v , 为 整流 输入交流电 压有效 值 或者 变压器二次侧电压有效值。 不可控三相桥式整流电路在理想情况下，输出直流电压与输入交流电压之 间 的关系为: v二 1 . 3 5 x u ,. 式中又为 输出 直流电 压， v 为整 流输入的 三相 交 流 电压线电压的有效值。 西北工业人学(gq i 卜 论文 第二章 信号 源的理论基 础 ( b )调压时的波形 图2 -9 p w m 变频电源 2 . 2 整流电路 在变频电源中，主电路通常采用交直交变换实现变频和变压，交直变换即 整流电路，是将交流电变为直流电。整流电路通常可按相数分为单相整流、三 相整流以及多相整流.由于多相整流并不常见.所以这里只介绍单相和三相整 流。 单相整流就是将单相工频交流电 整流为直流电 压， 它的特点是整流电 路简 单， 所用元件少， 成本低， 缺点是整流后的 直流电 压脉动大，如果在交流输入 侧不加变压器，它整流后得到的直流电压也比较低。 三相整流是将三相工频交流电整流为直流电压，它的 特点是整流电路相对 单相来说， 所用元件较多，成本相对较高， 但它具有整流输出的直流电 压脉动 小、电压高的优点。由于直流脉动小，所需滤波元件的容量变小，体积变小。 整流电路还可根据所用整流器件分为不可控整流和可控整流电 路。不可控 整流电路就是由 不可控的器件 ( 整流二极管)构成的整流电路，此种整流电 路 输出的直流电压不可调节。 不可控单相整流电路在理想情况下，输出电压与输入电压的关系为: v = 2 亚 v , -0 . 9 v ， 式中呱 为 整流输出电 压. v , 为 整流 输入交流电 压有效 值 或者 变压器二次侧电压有效值。 不可控三相桥式整流电路在理想情况下，输出直流电压与输入交流电压之 间 的关系为: v二 1 . 3 5 x u ,. 式中又为 输出 直流电 压， v 为整 流输入的 三相 交 流 电压线电压的有效值。 两北t . 业大学硕 卜 论文第_章 信号源的理论基 础 可控整流电路就是由可控器件 ( 晶闸管、 m o s f e t 等)构成的整流电路。该 种整流电路的输出直流电压大小可通过控制开关器件的导通角来调节。如果只 能控制开关器件的导通而无法控制它的关断，关断只能由另外增加的换流电路 来完成，这样的整流电路称为半控型整流电路。如果既能控制开关器件导通又 能控制关断，这样的整流电路称为全控型整流电路。可控型整流电路输出的直 流电压可根据实际需要进行调节。 2 . 3 脉宽调制控制技术 脉宽调制技术通常采用三角载波对参考波进行调制，其原理是用一系列脉 冲 宽 度 不 等 幅 值 相同 的 矩 形 脉 冲 去 逼 近 一 个 所需 要 的 电 压 或电 流 信 号 4 ; 。 图2 一1 0 表示三角波调制的原理，它是利用三角波电压与正弦波参考电压相比较， 来调节各分段矩形脉冲的宽度。 三角波调制法的电路结构如图2 -1 0 所示。在电 压比较器a 的同相输入端 输入正弦波参考电压u h ， 反相输入端输入三角波电压u o ， 在a 的输出 端得到p w m 调制电压脉冲u p . u 。 和u 。 分别接在电压比较器的同相输入端与反相输入端，当u r u 。 时，输出高电平。输出脉冲的宽度由u ， 和u 。 的交点决定， u ， 和u 。 的交点随参考电压u r 的幅值大小而变。由图 2 -1 0所示的三角波调制 电路，可得到幅值相等而脉冲宽度不等的p w m 电压信号u 。 。 恤恤， ( a ) 电路原理图( b ) p w m 脉冲形成 图2 -1 0 三角波调制法原理 p w m 控 制 方 式 可 分 为 同 步 式、 异 步 式 及 分 段同 步 式 三 种 控 制 模 式 。 、 同步 控制 方式。 三角 波电 压的 频率f o 与参 考电 压的 频率f h 之比f/4为 两北t . 业大学硕 卜 论文第_章 信号源的理论基 础 可控整流电路就是由可控器件 ( 晶闸管、 m o s f e t 等)构成的整流电路。该 种整流电路的输出直流电压大小可通过控制开关器件的导通角来调节。如果只 能控制开关器件的导通而无法控制它的关断，关断只能由另外增加的换流电路 来完成，这样的整流电路称为半控型整流电路。如果既能控制开关器件导通又 能控制关断，这样的整流电路称为全控型整流电路。可控型整流电路输出的直 流电压可根据实际需要进行调节。 2 . 3 脉宽调制控制技术 脉宽调制技术通常采用三角载波对参考波进行调制，其原理是用一系列脉 冲 宽 度 不 等 幅 值 相同 的 矩 形 脉 冲 去 逼 近 一 个 所需 要 的 电 压 或电 流 信 号 4 ; 。 图2 一1 0 表示三角波调制的原理，它是利用三角波电压与正弦波参考电压相比较， 来调节各分段矩形脉冲的宽度。 三角波调制法的电路结构如图2 -1 0 所示。在电 压比较器a 的同相输入端 输入正弦波参考电压u h ， 反相输入端输入三角波电压u o ， 在a 的输出 端得到p w m 调制电压脉冲u p . u 。 和u 。 分别接在电压比较器的同相输入端与反相输入端，当u r u 。 时，输出高电平。输出脉冲的宽度由u ， 和u 。 的交点决定， u ， 和u 。 的交点随参考电压u r 的幅值大小而变。由图 2 -1 0所示的三角波调制 电路，可得到幅值相等而脉冲宽度不等的p w m 电压信号u 。 。 恤恤， ( a ) 电路原理图( b ) p w m 脉冲形成 图2 -1 0 三角波调制法原理 p w m 控 制 方 式 可 分 为 同 步 式、 异 步 式 及 分 段同 步 式 三 种 控 制 模 式 。 、 同步 控制 方式。 三角 波电 压的 频率f o 与参 考电 压的 频率f h 之比f/4为 西北t业人学硕 i s 论文 第二章 信号 源的理论基础 常数时称为同步控制方式。 在这种方式下， 逆变器输出电压每个周期内 所含的 三角波电压数目是固定的，所产生的p w m 脉冲数目 也一 定。 这种控制方式的优点是在逆变器输出频率变化的范围内，可保持输出波形 的正、负半波完全对称，只有奇次波存在，并能严格保证逆变器输出的三相波 形之间有1 2 0 0 相移的对称关系， 这种控制方式的严重缺点是逆变器低频输出时， 每个周期内的p w m 脉冲过少，低次谐波分量较大。 2 、 异步控制方式。 异步控制方式中， 三角载波频率不变， 低频运行时， 逆 变器输出电压每个周期内的p w m脉冲数相应增多，