（电力电子与电力传动专业论文）中频电动工具电源.pdf

四川i 大学硕士学位论文( 2 0 0 4 1 p o w e rs u p p l yf o re l e c t r i c a lt o o l s b a s e do nm i d d l ef r e q u e n c y p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rt r a n s m i s s i o n p o s t g r a d u a t e h em i n g z h i s u p e r v i s o rh u a n gn i a n c i e l e c t r i cp o w e ri sp l a y i n gam o r ei m p o r t a mr o l ei ns o c i e t y , w i t ht h ea c c e l e r a t i v e d e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r yn o w a d a y s a n di tc o n t r i b u t e st ot h er a p i di n c r e a s e o fe l e c t r i ct o o l s n o w , w ea r ea l lc o n v i n c e dt h a ti tc a r li m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y w h e r e a sh a v et oa d m i tt h ed e f e c ti ni t sh e a v i n e s so ru n s a f ef a c t o n i t i sa ni m p o r t a n tt a s kt oi m p r o v et h es a f e t ya n dp o r t a b i l i t yo fe l e c t r i ct o o l s t h e r e f 0 1 e ，i ti ss i g n i f i c a n tf o ru st od e s i g no p t i m i z e dm i d d l ef r e q u e n c yp o w e r s u p p l y t h i sa r t i c l ep r e s e n t ss o m ea p p r o a c h e st os u p p l yt h em i d d l ef r e q u e n c ye l e c t r i c t o o l s a f t e rc o m p a r i n ga d v a n t a g e sw i t hd i s a d v a n t a g e s ，t h ep a p e ru l t i m a t e l yp r o j e c t s a no p t i m u mm e t h o d t h er e l a t e dt h e o r ya n dt h ep r o c e s so fd e s i g na r ee x p l a i n e d t h e e x p e r i m e n ti sc a r r i e do u t ，w h i c ho b t a i n sp e r f e c tr e s u l t s t h ep o w e rs u p p l yc a n p r o v i d ea p p r o p r i a t ee l e c t r i c i t yf o rt h er e l a t e dm i d d l ef r e q u e n c ye l e c t r i ct o o l s ，o f w h i c hp e r f o r m a n c ei se x c e l l e n t k e yw o r d s ：e l e c t r i ct o o l sm i d d l e f r e q u e n c y p o w e r s u p p l y 四川大学硕士学位论1 3 7 ( 2 0 0 4 、 1 概述 1 1 电动工具的发展及现状 1 1 1 电动工具的起源 电动工具是一种运用小容量电动机，通过传动机构驱动工作头的手持式或 叮移动式的机械化工具。 世界上第一台电动工具是1 8 9 4 年制造，由直流电动机驱动的电钻。1 9 0 0 年 制造出三相j i 频电钻，由三相异步电动机驱动。1 9 1 3 年生产出首批由单相串激 电机驱动的交、直流两用电钻。2 0 世纪8 0 年代后，随着世界经济的发展，电动工 具技术得到迅速发展。到新世纪初，世界电动工具的品种发展到近千个，年产量 超过l 亿台。 电动工具结构轻巧，携带方便。它比手工工具可提高劳动生产率几倍到几十 倍，比传统的风动工具效率高、费用低( 勿需空压机) 、震动和噪声小、易于自 动控制。因此，电动工具逐步取代手工工具，已广泛应用于机械，建筑、机电、冶 金设备安装，桥梁架设，住宅装修，农牧业生产，医疗、卫生等各个方面。并且广 为个体劳动者及家庭使用，是一种量大面广的机械化工具，发展前景十分广阔。 在机械_ _ _ 业中使用的电动工具就有几十种，分别用于钻孔、攻丝、割锯、剪切、 去锈、磨光、抛光、胀管以及螺钉、螺栓和螺母的紧固等。农田改造、水利建 设、隧道施工和矿山开采中的凿岩、混凝土夯实，铁路建设和养护中的夯实，农 牧业中的农药喷洒、剪毛、采茶和林业部门的伐木、造林、打枝、木材加工中 的锯、刨、开榫、砂光均有相应的电动工具。在医疗方面，外科手术中的锯骨、 钻骨、拆石膏也有专用的电动工具，工艺美术中的雕刻，地毯剪绒及其他方面也 使用相应的电动工具。 建筑、装修业的发展对电动工具的品种及数量的需求，刺激了电动工具的迅 速发展。过去，在钢筋混凝土上打孔用的是钢钎手工操作，不仅劳动强度大、效 率低，而且成孔的质量差。使用电锤不仅提高了工效，成孔质量也大大提高。在 砖墙上打孔，只需使用冲击电钻就能获得令人满意的孔洞。房屋敷设电线，埋设 管道也有相应的电动工具，地板的铺设、家具制造、安装等离不开木工电刨、电 圆锯、电动螺丝刀等。 有些电动工具还具有特殊的功效。如电剪刀可按所需曲线剪切钢板：电冲 剪能在钢板上开出各种形状的孔，且不会使工件弯曲变形；角向电钻能在比较狭 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 窄的场合对工件钻孔；磁座钻能吸附在被加工钢铁件上钻孔作业：自爬式锯管 机能自动的切断大直径的钢管；定扭矩扳手能控制螺栓达到恒定预紧力；电动 胀管机能自动控制管子和管、板联接的胀紧度等。 电动工具除单独使用外，还可组合使用。如多头钻、组合扳手等。有的电动 工具还可以安装在机械手上进行自动加工或装配，电钻、电圆锯、电刨等增加菜 些附件( 如台架) 即能成为台式工具。有些电动工具可以代替专用机床，如曲轴 修磨机、气门研磨机可以代替磨床，用于内燃机维修。此外，还有配备多种可置 换传动机构和工作头的电动工具，实现一机多用，以适应农村或其它流动机修工 作的需要。 1 1 2 电动工具使用中存在的问题 电动工具由于工作效率高被广泛使用，但在使用的过程中也暴露出一些问 题。 l 、有些电动工具由于体积、质量过大，使用不够方便，导致操作人员疲惫 工作。 2 、电动工具采用电能作驱动。在使用过程中，因绝缘损坏或其他原因导致 工具机身带电或漏电，对人员的安全构成了严重的威胁。此类操作工人被电击 致死致残的报道屡见不鲜。 1 2 使用中频电动工具的意义 1 21 中频电动工具的概念及特点 目前电动工具基本类型有单相串激式、三相工频式和三相中频式 ( 国外称高频) 三种。单相串激式电动工具采用单相串激电动机，其特点是转 速高，单位重量功率大，重量轻、体积小。三相工频电动工具采用三相工频异 步电动机，其结构简单、运行可靠、维护方便。而三相中频电动工具是采用三 相中频异步电机，其电机作用原理、结构与三相工频异步电动机完全一样，只 是供给三相中频电，它兼有单相串激和三相工频两者的优点，具体如下： i 、重量轻 电机重量决定于电机转速和电源频率，其公式为 2 蒌l 引火学硬士学氆论文( 2 0 0 4 g 崛j 等( 爷( 公斤) 其中，g 为电瓿震量，g 。为熏鳖系数，对予瓣对磁稷，三裙稼罐獗率嚣言， g ，约为1 1 ；对于两对磁极三相2 0 0 赫兹频率g 。一1 2 萑1 3 ，f 为电源频率，最为电 机输出功率( 瓦) ，1 1 为电动机转逋( 转分) ，a 为指数，对于小型电机而言该 值为0 ，j 。 由公式可知，当输出功率只一定时，转逮增麓，电孝凡藏璧降低。丽蠡l 公式 n 。塑( 其中p 为磁极对数，伪频率) 可翔，频率塘翔，转速方麓撬离。 这里以只= 1 1 0 0 瓦的三相圆缀工频和三桐四级中频电机进行比较。按三相 电机转差率s = 3 5 ，选s = 5 ，工频n = 1 0 2 5 转分( 频率5 0 h z ) ，中频n 一5 7 0 0 转，分，( 中凝取2 0 0 h z ) 。将有关数据戗入公式褥妥如下的诗簿： 鱼：当鳖一 g 中l 沁型堕 2 0 0 1 1 4 0 0 目, i c e 频1 1 k w 的工频电机的质量为中频2 0 0 h z 四级电帆质量的3 3 8 倍。当然 艟错i 地) | i f 、 l5 旗盘 i 、 、l 一圣一 1 1 -一一 - l v _ | ll1 撼 ，一一 01 0 02 0 0 3 0 0 4 0 05 0 0 额率( 1 1 7 , ) 图】，1 电机、减速机构及整机的璧量与频率的关系 3 匹! q ) j l 大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 这个数据只能做定性对比的参数。频率也不能无限地提高，因为频率提高引起 转速增加；同时为了维持工作转速就要增大传动比，带来减速机构的重量增加。 从上可得知，频率的提高可以带来电机质量得到减轻的好处，同时有不得 不增大减速机构的缺点。那么，在什么时候能达到得到整机质量最小呢? 由西 德b o s c h 电动工具资料和英国工厂工程师杂志资料，它们有如图1 1 所示的 关系。 从图l ，l 可以看出，随着频率的升高，电机质量会下降，同时也会引起减速 机构质量增加。总的质量随着频率的变化不是单调变化的。在频率约为3 0 0 h z 时，总机质量为最小值。 2 、单位重量的功率比较大 表1 1 列出了相关数据。频率增加，单位重量功率明显增加。 表1 1 相关国家的电钻比较 j 国别单相工频电钻三相工频电钻中频工具备注 ( 瓦公斤)( 瓦公斤)( 瓦公斤) j 由圄6 0 9 52 0 4 06 0 一1 2 02 0 0 h z 电钻 苏联 2 0 4 05 0 一1 1 0 2 0 0 h z 电钻 德国 4 0 03 0 0 h z 电钻 从表1 1 的数据可以看出，虽然各个国家的情况各有不同，但是中频工具比 三相工频工具的比较表明了中频工具单位重量的功率比工频的大些。 3 、尺寸小 由西德b o s c h 工业工具资料，输出同样功率情况下，一个高频电动工具的转 子和一个标准频率三相电机电动工具的转子，尺寸大小比为1 4 ：3 2 。 4 、负载时转速稳定，电特性较硬，适于超载使用 这里以气动工具、单相串激式电动工具和中频电动工具为例做如下特性曲 线，如图1 2 所示。 其中l 为中频三相电机，2 为单相串激电机，3 为气动扳手的发动机。如图中 数据显示：从空载到额定负载，转速下降的比例分别为5 ，3 0 及4 0 5 0 。显 然中频三相电机最理想。 4 露j 杰学壤士学位诡文( 2 鞠4 ) 轻避 l 一一 一一一 二二一一 剧1 2 不同电机转速下降比较 5 、与气动扳手地较，在效率、耗电、工时成本、工作声响上有优势 前苏联有关瓷料显示鲡表1 2 。 表1 2 前苏联的电动工其相关参数比裁 名称 电动扳手气动扳手 效率( )4 0 5 。7 一1 1 扭矩为3 k g 米时耗能 0 7 54 0 6 0 | 二时成本1 0 0 76 3 4 0 l 丁作影响中等噪音强噪音 6 、坚固耐用、工作可靠 气动工具：空气中的水分和灰尘容易遗成工具零件的磨损、腐蚀，受温度 影响较大，寒冷时还容易结冰。 单提审激式惫动工兵：赉予空气孛豹承分对整漉予、碳潮彩稳，经之受潮 短路。对于超载，火花大，不易双向运行( 即总有一个方向火花大) ，受灰尘 影响端磨损，不能在易燃易爆气体中工作。 5 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 、 中频三相电动工具：没有碳刷，整流子，不存在上述工具的弊病，只需保 护好定子绕组即可，所以坚固耐用。 7 、结构简单，使用维修方便，寿命长 中频电动工具不仅结构简单、重量轻，手持方便，而且电机部分二般没有 故障，其使用寿命较长。 8 、使用安全 高频电比低频电对人体危害要小，同时中频电动工具可以在安全电压范围 内使用。 1 22 国外中频电动工具发展动态 前苏联情况：本世纪五十年代初期曾生产过一批中频电动工具，我国长春 汽车厂曾引进一批电动扳手使用。只是由于电动工具结构上有些不够合理，有 的转产，有的停产。在七十年代后，又出现了一批电动工具，如中频电动扳手， 而且已经在焊接工程车上装备了四种电动工具。 德国情况：现在两大公司b o s c h ，f e i n 公司都各有一系列的中频电动工具。 据了解西德大企业都采用中频电动工具，足见其优点所在。 英国情况：美国工厂工程师杂志1 9 8 9 年7 月第1 3 卷第7 号资料刊载，中 频电动二 具但应用在民用，而且也应用于英国陆军作战部队。通过定型试验， 美国防部己为其产品签发了合格证，批准生产。中频电源发电机安装在 l o n g r 0 1 j e r 吉普车，由该车发动机带动，车上配备有整套的电动工具和照明、抢 救、救灾、取暖器材。可以在各种气候各种地形上运输使用，为战场抢救及拆 装换件修理提供了方便。 日本情况：据k o s o k u 公司高频电动工具应用于手砂轮机上，其高频为2 4 0 h z 罕3 6 0 h z 。 123 我国中频电动工具发展动态 我国于上世纪六十年代末期研制了几种电动工具，f h 2 0 0 h z 的变频机组供 电，目前仅有混凝土振动器和电链锯在生产。 工程兵研究所于1 9 6 9 年至1 9 7 3 年曾研制了一整套金工用中频电动工具，装 在工程车上使用，重量为9 0 9 公斤。已做过定型试验，最后因电源问题解决不 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 够好未能得到推广，现准备重新论证。 目前国内大的机械制造厂，如天滓拖拉机制造厂、长春汽车制造厂准备用 中频电动工具代替现有的气动工具。 13 本文所做的工作 本文在总结了中频电动工具发展和现状的基础上，分析对比了多种系统方 案，论证了本文选择的最佳中频电动工具电源方案。在介绍相关理论的基础上 x , j 电源系统进行了详细的分析和设计，并开发了一台样机。通过对系统的全面 检测和试用，证实了方案的合理性和可行性。 7 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 2 方案选择 电动工具作为一种电器产品，它的运行是由电能来驱动的。考虑到电动工 具多数需由人直接来操作才能工作，根据第一章的论述，我们需要的是中频、 低压且必须与电网隔离的电源来驱动电动工具，显然从电网上直接取得的电是 不能满足这三个要求的。为此，我们须从多方面考虑来寻求满足要求的方案。 21 方案一( 采用中频发电机) 由上面的分析得知，电动工具所需的电能不能直接由电网得到，但既然是 电能，最简单的办法就是由发电机得到。 由发电机进行供电大致有二种办法，一是采用油作为燃料的发电机；二是 采用工频电带动的发电机。这二套思路均可得到满足隔离、低压、中频的条件。 陔方案的主要优点是： 1 、可靠性高 因为是直接采用电动机、发电机来从电网获得电能，那么该原理简单，有 许多成熟的产品可供选取形成方案，其可靠性高。 2 、开发周期短 市场上能做电动机、发电机的厂家多，可直接选用或定购，这样开发周期 比较短。 该方案的主要缺点是： 1 、噪音大 发电机在运行时，不可避免产生较大的噪声，给周围的工作环境带来了不 良影响。 2 、有污染 如果是采取油作为燃料的发电机，不仅有噪音，而且油料的燃烧会污染空 气。不仅如此，由于此类发电机的效率不高，造成了许多的能源浪费。 3 、易受电网电压波动影响 如果采用电动机带动发电机，电动机的运行状况与电网上电压有关系，那 么电网电压的变化也会引起电动机工作状态的变化，从而导致发电机发出的电 压发生变化，影响电动工具的工作。 4 、不便于随身携带 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 作为电动工具，在使用过程中不可避免地有许多移动过程。由于发电机体 积大，重量大，随身携带很麻烦。同时，在发电机运行一段时间后，如果要临 时移动也是不安全的。因为在运行过后的一段时间内，发电机机身温度较高， 容易烫伤人。 2 2 方案二( 采用变压器加上逆变桥) 由上面提出的隔离、低压、中频的要求，亦可采用结构如图2 1 所示的方 框图的系统来实现。 图21 变压器加逆变桥结构的电源方粟 如上图所示，将电网输入的电压直接进行隔离的降压变压器，利用一级变 压器不仅实现了降压也实现了隔离。后面的整流滤波电路对变压器次级输出的 交流电变换成直流电。此后，三相逆变桥把该直流逆变成频率满足要求的交流 电f 17 , 1 9 。 此方案的优点： 1 、噪声大大减小 此方案较方案一的噪声大大减小，只是变压器在工作时有可能会有较小的 声音，这对工作人员的影响不大。 2 、不会直接向空气中排放废气对空气造成污染 由于没有用油作燃料，所以不会向空气排放废气。 此方案的缺点： 1 、重量较大 此方案中的变压器降压、整流及滤波部分是对工频交流电进行变换的，因 此该变压器的体积和重量不容忽视。同时后面的滤波电路的参数也会较大，导 致了重量及成本的增加。重量过大对于便携工具的使用将是一个障碍。 2 、输出电压易受电网波动影响 电刚电压不可避免地会在一定范围内波动，工频变压器对该波动是不能进 四j i i 大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 行调节的，所以这些电网的波动会直接反应到输出电压上。要得到稳定的直流 电压，就必须在逆变环节加上复杂的电压反馈及处理电路或是采用其他的稳压 电路。但这样就增加了电路的复杂性，引起系统的成本增加。 2 3 方案三( 采用开关电源做成a c d c + d c a c ) 此方案应用了现代电力电子技术发展的最新成果，如图2 2 所示，利用高 频逆变将电网电压经整流桥整流后的直流电压逆变成高频的交流电压，在此级 经过反馈控制的调节，达到了隔离、降压的效果：此后又经三相逆变桥变换成 所需的交流电。 图2 2 开关电源方粟 此方案的优点： 1 、无噪声 该方案中，系统免除了发电机等带来噪声的部件。正常工作的系统仅有小 的轴流风机转动的声音，不会对工作环境造成影响。 2 、体积小、重量轻 电力电子技术的发展给人们带来了许多的益处，其中很重要的一点就是能 在高频状态下实现电能变换，这样可大大减小其中的变压器及滤波环节元器件 的体积、重量。在本方案中充分利用该优点，使电源更加便于携带使用。 3 、电压稳定 该方案采用开关电源得到稳定的输出电压，在额定工作范围内的电压波动 不会对系统造成影响”。4 “1 。 此方案的关键技术： 此方案采用先进的逆变技术给设计带来了许多优势。同时，在设计过程中 必须注意的问题是如何保证系统的可靠一l f f ：。系统需要设置必要的保护功能及其 他一些相关措施来提高可靠性“5 。 四j i i 大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 2 4 小结 由上面的分析可知，在这几种方案中，从使用携带方便、输出电压符合要 求等因素来看，方案三较方案一和方案二在体积重量等性能指标方面有较大的 优势；但方案三在设计过程中必需考虑到电子系统的可靠性。随着电力电子技 术的发展，这已经不再是个问题了。因此，方案三比方案一和方案二更县可行 性。 塑业查兰堕圭堂垡兰圣! ! ! ! 竺 3 s p w m 逆变技术及异步电动机的相关理论基础 3 1 电动机的相关理论 以下介绍将要用到的些基本概念。中频电源的许多功能的设定都是建立 1 笙这些基本概念的基础上的。 1 、工作频率f 。：用户要求中频电源稳定运行时的输出频率，通常 需要外部设定。 2 、基本频率 ：调节频率时用来作为基准的频率，通常是电机 的额定频率f 3 、最高频率f 。：中频电源能输出的最大频率，应根据工作需要 设定。 4 、调制波形：常用正弦或加三次谐波的加强型正弦作为p w m 脉冲的调制波。 5 、恒磁通调速：对异步电机进行调速控制时，常常希望保持电 机的主磁通量不变，磁通太弱则铁芯不能充分利用，同样的转子电流下，电磁 转矩小，电动机带负载能力下降；磁通太强时，则电机处于过励磁状态，励磁 电流增大，限制了定子电流的负载分量，同样降低了电机带负载的能力。由公 式e 。= 4 4 4 k 。f n ，e 1 ) 。可知巾。由e ，和，共同调节，对巨和厂进行适当的控制则 可保持中。不变。一般当电流频率在基频以下( 厂 厂) ，频率由额定值 ，向上增大，但电压u ，受额定电压u ，。的限制不能再升高，只能保持u ， = u 。不变，这必然使主磁通中。随f 的上升而下降，相当于直流电机弱磁调速 的情形，属于近似的恒功率调速方式。此时，电机的电磁转矩减小，负载能力 下降，机械特性变软，但是电机吸取电源的功率基本不变，具有“恒功率”的 性质。在实际的装置中有许多种u 和f 的关系，这需要根据负载的情况加以选 择。 上述概念主要讲了异步电机的变频调速必须以一定的规律同时改变定子电 压和频率，这即是v v v f ( v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 调速控制。 2 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 对于上述两种调速方式综合得到如图3 1 所示的关系。 厨1 半扣一f 口 f 0 3 2s p w m 控制技术相关概念 在采样理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有 惯性的环节上，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。这里说的效果基本相 同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析， 则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。如图3 2 所示的三个窄脉冲形状 不同，其中a 、b 、c 所示的三个窄脉冲形状不同，其中a 为矩形脉冲，b 为三 角形脉冲，c 为正弦半波脉冲，但它们的面积( 即冲量) 都等于l ，那么，当它 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图 中d 所示的单位脉冲函数占( f ) 时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数 1 0 1 1 2 】。 l ；l d ) 图3 2 形状不同而冲量相l 司的各种窄脉冲 根据上述内容，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 w m 波形中各个脉冲的宽度和间隔就可以准确地计算出来。这种 方法叫计算法。此方法很繁琐，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，把接受 调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的波形。通常采用等腰三 角形或锯齿波作为载波。 在s p w m 型逆变电路中，载波频率以与调制信号频率正之比n = 正六称为 载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，s p w m 型逆变电路可 以有异步调制和同步调制两种控制方式。 a 、异步调制 载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。在异步调 制方式中，调制信号频率f 变化时，通常保持载波频率疋固定不变，因而载波 比n 是变化的。这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉 冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，同时，半周期内前后1 4 周期的 脉冲也不对称。 当调制信号频率较低时，载波比n 较大，半周期内的脉冲数较多，正负半 周期脉冲不对称和半周期内前后1 4 周期脉冲不对称的影响都较小，输出波形 接近正弦波。当调制信号频率增高时，载波比n 就减小，半周期内的脉冲数减 t m n 大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 少，输出脉冲的不对称性影响就变大，还会出现脉冲的跳动。同时，输出波形 和正弦波之间的差异也变大，电路输出特性变坏。对于三相p w i v l 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，希望尽量提高 载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比。 b 、同步调制 载波比n 等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方 式称为同步调制。在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比n 不变。 调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在三相p w m 逆变电路中，通常公用个三角波载波信号，且取载波比n 为3 的整数倍，以 使三相输出波形严格对称，同时，为了使一相的波形正负半周镜对称，n 应取 为奇数。 当逆变电路输出频率很低时，因为在半周期内输出脉冲的数目是固定的， 所以由s p w m 调制而产生的f 附近的谐波频率也相应降低。这种频率较低的谐 波通常不易滤除。如果负载为电动机，就会产生较大的转矩脉动和噪声，给电 动机的芷常工作带来不利影响。 为了克服上述缺点，通常都采用分段同步调制的方法，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n 为恒定，不同频段 的载波比不同。在输出频率的高频段采用较低的载波比，以使载波频率不致过 高，在功率开关器件所允许的频率范围内。在输出频率的低频段采用较高的载 波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。各频段的载波比应该都 取3 的整数倍且为奇数。 c 、生成p w m 波的规则采样法 按照s p w m 控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开 关器件的通断，这种生成s p w m 波形的方法称为自然采样法。自然采样法是最基 本的方法，所得到的s p w m 波形很接近正弦，但这种方法要求求解复杂的超越方 程，在采用微机控制技术时需花大量的计算时间，难以在实时控制中在线计算， 因而工程上用的不多。 规则采撅法是一种应用较为广泛的工程实用方法，其效果接近自然采样法， 但计算量却小得多。图3 3 给出了用规则采样法说明图。取三角波二个正峰值 之间为个采样周期。在自然采样法中，每个脉冲的中点并不和三角形一周的 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 中点( 即负峰值) 重合。而规则采样法使二者重合，也就使每个脉冲的中点都 以相应的三角波中点为对称，这样使计算大大简化。如图3 3 所示，在三角波 的负峰时刻r 。对正弦调制波采样而得到d 点，过d 点作一水平直线和三角波分 别交于a 点和b 点，在a 点的时刻f 。和b 点的时刻f 。控制功率开关器件的通断。 可以看出，用这种规则采样法所得到的脉冲宽度占和用自然采样法所得到的脉 冲宽度非常接近。设正弦调制波为 “。= a s i n 0 9 f 式中，a 为调制度，( ) a l ( 3 1 ) 出，为正弦调制信号的角频率。 占jd ，j 0， 一 图3 3 规则采样法 从图中关系可得如下关系： ! ! 塑竺! 尘：三 万 疋 22 因此可得 占= ；( 1 + a s i n o ) j d ) 在三角波一周期内，脉冲两边的间隙宽度石为 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 四川i 大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 占。= 圭( 疋一万) = 手( 1 一“s i n 珊，。) ( 3 4 ) 对于三相桥式逆变电路来说，应该形成三相s p w m 波形。通常三相的三角波 载波是公用的，三相正弦调制波的相位依次相差1 2 0 。设在同“一三角波周期内 三 目的脉冲宽度分别为矗、j ，、j 。，脉冲两边的间隙宽度分别为占。，、万，、毋， 由于在同一时刻三相正弦调制波电压之和为零，故由上面的式子可得到 讣6 ，= 娶 f 3 5 ) 6 u + 5 z + s z - 孚 ( 3 _ 6 ) 在实际的应用中，有许多基于这些方法的j s 片可供选择使用，如s a 8 x 系列、 s l e 4 5 2 0 等等，另外有些型号的单片机是专门设计用来开发用于产生s p w m 波形 的，如9 6 系列等等。采用专用芯片可简化硬件电路和软件设计，降低成本，提 高可靠性。 1 7 四j i i 大学硕士学位论文( 2 0 0 4 1 4 中频电动工具电源的系统介绍 系统性能指标为：输入三相3 8 0 v 2 0 9 6 交流5 0 h z ， 输出三相4 2 v 1 交流2 0 0 h z ， 负载电机功率：15 k w 。 41 电源的电路结构介绍 本电源是在采用交一直一交的变频方式，将工频的交流电进行处理得到所 需要的频率和电压的输出。主要有二个功率级，第一级是a c d c 变换，在这一 级里面是对交流输入在不控整流后用半桥电路进行调压：半桥电路的输出经过 高频整流滤波得到所需的直流电压。这一级的直流电压经过第二级的逆变桥转 换成为2 0 0 1 t z 的交流低压电输出。 具体的方案见图4 1 。 图4 1 系统的电路结构 由图中可见，第一个功率级由不控整流桥、高频逆变( 半桥) 、和整流滤波 单元构成。此处因为有后面的半桥逆变电路，所以采用简单可靠的不控整流桥， 即三相二一极管整流桥。此种整流桥堆不仅方便可靠，而且从经济性好。后一级 的高频逆变的主要功能是将前面整流桥整流出的直流电压进行高频转换，这样 不仅达到输出与电网隔离的目的，而且可以比工频转换同等功率所需要设备的 体积大大减小了。由于频率高，同等功率的变压器所需的铁芯比工频的情况下 要小得多，同时，对高频逆变出来的交流电进行整流滤波所需的滤波元器件的 参数也比在工频情况下小很多。 三相逆变桥单元是对前一级的直流电压进行d c a c 变换成负载所需的三相 中频低压交流电”“。这里采用先进的智能功率模块( i p m ) ，不仅可靠性高、效 率高，而且使用方便。i p m 模块是电力电子器件发展的一个新方向，在模块内 部包括了传统的大功率电子开关和部分保护及驱动电路。这样不仅克n t 使用 外部分离器件的不致性，而且可以通过合理的走线方式，使导线上的漏感及 其它一些不利因素对电路正常工作的影响减小，大大提高了系统的可靠性。 粤型查堂塑主兰堡丝苎堡! ! 苎 系统的由a c 及d c ，a c 变换两部分组成，主电路拓扑如图4 2 。 出 g n d z 图4 2 系统主电路拓扑 图中d 1 、d 2 、d 3 、d 4 、d 5 、d 6 构成了三相整流桥，对电网进来的交流电 压进行整流；后面的电解电容c 1 对整流出来的直流进行滤波。z 1 、z 2 、c 2 、c 4 构成半桥逆变电路，对前面的直流进行高频逆变，c 2 和c 4 的采用选用高频电 容，由于半桥电路具有可以自动纠正变压器磁偏的能力，因此无需加隔直电容。 体现了半桥电路简单的优点。对变压器副边的输出采用全波整流方式，后面的 电感l 4 和c 3 有滤波储能的作用，为逆变桥单元提供稳压的直流输入。z 5 一z 1 0 构成三相逆变桥，将c 3 上的直流电压转换成2 0 0 h z 的交流电压，驱动负载。此 处的负载为电动工具，电动工具的电机由该电源驱动。 4 2a c d c 变换电路介绍 这部分电路主要是将电网输入的交流电压隔离变换成所需的低压直流。随 1 9 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 着电力电子技术的发展，传统的变压器降压方式突现了不足之处，主要是体积 和重量都太大。采用开关电源的方式，在高频的情况下用变压器隔离就克服了 这个缺陷。 由前面的介绍可知，本部分由不控整流、高频逆变( 半桥) 、和整流滤波单 元构成。同时，还需要相应的反馈取样环节、控制电路进行调节，另外还有 些保护功能电路也在其中。这部分的系统框图如图4 3 所示。 等。 图4 , 3a c d c 部分系统框图 基于系统框图结构，下面将介绍主电路具体拓扑结构，及主要的控制芯片 42 1 主电路拓扑及工作原理 42 1 1 电路拓j 1 、 a c d c 采用的主电路拓扑如下图。由d 1 至d 6 和c l 构成了方框图中的整 流滤波电路，此处的交流为电网输入的工频三相3 8 0 v 的电源，滤波电容c 1 为 容量较大的电解电容；由z l 、z 2 、c 2 、c 4 构成的半桥逆变电路是变换的核心部 分，两个电容上的电压之和为直流环电压，但由于两个电容的容值基本一致， 因此两个电容电压都近似为直流环电压的一半，开关管在开通和关断切换时， 加在负载上的电压也为直流环电压的一半；其后的整流电路即是d 7 、d 8 构成的 整流和l 4 和c 3 构成的滤波电路，对变压器输出的交流进行整流滤波，由于变 压器工作在高频状态，因此滤波比较容易，无需很大的电感和电容量就可以达 到所需的滤波效果。 2 0 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 图4 4a c d c 变换器的主电路拓扑 在整个a c d c 变换过程中实际上有二级，首先是对工频电网输入交流电的 整流得到直流，接下来是对该直流进行高频逆变，此后再对逆变输出的高频交 流进行整流滤波。通过高频变压器实现了输出与电网的隔离，并且达到了稳压 的效果。由于变压器工作在高频状态，可以大大地减小系统体积，减轻质量。 4 2 1 2 整流滤波电路的原理 该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最 大的一一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由 电容向负载放电，电容上的电压u d 按指数规律下降。 设二极管在距线电压过零点中角处开始导通，并以二极管d 6 和d 1 开始同 时导能的时刻为时间零点，则线电压为u 。= 6 u ：s i n ( w t + m ) ，而相电压为 玑= 2 u ，s i n ( w t + 巾一，2 - 6 ) 。在w t = 0 时，二级管开始同时导通直流侧电压等 于“下一次同时导通的一对管子是d 1 和d 2 ，直流侧电压等于“。这两段 导通过程的交替有两种情况，一种是在d 1 和d 2 同时导通前d 6 和d 1 是关断 的，交流侧向直流侧的充电电流i d 断续，如图4 5 所示。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) i蕊酝一 力 八 卜艿朋 狻一函 荟 举陵睑吨 图45 整流电路的波形 4 2 1 3 逆变电路的工作原理 以图4 6 的单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理。图中s 1 、s 2 、 c 1 和c 2 构成桥式电路的臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。当s 1 闭合，s 2 断丌时负载电压为正；当开关s 1 断开，s 2 闭合时，u o 为负，其波形 如图4 6 所示。这样就把直流变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可 改变输出交流电的频率，这就是逆变电路最基本的工作原理。 “ 0 ，f f la l 7 图4 6 桥式逆变电路等效电路图及波形 4 2 1 4 输出滤波电路的工作原理介绍 输出整流电路采用的是单相全波不控整流电路，又称为双半波不控整流电 路。变压器附边采用中间抽头方式，两只二极管共阴极连接。输出的滤波电路 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 4 ) 用电感和电容滤波。为详解其原理，图4 7 为其原理电路，输入矩形脉冲电压 到来时，相当于开关k 1 接通输入直流电压：输入矩形脉冲电压消失时，相 当于开关k i 断开，二极管d 导通以维持电流继续流通【1 瑚 。 k 、l + 。 r 1 1 ，。u 一 _ cd 手。由 矿i j 厂 矿4 上 一 图47 滤波电路原理图 我们首先作下述假设： 1 ) 电感l 是常数，而且足够大，亦即它工作在线性区，电感量将不随电流的 增减而变化： 2 ) 电容c 是理想电容，即先不考虑它的等效串联电阻和串联电感； 3 ) 输出纹波电压相对于输出电压而言是很小的量，计算时可略而不计； 4 ) 整流滤波电路引线压降略而不计，为了方便，将续流二级和压降也先不计。 这样，在开关k 1 接通时，施加在电感l 上的电压和流过的电流增量关系 为：v i v o = l d i d t 。根据上述假设，流过的电感电流将随时间而线性地增长， 因而上式可写成w = 三l x ，a t 。，其中世，表示电感电流从开关k 1 接通开始 到断开时的电流增量，f ，是开关k 1 接通的时间，亦即t o n 。 当开关k 1 断开时，电感中流过的电流通过二极管d 续流，电感电压极性 颠倒，电路符合下式 l d i d t + v ，= 0 同样，电感释放能量时，电流减少也是线性的，因此上式可写成一 l u ，a t ，= v o 。式中血，表示开关k 1 接通期间电感电流增加的量必定等于开关 k 1 断开期间电感电流减少的量，即l x 2 = a ，= a 。 四j i i 大学硕士学位论文( 2 0 0 4 1 显而易见，负载电流i 。线以上的锯齿部分是从电感流向电容器c 的充电电 流，1 0 线以下的锯齿部分则是电容向负载放电的电流，以补偿电感电流的不足。 为使电感电流连续以维持滤波效果，锯具电流的最低点必须大于或至少等 于零，如图4 8 所示，为满足上述条件，负载电流应有一个最小值l m m ，应有。 a i 。2 ，因此有，。( v i - v o ) t o 。( 2 l ) 。i 。是电感续流的临界负载电流， 负载电流不得小于该值，般，稳压电源在空载状态下必须也能正常运行，因 而该电流应在稳压电源机内设置，俗称“死负载”，它是无效负载，为提高电源 的效率，应尽可能减小它。 0 * * i rr ii 2 - - v 。“一号，ij 一一r 、。 1 i u 。利，给上桥臂v 1 以导通信号，给下桥臂v 4 以关断信号，则u 相相对 于直流电源假想中点n 的输出电压为l 1 w = u d 2 。当u 。 u 。时，给上桥臂v 1 以芙断信号，给下桥臂v 4 以导通信号，则u 相相对于直流电源假想中点n 的 输出电压为u ，= 一u d 2 。v l 和v 4 的驱动信号始终互补。当给v l ( v 4 ) 加导通 信号时，可能v l ( v 4 ) 导通，也可能v d l ( v d 4 ) 导通，这要由阻感负载中电流 的方向来决定，这和单相桥式p w m 型逆变电路在双极性控制的情况相同。v 相 及w 相的控制方式都和u 相相同。电路的波形如图4 1 5 所示，可以看出u 。、 u 。、u 。的p w m 波形都只有u d 2 两种电平。图中的线电压u 。波形的波形可 由u 。一m 得出。可以看出，当臂1 和臂6 导通时，u 。= u d 。 “r u“r v“cr w 热爱f 冬论向艇卅。 u 扛驴智u p ￥n u m 由 k 厂 广 厂 厂 n 几nnr f _ uuuuuul j u l _ ju 函 l nn 几厂 厂 广 厂 nnf u uuuuuuuuu 西 厂 门几n 几几厂 厂 厂 厂一 uuuu u uuuu u 西 “l ( o c ，d l 州 o 1l i l l lf i l li8 0 一 一j u 1 1 11 1j 0l 面 j 几r l n 门n 一眄i i 了p 。三争争、一 “。“u ui r j k l l l i i ? l iu u 甜 图4 1 5 三相p w m 逆变电路波形 在电压型逆变电路的p w m 控制中，同一相上下臂的驱动信号都是互补的。 但实际上为了防止上下两个臂直通而造成短路，在上下桥臂通断切换时要留下 露蚓天学醺士学位论文( 2 0 0 4 ) 小段上下臂都施加关断信号的死区时问。死区时间的长短主要由功率开关器的 关断时间决定。这个死区时例将会给输出p w m 波形带来一定影响，使其稍稍偏 离l e 弦波 1 5 , 2 2 3 。 43 ，1 2 功率元器件介绍 本系统采用的功率器件智熊功率模块( i p m ) 是p i c 的一琴申，它以i g b t 为主 歼关嚣件，这就决定了它的开关速度较高。傻糯i p n 可戬极大地篱讫鸯鼹结稳， 同时也提高了电路工作的可靠性与稳定性。藻予以上原因，本文选择i p m 作为 逆变器的功率器件 2 5 , 2 6 , 3 4 , 3 7 。 系统中选嗣爨模块p m 2 0 0 c v a 0 6 f 髟如下，在该摸块内鼙集成了6 只开关管 及其相应的驱动傈护电路以及熟他一些必要的保护功能电路。在模块外部留有 相应的接口及安装孔位置，其各个脚的标注见图中标注。 琵r m i n a lc 0 0 e w f o t 珏p 2 诲| p o 2v 圩 3 抖p1 3n c 4v “p 11 4f 0 5v “1 sv n c 6v 蚺懈v n l 7v p1 7 u 辩 $ 婶诲v n u o g w w 1 0v u p c 0 e 诅儿a 下y p z t y r 一 二驾痞嚣 rlj 一u j a 蚕4 1 si p m 模块的外形结构 i p m 模块的重聚特点是将多个功率管及部分电路集成禚一个模块内，布线合 理，间时整个单元体积较小。对应于图4 1 6 器个标志，列出了各个位置的尺寸， 婴型茎兰竺圭兰堡笙兰! ! ! ! 竺 见表4 1 。 表41 模块的尺寸标注 o t t o h ed r a w i n ga n dc i r c u i td i a g r a m ( ：o 9 5 + 0 0 4 00 22 4 1