毕业设计（论文）-小功率变频器设计.doc

湖南工程学院应用技术学院毕业设计说明书题 目： 小功率变频器设计 专业班级： 电气工程0781班 学生姓名： 学 号： 200713010105 完成日期： 2010年6月 指导教师： 评阅教师： 2011年 6 月诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书题目： 小功率变频器设计 姓名彭杰 院 应用技术学院 专业 电气工程及其自动化 班级0781学号200713010105指导老师 李 春 菊 职称 副教授 教研室主任 谢 卫 才 一、 基本任务及要求： 主要设计内容如下： 1、学习理解小功率变频器的主要结构和功能； 2、变频器开关器件的选择及主要参数计算； 3、实现逆变电路中开关器件的驱动； 4、泵升电压保护电路，过电流保护电路，缓冲电路及其它保护电路的设计与实现； 5、提交毕业设计论文和图纸 。 二、 进度安排及完成时间 1、第12周：查阅资料；写开题报告;确定总体方案。 2、第34周：毕业实习、撰写实习报告。 3、第56周：建立系统驱动电路 。 4、第79周：用PEOTEL软件，设计硬件电路，画系统原理图。 5、第1013周：系统程序、控制电路及保护电路的设计。 6第1415周:撰写毕业设计论文。 7、第16周：指导老师评阅、电子文档上传FTP。 8、第17周：毕业设计答辩。 目录摘要IAbstractII第1章 通用变频器概述11.1交流调速技术的概况与发展趋势11.2 变频调速技术的发展与应用31.2.1 变频器的拓扑和结构31.2.2 变频器的基本结构61.3变频器的控制方法71.3.1 开关应用技术71.3.2 变频调速控制技术71.4 PWM技术91.5系统硬件电路总体结构设计10第2章 交流调速的脉宽调制(PWM)控制技术122.1正弦脉宽调制122.1.1SPWM调制原理122.1.2 SPWM信号的产生132.1.3 SPWM的数字控制142.1.4 SPWM变压变频器输出的谐波分析172.2 电压空间矢量脉宽调制202.2.1SVPWM原理202.3 逆变器的输出电压模式212.3.1电压矢量与磁链矢量的关系212.3.2基本电压矢量222.3.3磁链轨迹的控制23第3章 主电路及保护电路工作原理253.1 主电路的工作原理253.2 驱动电路263.3 保护电路283.3.1 启动限流电路283.3.2 电流检测283.3.3 电压检测303.4 开关电源电路30第4章 主电路及保护电路参数计算324.1 主电路参数选择324.1.1 整流二极管模块的参数计算324.1.2 滤波电容的选择324.1.3 逆变器功率器件IGBT的选择334.2 保护电路参数选择334.2.1 电流检测电路的参数计算334.2.2 开关电源变压器的参数计算34第5章 硬件智能保护措施365.1 过欠压保护电路365.2 过流保护电路365.3 过热保护电路39总结40参考文献41致谢42附录 电路总图43湖南工程学院毕业设计（论文）小功率变频器设计摘要：小功率交流电机的变频调速在许多应用场合例如家用电器、泵类、过程控制、小型机械传动等。对用户而言，小功率通用变频器的选用虽然方便但价格不菲。况且许多复杂的键盘设定功能也用不着。因此人们常常希望有一种硬件成本低、集成度高、可靠性好、简单易制、控制功能满足要求的小型变频器。本设计本文运用了自动控制，电力自动化等相关理论只是对数字智能变频器软硬件系统进行模块化的设计，并给出了有效地软硬件设计方案。本文设计的通用变频器为单相输入交直交电压源型变频器。其主电路包括整流电路、滤波电路和逆变电路。整流电路采用单相桥式不可控整流电路，滤波电路采用电解电容滤波，逆变器是由6个IGBT构成的三相全桥式逆变器，主电路结构简单易调。驱动电路选用与IGBT配套的驱动芯片IR2103，继电器控制电路作为过流保护电路。同时配有电压、电流检测电路。对各个电路进行了参数计算以及器件选择。关键词：交流变频调速；IGBT；IR2103Design on Small Power ConverterAbstract：Small power ac motor speed-adjusting in many applications. Such as household appliances, pumps, process control, small mechanical transmission, etc. The selection of small power general inverter. Though convenient but expensive. Besides many complex keyboard setting function also need. So people often wish to have a kind of hardware of low cost, high level of integration, good reliability, simple and easy system, control functions meet the requirements of small inverterThis design in this paper using automatic control, power automation and other related theory of digital intelligence frequency converter is the design of hardware and software system for modular, and gives the effectively software and hardware design scheme.In this paper, the generic design for converter of single-phase input is DC-AC-DC voltage converter. The main circuit is composed of Rectifier circuit, filter circuit and inverter circuit. Rectifier diode circuits use single-phase bridge uncontrollable rectifier module. Filter circuit uses electrolytic capacitor to filter; Inverter is composed of six IGBT three-phase full-bridge inverter. Main circuits structure is simple and easy. IR2103 is used as the driver of the IGBT. Relay control circuit is used as protection circuits. At the same time， there also have voltage, current detection circuit. Keywords：AC frequency converter; IGBT； IR21045小功率变频器设计第1章 通用变频器概述1.1交流调速技术的概况与发展趋势总所周知，由于直流电机转速的调节性能和转矩的控制性能比较理想，只要改变电枢电流就能简便而线性地、无时间滞后地控制转矩，因而在大范围调速传动系统中，一直是直流传动系统占统治地位。由于交流电机是多变量、强耦合的非线性器件，定子电流同时包含有转矩电流分量和励磁电流分量，因而对其电磁转矩瞬时值进行控制比较困难。同直流电动机相比，交流电机特别是鼠笼式异步电动机有一些明显的特点：制造成本低、重量轻、惯性小、可靠性和运行效率高、免维护、无电刷和换向器，所以能在恶劣的环境中安全运转。近三十余年来，世界各国都在致力于交流电动机调速系统的研究，并不断取得突破。到现在为止，高性能的交流拖动系统正逐步取代直流拖动系统，交流伺服系统也正占据越来越大的市场份额。交流调速的发展可具体归纳为三个方面：首先，转差频率控制、矢量变换控制和直接转矩控制等新的交流调速理论的诞生，使交流调速有了新的理论基础；其次，GTR、MOSFET、IGBT等为代表的新一代大功率电力电子器件的出现，其开关频率、功率容量都有很大的提高，为交流调速装置奠定了物质基础；再者，微处理器的飞速发展，使交流调速系统许多复杂的控制算法和控制方式能得以实现。异步电机转速公式： (1-1)其中：为同步转速；s为转差率；为定子电流频率；为极对数。改变同步转速的调速方法有：改变定子极对数、改变定子电压或电流频率（即变频调速）等。V/F控制、转差频率控制、矢量变换控制和直接转矩控制都属于变频调速方法。关于控制方式：（1）V/F控制方式模式恒压频比控制是异步电动机变频调速的最基本的控制方法，它同时控制电动机的电压频率和变频器的输出电压，从而使电动机磁通基本保持恒定。由电机学公式可知，当电机电源频率饺化时，若电机感应电动势不随着变化，那么电机的磁通将会出现饱和或欠励磁。由于电机设计时电机的磁通常处于接近饱和值，磁通进一步增大会导致电机出现饱和，造成很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗：而当电机出现欠励磁时，将会影响电机的输出转矩。因此在改变电机频率耐应对电机电势E进行控制，以维持磁通恒定，即保持Ef比恒定。由于电机的电势检测比较困难，考虑到电机正常运行时电机的电压和电势近似相等，常通过控制V/F比恒定以保持磁通恒定。（2）转差频率控制模式转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/F控制的基础上按照异步电动机的实际转速对应电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈对频率和电流进行控制。因此这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。当转差频率fs较小时，在保持V/F恒定的基础上，异步电动机的转矩基本上与转差率s成正比。这就意味着只要调节变频器的输出频率fo，就可以使异步电机具有某一转差频率fs，从而使异步电动机输出一定的转矩，达到控制异步电动机输出转矩的目的。（3）矢量控制模式矢量控制技术源于电机的磁场定向控制。电机磁场定向控制的目的是通过坐标变换，将原来强耦合的三相交流电机系统转化为两相直流系统，这样耦合性大大降低，在两相坐标系下采用直流电机的控制方式进行控制，其控制也变得相对简单。它以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用静止坐标系与旋转坐标系之间的变换，把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量独立开来，分别进行控制。这样，通过坐标变换重建的电机模型就可以等效为一台直流电机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。目前在变频器中应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式。基于转差频率控制的矢量控制方式通过坐标变换对定子电流的相位进行控制，能够消除转矩电流过渡过程中造成的波动。基于无速度传感器的矢量控制方式是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电机绕组上的电压、电流来达到控制励磁电流和转矩电流的目的。（4）直接转矩控制模式与矢量控制并行发展的还有直接转矩控制方式。它以异步电动机的转矩直接作为被控制量，强调转矩的直接控制效果，并不极力追求理想正弦波。它与矢量控制技术并行发展但又有所不同，避免了矢量控制中二次坐标变换及求模和相角的复杂计算，直接在静止坐标系(定子坐标系)上借助三相定子电压和电流计算电机的转矩和励磁，并与给定转矩和励磁进行比较，通过对转矩的Bang-Bang控制，使转矩响应迅速完成且无超调。这种直接转矩控制方法，系统结构简单，对电机参数变化不敏感。根据电机理论，我们知道：经定转子空气隙传递的电磁功率，其中与转差成比例不分消耗在转子电阻上，其余部分转化为机械功率。所以第二类方法明显比第一类方法优越，因为转差为同步速度与转子速度之差，即第二类方法比第一类方法节能。由于改变定子极对数方法不是连续调节，故应用范围有限，所以变频调速是得到大量应用的主要调速方式。但是，随着现代工业的防战，生产实践对电机调速系统也不断地提出更高的要求，诸如：稳态精度、动态响应等多项指标。此外，人们的生活水平的提高也对调速系统提出了不少新要求，例如，现代高层建筑的电梯调速系统不仅要满足人们快速便捷的运输要求，还包含对加速度的控制。因此，高动态调速系统的研究是现代调速控制的重要研究防线。 电机的机械运动方程： （1-2）其中是电磁转矩；是负载转矩；J是机械惯量；是转子角速度。从式（1-2）中可以看出，电磁转矩是改变电机转速的唯一变量。如果控制系统能够准确地控制电机的电磁转矩，就能获得良好的转速调节性能。V/F控制和转差频率控制对转矩控制是建立在电机稳态运转方程基础上（只考虑机械惯性，而忽略了电磁动态），所以控制性能只能满足稳态要求，而无法满足动态性能要求。交流调速方法中只有矢量控制和直接转矩控制可以控制动态电磁转矩，它们的控制性能可以抗衡甚至超过了直流调速系统，因为交流调速不存在直流电机的机械电池换相过程和交轴反映。高动态性能调速的发展方向是交流调速系统逐步替代直流调速系统，矢量控制和直接转矩控制就是高性能交流调速方案的代表。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，变频器可分为直流变频和间接变频两类。直接变频又称为交交变频，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；间接变频又称为交直交变频，是将工频交流电先经过整流器整成直流，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。交交变频器一般在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，将晶闸管直接在交流电源上，使晶闸管自然关断。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限制，一般不能高于电网频率的1/2，所以交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，特别是启用转矩要求高的场合。在交交变频器这个领域中，有报道说已经出现了一些很使用有生命力的方案，例如矩阵变换器和串联直接周波变换器等，但是开关技术和换流的复杂性任然是一个限制因素。交直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。这样调速和调频在两个环节上进行，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，电网侧功率因素低，输出环节多用晶闸管组成的三相六拍逆变器（每周换六次），输出谐波较大。（2）用不可控整流电路进行整流、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，因此输出功率因数较高，克服了第一种方法的第一个缺点。但由于输出环节不变，则输出谐波问题任然没有改变。（3）用不可控整流电路进行整流，PWM逆变器同时进行变压变频。这样的好处在于用不可控整流使输出功率因数较高，采用PWM逆变，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。图1-1 交-交变频器图1-2 交-直-交变频器从变频电源的性质看，无论是交交变频还是交直交变频，又都可以分为电压源变频器和电流源变频器两类。对于交直交变频器按照中间直流环节的不同，可以把变频器分为电流型和电压型两类。（1）中间直流环节采用大电感滤波时，直流回路呈高阻抗，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点流源，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变频器。当电流型变频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。而且电流型变频器输出电流稳定，电流冲击比较小，对于过载能力比较小的半导体器件尤为适合。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变频器。由于电压型变频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。电压型变频器最主要的问题是它不能适用电动机四象限运行的要求，不能实现再生制动，这是电压型变频器的最大缺点。但是电压型变频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，变频器广泛采用高频脉宽调制技术(PWM )，使得控制与保护的快速性大大提高，电压型变频器的优势越来越明显，其应用也更加广泛。(电压型与电流型逆变器的特点比较见表1-1)对于变频调速系统来说，由于异步电动机属感性负载，无论电机处于电动状态还是发电状态无功功率的变换功率因数都不为1.0，故在中间直流环节与电动机之间总存在由于逆变器中的电力电子开关无法储能，所以无功能量只能靠直流环节中的储能元件来缓冲。因此可以说，电压犁和电流型变频器的主要区别在于用那种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 变频器类别比较项目电压型电流型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PWM方式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输出电压波形矩形波决定于负载，对异步电机负载近似为正弦波1.2.2 变频器的基本结构变频器的基本结构如图1-3所示，它主要由整流电路、直流中间电路、逆变电路及控制电路等部分组成图1-3 变频器的基本结构图1.3变频器的控制方法1.3.1 开关应用技术 在实际的应用系统中，无论是那种类型的变换器，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(瞬时电压的抑制和嵌位、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到一定水平时的电磁干扰/电磁兼容(EMIIEMC)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，功率开关的开通和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少开关损耗的技术上，尤其是在大功率的变频传动中。从传统的硬开关技术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，在减少开关损耗方面己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）电磁千扰/电磁兼容;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(EMI/EMC)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EMI隔离措施来解决这类问题的.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EMI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。1.3.2 变频调速控制技术 交流电机是一个非线性、强祸合的系统，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，通过对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:（1）转速开环，恒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应用还有一定的距离，效果不能令人完全满意。（2）矢量控制，这种控制方法的基本思路是将电机定子电流矢量在适当的坐标系上分解为励磁电流矢量和转矩电流矢量，分别进行控制，保持励磁电流矢量的幅值不变，直接以瞬时转矩电流矢量为控制对象，电机因而获得很快的阶跃响应。现在应用很广泛的一种转子磁通定向技术，就是将旋转坐标d轴固定在转子空间磁链上，保持励磁电流分量恒定不变，同时转子磁通也保持不变，这时，瞬时电磁转矩： （1-3）只和转矩电流有关，这样就将定子电流的励磁分量和转矩分量分开了，从而通控制定子电流的转矩分量:即可达到控制瞬时转矩的目的。这种控制方案运算比较复杂，且对电机的参数，尤其是转子电阻的依赖性较大，因此在工作环境发生变化或低速运行时，如何保持磁场定向的准确性就是一个需要解决的问题，一般来说，异步电机运行时，电感参数变化20%，而转子电阻温度变化可达100%。针对于此，人们提出了一系列温度补偿和参数辨识的方法，也提出了一些能对参数变化具有较强鲁棒性的控制算法。但所有这些都还不成熟，而且需要更高处理速度的芯片才能保证实时性的要求。（3）直接转矩控制直接转矩控制是继矢量控制之后出现的又一种交流电动机调速控制方案。它不考虑如何使定子电流解祸，而是直接着眼于对电磁力矩的直接控制。它采用空间矢量的方法，在定子坐标下计算和控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散两点式调节(Bang-Bang停制产生”PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳选择，以获得转矩的高动态性能控制。它省去了复杂的矢量变换，没有通常的PWM信号发生器。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调。直接转矩控制中磁链轨迹控制有两种方案，即德国的Depenbrock提出的六边形方案和日本的Takahashi提出的圆形方案。感应电动机在三相对称正弦交流电供电时，电机产生圆形旋转磁场。在变频控制时，使电机产生圆形磁链轨迹，这样就能降低电机损耗、转矩脉动和噪声，减小对电网的谐波干扰，圆形磁链轨迹控制方案目前应用得较多。六边形磁链轨迹是直接转矩控制刚提出时的磁链控制方法，该方法的特点是功率开关管的开关频率低，但该方法电流谐波和转矩脉动都较大，目前主要在大功率高速场合采用。直接转矩控制对电机转矩采用BangBang控制，因而具有最快的转矩响应，但却带来了转矩脉动大、噪音大等问题。 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PWM技术的应用、集成技术以及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、驱动低噪音比、高可靠性、低成本和小型化的方向发展。1.4 PWM技术PWM(Pulse Width Modulation)，是脉宽调制型变频，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变调制周期来控制其输出频率。脉宽调制的方法很多，以调制脉冲的极性分，可分为单极性调制和双极性调制两种，以载频信号与参考信号频率之间的关系分，可分为同步调制和异步调制两种。目前，在PWM技术不断的提高过程中，SPWM技术和SVPWM技术应用最为广泛。全控型电力电子器件的出现，使得性能优越的脉宽调制(PWM)逆变电路应用日益广泛。这种电路的特点主要是：可以得到相当接近正弦波的输出电压和电流，所以也称为正弦波脉宽调制SPWM(sinusoidal PWM)。SPWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变其输出频率的大小。采样控制理论有这样一个结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积，效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。根据上述理论正弦波可以用一系列等幅不等宽的脉冲来代替。如图1-4所示PWM波与正弦波是等效的。各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。用同样的方法，也可以得到正弦负半周的PWM波形。完整的正弦波用等效的PWM波形表示就称为SPWM波形。因此在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后，就可以准确地计算出SPWM波形各脉冲宽度和间隔。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的SPWM波形。但这种计算非常繁琐，而且当正弦波的频率、幅值等变化时，结果还要变化。较为实用的方法是采用载波，即把希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系，且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。SPWM波形的实际应用较多。图1-4 PWM波形图上面介绍的变频电路控制方法着眼于输出电压正弦化，也可以是电流正弦化。然而对于三相异步电动机而言，无论控制变频电路的电压还是电流，最终目的是在电机内部的空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。按照圆形旋转磁场为目标来形成PWM控制信号，称为磁链跟踪控制。由于磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到，所以又称为电压空间矢量PWM控制，即（SVPWM）。这种控制方法具有直流电压利用率高、电机谐波电流和转矩脉动小，电压和频率控制能同时完成以及实现简单等优点，目前以经得到广泛应用。1.5系统硬件电路总体结构设计本课题要求设计通用型AC/DC/AC变频器主电路，驱动电路，电流、电压检测电路及保护电路。AC单相220V，50Hz输入，三相输出0-50Hz。 图1-5 电路总框图主电路：主要包括整流电路，滤波电路，和逆变电路三部分。分别如下：本课题为小功率变频器，输入电源为单相220V，故整流电路采用二极管单相桥式不可控整流模块将单相工频交流电整流成直流电，其价格便宜，且耐冲击电流较大；滤波电路采用电解电容滤波，将整流输出的脉动电压转化为平直的直流电压；逆变器是由6个IGBT构成的三相全桥式逆变器，把直流电变为频率可调整的三相交流电。驱动电路：选用与IGBT配套的驱动芯片IR2103。IR2103是拥有高电压，高频率，能输出高、低两路控制信号分别对相关联的两路IGBT进行控制。保护电路：保护电路主要有启动限流电路，电压、电流检测电路。电源电路：为主电路、驱动电路及其它电路提供各种幅值的电源。第2章 交流调速的脉宽调制(PWM)控制技术下面介绍目前常用的两种脉宽调试技术：正弦脉宽调试(SPWM)和空间电压脉宽调试(SVPWM)。2.1正弦脉宽调制2.1.1SPWM调制原理调制信号为正弦波的脉宽调制叫做正弦波脉宽调制(SPWM)，产生的脉宽调制波是等幅而不等宽的脉冲列，脉宽调制的方法很多，从脉宽调制的极性上看，有单极性和双极性之分;从载波和调制波的频率之间的关系来看，又有同步调制、异步调制和分段同步调制。图3.6为PWM逆变器的主电路。 图2-1 PWM逆变电路图图2-2所示为双极性脉宽调制波形，图中三角波为载波，正弦波为调制与调制图2-2 双极性脉宽调制波形波，当载波与调制波曲线相交时，在交点的时刻产生控制信号，用来控制功率开关器件的通断，就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲。SPWM逆变器输出基波电压的大小和频率均由调制电压来控制。当改变调制电压幅值时脉宽随之改变，即可改变输出电压的大小；当改变调制电压的幅值时，脉宽随之改变，即可改变输出电压的大小;当改变调制电压的频率时，输出电压频率随之改变。但正弦调制波最大幅值必须小于三角波的幅值，否则输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。在实行SPWM脉宽调制时，同步调制和异步调制优缺点如下：（1）同步调制在同步调制方式中，载波比N等于常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步改变，因而逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。如果取N为3的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差1200的对称关系。当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。（2）异步调制异步调制是逆变器的整个变频范围内，载波比N不等于常数。一般在改变调制信号频率时保持三角载波频率不变，因而提高了低频时的载波比。这样输出电压半波内的矩形脉冲可随输出频率的降低而增加，相应的可减少电机的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能。异步调制方式的缺点是当载波比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，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电机工作不平稳。（3）分段同步调制分段同步调制综合了上面两种方法的优点，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持载波比N恒定，而对不同的频段取不同的N值，频率低时，N取大些，一般大致按等比级数安排。2.1.2 SPWM信号的产生产生SPWM调制信号主要有三种方法：（1）采用分立元件的模拟电路法，缺点是精度低、稳定性差、实现过程复杂以及调节不方便等，该方法目前基本不用。（2）采用专用集成电路芯片产生SPWM信号，如常用的HE4752芯片等这些芯片的应用使变流器的控制系统得以简化，但由于这些芯片本身的功能存在不足之处，致使它们的应用受到限制。（3）单片机数字编程法，其中高档单片机将SPWM信号发生器集成在单片机内，使单片机和SPWM信号发生器容为一体，从而较好地解决了波形精度低、稳定性差、电路复杂、不易控制等问题，并且可以产生多种SPWM波形，实现各种控制算法和波形优化，Intel公司推出的16位单片机8XC196MC就是这样一种具有高性能的特别适用于PWM控制技术的单片机。2.1.3 SPWM的数字控制 数字控制是SPWM目前常用的方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令查表得到数据进行运算;或者通过软件实时生成SPWM波形;也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。下面介绍几种常用SPWM波形的软件生成方法:（1）自然采样法按照正弦调制波与三角载波的交点进行脉冲宽度与间歇时间的采样，从而生成SPWM波形，叫做自然采样法，如图2-3所示，图中截取了任意一段正弦调制波与三角载波一个周期的相交情况。交点A是发生脉冲的时刻，B点是结束脉冲的时刻。为三角载波的周期;和是间歇时间；为AB之间的脉宽时间，。图2-3 生成SPWM波形的自然采样法若以单位量1表示三角载波的幅值,则正弦调制波的幅值就是调制度M，正弦调制波可写作 （2-1）式中，是调制波频率，即逆变器输出频率。由于A、B两点对三角载波的中心线的不对称性，须把脉宽时间分成两部分与.按相似直角三角形的几何关系，可知 （2-2）经整理得 （2-3）这是一个超越方程，实时计算很困难。因此自然采样法虽然能确切反映正弦脉宽，却不适于微机实时控制。（2）规则采样法自然采样法的主要问题是，SPWM波形每一个脉冲的起始和终了时刻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，允许作出一些近似处理，这样就提出了各种规则采样法。图2-4a所示为规则采样I法。它是在三角波每一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。用此电压值对三角波进行采样，得A、B两点。就认为他们是SPWM波形中脉冲的生成时刻，A、B之间就是脉宽时间。规则采样I法的计算显然比自然采样法简单，但从图中可以看出，所得的脉冲宽度将明显偏小，从而造成较大的控制误差。这是由于采样电压水平线与三角载波的交点都处于正弦调制波得同一侧造成的。为了减小误差，可对采样时刻作另外的选择，这就是图2-4b所示的规则采样II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，而是其负峰值，得图中E点，采样电压为。在三角载波上由水平线截得A、B两点，从而确定了脉宽时间。由于A、B两点坐落在正弦调制波得两侧，因此，减少了脉宽生成误差，所得的SPWM波形也就更准确了。由图可以看出，规则采样法的实质是用阶梯波代替正弦波，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，三角载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，不必作图就可计算出相应时刻的正弦波值，因而脉宽时间和间歇时间可以很容易计算出来。由图可得规则采样法II的计算公式：脉宽时间 （2-4）间隙时间 （2-5）图2-4生成SPWM波形的规则采样法若变频调速系统用于三相异步电动机调速还应形成三相的SPWM波形。即使三相正弦调制波在时间上互差，而三角载波是共用的，这样就可在同一个三角载波周期内获得图2-5中所示的三相SPWM脉冲波形。图2-5 三相SPWM波形在图2-5中，每相的脉宽时间、和都可用公式（3-4）计算，即 三相脉宽时间的总和为 （2-6）三相间歇时间总和为 （2-7）在数字控制中用计算机实时产生SPWM波形就是基于上述的采样原理和计算公式。一般可以离线先在通用计算机上算出相应的脉宽后写入EPROM，然后由调速系统的微机通过查表和加减运算求出各相脉宽时间和间歇时间，称为查表法。也可以在内存中存储正弦函数和值，控制时先取出正弦值与调速系统所需的调制度M做乘法运算，再根据给定的载波频率取出对应的值，与做乘法运算，然后运用加、减、移位既可算出脉宽时间和间歇时间和，即实时计算法。按查表法或实时计算法所得的脉冲数据都送入定时器，利用定时中断向接口电路送出相应的高、低电平，以实时产生SPWM波形的一系列脉冲。对于开环控制系统，在某一给定转速下某调制度M与频率都有确定值，所以宜采用查表法。对于闭环控制的调速系统，在系统运行中调制度M值须随时被调节，所以用实时计算法更为适宜。2.1.4 SPWM变压变频器输出的谐波分析 2-6 双极式SPWM逆变器输出电压波形SPWN逆变器虽然以输出波形接近正弦波为目的，但其输出电压中任然存在着谐波分量。产生谐波的主要原因：（1）对SPWM波形的生成当采用规则采样法或专用集成电路器件，并不能保证脉宽调制序列波的波形面积与各段正弦波面积完全相等；（2）在实现控制时，为了防止逆变器同一桥臂上、下两器件的同时导通而导致直流侧短路，当同一桥臂内上、下两器件作互补工作时，要设置一个导通时滞环节。时滞的出现不可避免的造成逆变器输出的SPWM波形有所失真。以双极式SPWM逆变器为例分析谐波情况，逆变器电路参考图2-1，采用对称规则采样II法，图2-6为其一个周期内输出电压波形。这是一组正负相间的等幅不等宽的脉冲波，它不仅半个周期对称，而且1/4周期对纵轴也是对称。设在半个周期中有m个脉冲波，可写出其输出电压的傅氏表达式 （2-8）式中 （2-9）对图中的可看作是一个幅值为的矩形波加上一个幅值为的负脉冲列，半周内该脉冲列的起点和终点分别是,。因此有 （2-10）展开此式，得 （2-11）考虑到逆变器输出波形在1/4周期处有纵轴对称性，推导可得 （2-12）在给定的条件下可以利用上式进行输出波形的谐波分析。表示脉冲的起始与终止时刻，从脉冲的形成原理可知与载波比N及调制深度M等有密切关系，而上式却没有