SPWM控制的變頻調(diào)速17頁

1、交流調(diào)速課程設(shè)計-SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)姓 名學(xué) 號：1204010323專 業(yè)：電 氣 工 程班 級：電 氣 五 班SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)摘要：變頻調(diào)速是交流調(diào)速中的發(fā)展方向。異步電動機(jī)的調(diào)速原理是研究控制算法的基石，因文首先介紹了異步電動機(jī)的調(diào)速特性，從而展開介紹SPWM變頻調(diào)速的理論基礎(chǔ).包括變頻調(diào)速控制思想的由來，控制方法的可行性。變頻調(diào)速的控制算法也有許多，目前大部分通用變頻器所采用的控制算法恒壓頻比控制，給出了完整的硬件電路設(shè)計和軟件程序流程設(shè)計。本文采用了HEF4752波形控制電路產(chǎn)生SPWM信號具有電路簡單、控制性能優(yōu)良及高可靠性等特點。關(guān)鍵詞:變頻器;恒壓頻比控制;正弦波脈寬調(diào)制

2、:HEF4752控制電路。目錄一 概述11.1 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)概述11.2變頻調(diào)速的優(yōu)點11.3 SPWM變頻調(diào)速的優(yōu)點1二 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)基本原理22.1交流電動機(jī)變頻調(diào)速原理22.2 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)基本原理22.2.1單極性SPWM法32.2.2雙極性SPWM法42.3 系統(tǒng)設(shè)計總方案的確定6三 主電路設(shè)計73.1主電路功能說明73.2 主電路設(shè)計83.3 主電路電路圖9四 控制電路設(shè)計94.1 控制電路設(shè)計總思路94.2 SPWM波形產(chǎn)生電路94.2.1 HEF4752芯片介紹94.2.2 SPWM波形產(chǎn)生電路設(shè)計104.3 電壓電流檢測電路114.4調(diào)節(jié)器設(shè)計124.

3、5 速度檢測電路124.6保護(hù)電路設(shè)計124.6.1 過電流保護(hù)124.6.2 IGBT開關(guān)過程中的過電壓保護(hù)134.6.3 啟動限流保護(hù)13五 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)總設(shè)計圖14一 概述1.1 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)概述PWM控制技術(shù)有許多種，并且還在不斷發(fā)展中。但從控制思想上分，可把它們分成四類，即等脈寬PWM法、正弦波PWM法（SPWM）、磁鏈跟蹤PWM法（SVPWM）和電流跟蹤PWM法等。本設(shè)計主要介紹正弦波SPWM的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的,目前使用較廣泛的PWM法.前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在

4、具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同.SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。1.2變頻調(diào)速的優(yōu)點（1）系統(tǒng)穩(wěn)定且平滑性好，調(diào)速范圍廣；（2）變頻器容量不斷擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)小型化，逐漸多功能化和高效性化；（3）在故障率方面，由于直流電動機(jī)本身的弱點，變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較大的優(yōu)勢；（4）在工作特性方面，靜態(tài)特性和動態(tài)特性都能做到和直流調(diào)速系統(tǒng)不相上下的程度。1.3 SPWM變頻調(diào)速的優(yōu)點基

5、于集成SPWM電路構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單。（2）運行可靠。（2）節(jié)能效果顯著。（3）性價比高。二 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)基本原理2.1交流電動機(jī)變頻調(diào)速原理對于籠型異步電動機(jī)來說，要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，可以通過改變同步轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。而同步速與頻率有如下關(guān)系：其中：-極對數(shù) -供電頻率 -同步速由上式可知，當(dāng)頻率連續(xù)可調(diào)時，電動機(jī)的同步速也連續(xù)可調(diào)。又因為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是比同步轉(zhuǎn)速略低，所以，當(dāng)連續(xù)可調(diào)時，也連續(xù)可調(diào)?？梢姡淖冸娫吹墓╇婎l率可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2.2 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)基本原理PWM脈寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號波（調(diào)制波）對三角載波進(jìn)行調(diào)制，以達(dá)到調(diào)節(jié)

6、輸出脈沖寬度的目的。相當(dāng)于基波分量的信號波（調(diào)制波）并不一定指正弦波，在PWM優(yōu)化模式控制中可以是預(yù)畸變的信號波，正弦信號波是一種最通常的調(diào)制信號，但決不是最優(yōu)信號。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦波是等效的，而這種的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM（Sinusoidal PWM）波形。當(dāng)前逆變電源的控制技術(shù)中，滯環(huán)控制技術(shù)和SPWM控制技術(shù)是變頻電源中比較常用的兩種控制方法。滯環(huán)控制技術(shù)開關(guān)頻率不固定，濾波器較難設(shè)計，且控制復(fù)雜，難以實現(xiàn)；SPWM控制技術(shù)開關(guān)頻率固定，濾波器設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)控制。當(dāng)二者采用電壓電流瞬時值雙閉環(huán)反饋的控制策略時，均能夠輸出高質(zhì)量

7、的正弦波，且系統(tǒng)擁有良好的動態(tài)性能。SPWM調(diào)制技術(shù)是PWM多脈沖可變脈寬調(diào)制技術(shù)的一種，即所謂的正弦波脈寬調(diào)制.其輸出波形是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點與正弦波每一等份的中點相重合，這樣，由n個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法與一系列負(fù)脈沖波等效。如圖2-1所示。設(shè)由整流器提供的直流恒值電壓為Us，并設(shè)電機(jī)繞組中點與直流電壓中點相連，則SPWM脈

8、沖序列波的幅值為。令第i個矩形脈沖的寬度為，其中心點相位角為，則根據(jù)面積相等的等效原則，可寫成：= 當(dāng)n的數(shù)值較大時，近似的認(rèn)為sin/(2n)=/(2n)，于是 相比于其它各種變頻變壓調(diào)制方式，這樣的脈沖系列可獲得比常規(guī)六拍階梯波更接近于正弦波的輸出電壓波形，可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，因而轉(zhuǎn)矩脈動小。由于電網(wǎng)的功率因數(shù)接近于1，大大提高了系統(tǒng)的整體性能。一般的，SPWM分單極性和雙極性兩種調(diào)制方式。 T圖2-1 SPWM的輸出波形2.2.1單極性SPWM法單極性SPWM法輸出的每半個周期中，被調(diào)制成的脈沖電壓只有一種極性，正半周為十U和零，負(fù)半周為一U和零，其調(diào)制波形如圖2-2

9、所示。曲線1是正弦調(diào)制波um，其周期決定于所需要的調(diào)制比kf。曲線2是采用等腰三角波的載波uc，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于1時正弦調(diào)制波的振幅值.每半周期內(nèi)所有三角波的極性均相同，都是單極性。調(diào)制波和載波的交點，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖間的間隔寬度，所得的脈沖系列(如圖2-2)中的uc所示.由圖知，每半周期內(nèi)的脈沖系列也是單極性的。單極性調(diào)制的工作特點是:每半個周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時斷的工作，另一個完全截至;而在另半個周期內(nèi)，兩個器件的工況正好相反。流經(jīng)負(fù)載的便是正、負(fù)交替的交變電流（如圖2-3)所示。1 20wt0wt圖

10、2-2單極性SPWM調(diào)制圖 圖2-3單極性調(diào)制的工作特點圖 2.2.2雙極性SPWM法上述的單極性SPWM 逆變器主電路每相只有一個開關(guān)器件反復(fù)通斷。如果讓同一橋臂上、下兩個開關(guān)器件交替地導(dǎo)通與關(guān)斷，則輸出脈沖在“正”和“負(fù)”之間變化，就得到了雙極性的SPWM波形。雙極性SPWM法的調(diào)制波u仍為正弦波，其周期決定于今，振幅決定于氣，(如圖2-4A)中的曲線1.曲線2載波uc為雙極性的等腰三角形，其周期決定于載波頻率，振幅不變，等于k=1時正弦調(diào)制波振幅值。調(diào)制波與載波的交點決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的，(如圖2-4B)所示。但是，由相電壓合成為線電壓時，所得到的線電

11、壓脈沖系列卻是單極性的，(如圖2-4C) 所示。雙極性調(diào)制的工作特點是:逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，毫不停息。而流過負(fù)載凡的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流，(如圖2-4 D)所示。A)1 2 wt B) wtC) wtD) wt ZLZL 圖24 雙極性SPWM調(diào)制圖2.3 系統(tǒng)設(shè)計總方案的確定在三相交流電源供電的情況下，共需經(jīng)過八個主要模塊完成整個調(diào)速過程。首先是三相整流變壓器降壓，然后經(jīng)二極管橋式整流，再者由電容濾波器濾波獲得直流電源，最后經(jīng)IGBT逆變電路逆變，得到可調(diào)交流電源。IGBT為場控輸入器件，輸入功率小。確定主電路模塊之后，本

12、課程設(shè)計將采用HEF4752芯片構(gòu)成SPWM波形生成電路，實現(xiàn)PWM波的調(diào)制。并采用電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)制系統(tǒng)，同時確定保護(hù)電路模塊，檢測電路模塊，驅(qū)動電路模塊等。系統(tǒng)總流程圖（如圖2-5）所示。M逆變電路平波回路整流電路檢測電路隔離保護(hù)保護(hù)電路電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)制電路驅(qū)動電路HEF4752波形控制電路2-5 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)總流程圖三 主電路設(shè)計3.1主電路功能說明主電路為AC/DC/AC逆變電路，由三相整流橋、濾波器、三相逆變器組成。三相交流電經(jīng)橋式整流后，得到脈動的直流電壓經(jīng)電容器濾波后供給逆變器。二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，電阻R1為起動限流電阻，其上的電壓波形反映了主回路的電

13、流波形，可以用來觀察波形。C1為濾波電容?？赡鍼WM變換器主電路系采用IGBT所構(gòu)成的，IGBT (V1、V2、V3、V4、V5、V6）和六個續(xù)流二極管（VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6）組成的雙極式PWM可逆變換器。經(jīng)變換器逆變，可將直流電源變成穩(wěn)定的或可變的交流電源。3.2 主電路設(shè)計（1）整流器本課題中的整流器是使用六個二極管組成，如圖2所示，它把工頻電源變換為直流電源。因為電機(jī)的功率為3KW,功率因素為0.7,在選擇整流器的二極管時，二極管承受反向最大電壓Udm=1.414U=288V，考慮3倍裕量，則Utn=3*537=864V 取900v該電路整流輸出接有大電容，而且

14、負(fù)載也不是純電感負(fù)載，但為了簡化計算，仍可按電感計算，只是電流裕量要可適當(dāng)取大些即可。IdD=0.5Id=250AID=1/1.414Id=354A ID(AV)=2*354/1.57=451A（2）平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有6倍頻率的脈動電壓，此外逆變變流器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。在濾波電容選擇時，一般根據(jù)放電的時間常數(shù)計算，負(fù)載越大，要求紋波系數(shù)越小，一般不做嚴(yán)格計算，多取2000以上。因該系統(tǒng)負(fù)載不大，故取C1=2200uF,耐壓 1.5Udm=1.5*537=432v,取450v，即選用2200,450v電容器

15、。（3）逆變器逆變器的作用是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，這里選用六個1200A、400V的IGBT和600A、300v的二極管構(gòu)成如圖2所示的逆變器。在IGBT的選擇時因為=222V，取3倍裕量，選耐壓為666v以上的IGBT。由于IGBT是以最大標(biāo)注且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為四倍關(guān)系，故應(yīng)選用大于4倍額定負(fù)載電流的IGBT為宜，因此選用2000A,額定電壓700V左右的IGBT。續(xù)流二極管的選擇，根據(jù) Urm = (23)UsIcm = (1.52)Id得知,續(xù)流二極管應(yīng)選1000A、額定電壓為600v的二極管整流元件。3.3 主電路電路圖主電路電路圖（如圖3-1）所示。3-1

16、主電路四 控制電路設(shè)計4.1 控制電路設(shè)計總思路給異步電動機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制回路?？刂齐娐酚梢韵码娐罚l率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓/電流檢測回路”，電動機(jī)的“速度檢測回路”，將運算電路的控制信號進(jìn)行放大隔離的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機(jī)的“保護(hù)電路”。下面詳細(xì)介紹各單元電路。4.2 SPWM波形產(chǎn)生電路4.2.1 HEF4752芯片介紹本設(shè)計采用由HEF4752產(chǎn)生三相6路SPWM波形通過光電隔離后去控制主電路。 HEF4752是采用LOCMOS工藝制造的大規(guī)模集成電路，專門用來產(chǎn)生三相SPWM信號。它的驅(qū)動輸出經(jīng)隔離放大后，可驅(qū)動GT

17、O和GTR逆變器，在交流變頻調(diào)速中作控制器件。其引腳（如圖4-1）所示。圖4-1該芯片的主要特點如下: 1）能產(chǎn)生三對相位差120的互補(bǔ)SPWM主控脈沖，適用于三相橋結(jié)構(gòu)的逆變器；2）采用多載波比自動切換方式，隨著逆變器的輸出頻率降低，有級地自動增加載波比，從而抑制低頻輸出時因高次諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈沖和噪聲等所造成的惡劣影響。調(diào)制頻率可調(diào)范圍為0100Hz，且能使逆變器輸出電壓同步調(diào)節(jié)；3）為防止逆變器上下橋臂直通，在每相主控脈沖間插入死區(qū)間隔，間隔時間連續(xù)可調(diào)。4.2.2 SPWM波形產(chǎn)生電路設(shè)計驅(qū)動電路要提供控制電路與主回路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁離。這里驅(qū)動的設(shè)計我們采用一個

18、光耦合器實現(xiàn)光隔離（如圖4-2）所示。圖4-2SPWM產(chǎn)生電路設(shè)計（如圖4-3）所示。在該控制電路中，分別由三個CD4046產(chǎn)生推遲時鐘（OCT）和參考時鐘（RCT）、頻率控制時鐘（FCT）和電壓控制時鐘（VCT）3路時鐘信號供給HEF4752。圖4-34.3 電壓電流檢測電路檢測主回路的電壓和電流等信號輸入運算回路進(jìn)行比較，進(jìn)而決定逆變器的輸出電壓、頻率。電壓電流的檢測回路的設(shè)計應(yīng)注意與主回路的電氣隔離保護(hù)，電路圖（如圖4-4）所示。4-4檢測電路隔離環(huán)節(jié)4.4調(diào)節(jié)器設(shè)計本系統(tǒng)采用電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電路中的ACR(電流調(diào)節(jié)器)和ASR（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器）均設(shè)計為PI(比例積分)調(diào)節(jié)器，由PI

19、調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，其設(shè)計（如圖4-5)所示。4-5速度調(diào)節(jié)器4.5 速度檢測電路速度回饋是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，速度檢測電路是以裝在異步電動機(jī)軸上的速度檢測器TG的信號為速度信號，輸入運算電路，根據(jù)指令和運算可使電動機(jī)按指令速度運轉(zhuǎn)。速度檢測電路設(shè)計如圖4-6所示。4-6 速度檢測電路4.6保護(hù)電路設(shè)計4.6.1 過電流保護(hù)通常采取的保護(hù)措施有軟關(guān)斷和降柵壓2種。軟關(guān)斷指在過流和短路時，直接關(guān)斷IGBT。但是，軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流信號就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動作。為增加保護(hù)電路的抗騷擾能力，可在故障信號與啟動保護(hù)電路之間加一延時，不過故障電流會在這個延時內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時還會導(dǎo)致器件的di/