SPWM穩(wěn)頻穩(wěn)壓逆變電源

摘要：介紹了SPWM穩(wěn)頻穩(wěn)壓逆變電源的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)分析了其測(cè)量系統(tǒng)，該電源設(shè)備通過(guò)取樣電機(jī)實(shí)際響應(yīng)電壓Vpwm，解決了SPWM脈寬調(diào)制式變頻器與電機(jī)的匹配問(wèn)題。

    關(guān)鍵詞：逆變器；負(fù)載匹配；穩(wěn)頻穩(wěn)壓；測(cè)量系統(tǒng)

引言

近年來(lái)，變頻器與變頻電機(jī)組成的拖動(dòng)系統(tǒng)在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。然而在使用中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)變頻器與變頻電機(jī)不能很好地匹配，這個(gè)問(wèn)題嚴(yán)重困擾著變頻器及變頻電機(jī)的生產(chǎn)廠(chǎng)家。因此有必要研發(fā)SPWM穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源，使電源頻率可調(diào)范圍為0～500Hz，電壓可調(diào)范圍為0～420V（基波）。且能顯示電機(jī)實(shí)際響應(yīng)的SPWM波的電壓(Vpwm)、電流、頻率和功率等。這樣，變頻器的生產(chǎn)廠(chǎng)家就可以該電源為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量出與之配套的變頻電機(jī)真實(shí)使用的電壓值、電流值、頻率值，來(lái)調(diào)校變頻器的矢量控制參數(shù)或v/f控制參數(shù)。而電機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家也可根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)電源來(lái)調(diào)整電機(jī)的參數(shù)，使其與變頻器匹配。

圖1

1 工作原理及測(cè)量系統(tǒng)分析

如圖1所示，SPWM穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源主電路與市面上成熟的SPWM逆變電源類(lèi)似。當(dāng)交流電機(jī)和一個(gè)脈寬調(diào)制變頻器一起被用于變頻調(diào)速時(shí)，設(shè)計(jì)Vpwm是為了測(cè)量交流電機(jī)有效電壓。這種類(lèi)型的變頻器首先從交流源產(chǎn)生一個(gè)直流電壓E，被稱(chēng)為直流鏈電壓。然后利用電力電子變換技術(shù)，采用脈寬調(diào)制來(lái)變換直流鏈電壓，可以得到一個(gè)三相電源系統(tǒng)，例如：通過(guò)IGBT在數(shù)ms內(nèi)將直流電壓開(kāi)關(guān)數(shù)百次，來(lái)創(chuàng)建頻率可調(diào)的三相電壓。然而輸出電壓并不是正弦波，而是一個(gè)恒幅值的高頻斬波波形，如圖2所示。這種電壓被送給電機(jī)，由于電機(jī)是一個(gè)大的感性負(fù)載，主要對(duì)電源電壓低頻部分作出響應(yīng)，故電流波形僅具有少量的高頻成分，近似為一個(gè)正弦波。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和使用者，能夠測(cè)量出電機(jī)實(shí)際接收到的電壓Vpwm，檢查電機(jī)的矢量參數(shù)或v/f是否超出范圍是非常重要的。如果長(zhǎng)時(shí)間超出電機(jī)的標(biāo)稱(chēng)v/f值（例如，電機(jī)在高頻、低速下運(yùn)轉(zhuǎn)），電機(jī)將會(huì)發(fā)熱，甚至損壞，而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。然而需要注意的是，用電壓表測(cè)量該斬波波形的電壓是有效值Vrms，而電機(jī)響應(yīng)的實(shí)際有效電壓Vpwm與圖2的脈寬調(diào)制波的有效值Vrms之間存在非常大的誤差。例如某系統(tǒng)，當(dāng)Vpwm=144V時(shí)，Vrms=192V，誤差率為（192－144）/144=33.3％
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    采樣經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)送給控制系統(tǒng)�？刂葡到y(tǒng)通過(guò)計(jì)算基頻的整個(gè)周期的絕對(duì)平均電壓的有效值即均方根值檢測(cè)出VPWM。

例如，當(dāng)載波比N=ωc/ωs取3的奇整倍數(shù)時(shí)，線(xiàn)電壓uab的傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為

式中：M為調(diào)制度；

m與n分別為相對(duì)于載波和調(diào)制波的諧波次數(shù)；

ωc，ωs分別為載波和調(diào)制波的角頻率。

同樣可推導(dǎo)出線(xiàn)電壓ubc及uca的方程式。顯然幅值很高的載波成分被消除掉了；載波諧波也被消除；它們的上下邊頻中的零序諧波成分也不存在了；上式中sin是消除m和n的同時(shí)為偶數(shù)或同時(shí)為奇數(shù)時(shí)的那些項(xiàng)。表1為uab中諧波的通用值。

表1 uab中諧波的通用值

km±n

　

　

M

　

　

　

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1

0.122

0.245

0.267

0.490

0.612

m±2

0.010

0.037

0.080

0.135

0.195

m±4

　

　

　

0.005

0.011

2m±1

0.116

0.200

0.227

0.192

0.111

2m±5

　

　

　

0.008

0.020

3m±2

0.027

0.085

0.124

0.108

0.038

3m±4

　

0.007

0.029

0.064

0.096

4m±1

0.100

0.096

0.005

0.064

0.042

4m±5

　

　

0.021

0.051

0.073

4m±7

　

　

　

0.010

0.030

圖3所示的是在信號(hào)中存在高頻成分時(shí)諧波和基波相迭加的情景。諧波的次數(shù)越高對(duì)平均值的影響越小。

    采用圖1的測(cè)量系統(tǒng)，取輸出信號(hào)的基頻和測(cè)量基頻的整數(shù)個(gè)周期，將有關(guān)數(shù)據(jù)傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算基頻波的均方根值（有效值），最終顯示出電機(jī)實(shí)際響應(yīng)的Vpwm值。

2 穩(wěn)壓穩(wěn)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

在穩(wěn)頻穩(wěn)壓SPWM電源設(shè)計(jì)前?須明確系統(tǒng)要求的技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)這些指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，從而明確各單元電路應(yīng)達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)。合理地分給各個(gè)單元，然后進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。正確的參數(shù)被送給數(shù)字電路進(jìn)行程序設(shè)計(jì)來(lái)控制頻率與電壓。由圖4穩(wěn)幅原理框圖，得到圖5閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

    2.1 靜態(tài)設(shè)計(jì)

由圖5可推導(dǎo)出靜態(tài)特征方程

Uo=KUnUi/(1＋αK1K2Ui)   （2）

則靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

根據(jù)靜態(tài)特征方程和系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，可確定各單元電路的技術(shù)指標(biāo)。

2.2 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

    由于各單元電路均可能存在延時(shí)，它們將影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，并可能引起系統(tǒng)振蕩。設(shè)總延時(shí)為T(mén)s，功放是閉環(huán)系統(tǒng)中延時(shí)最大的環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為

K2/(1＋Tss)    （3）

積分乘法器的傳遞函數(shù)為

Ui(1＋Ts)/Ts    （4）

反饋電路因有濾波環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為

α/(1＋Tns)   （5）

則得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。根據(jù)系統(tǒng)的最終校正即可確定系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)。

2.3 保護(hù)設(shè)計(jì)

SPWM穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源的保護(hù)與UPS、變頻器保護(hù)一樣，具有過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)；di/dt、du/dt限制保護(hù)。建議采用目前已相當(dāng)成熟的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述介紹，試制了一臺(tái)額定輸出功率為10kW的樣機(jī)在揚(yáng)州某電子廠(chǎng)試用，采用此原理測(cè)量的VPWM與美國(guó)FLUKE萬(wàn)用示波表進(jìn)行比較2穩(wěn)壓穩(wěn)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在穩(wěn)頻穩(wěn)壓SPWM電源設(shè)計(jì)前?須明確系統(tǒng)要求的技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)這些指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，從而明確各單元電路應(yīng)達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)。合理地分給各個(gè)單元，然后進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。正確的參數(shù)被送給數(shù)字電路進(jìn)行程序設(shè)計(jì)來(lái)控制頻率與電壓。由圖4穩(wěn)幅原理框圖，得到圖5閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

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