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1、1设计总思路1.1 设计思路及原理SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论: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。SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。设计主电路是经过电力二极管的不可控桥式整流后，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压，整流后与电桥并联一个电容，用于
2、滤波，作用是减小直流电压脉动。接着将整流后的直流通过三相电压型桥式逆变电路换为频率与电压都可调的交流电。对逆变电路中的IGBT控制，是通过正弦波脉宽调制（SPWM）技术。以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望高得多的等腰三角波作为载波，当调制波与载波相交时，有它们的交点确定逆变电路中的IGBT的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列。总电路图如图1-1所示图1-1设计总电路图1.2变频器的发展方向变频器从80年代开始商品化，应用的领域也在不断的扩大，主要有以下几个方面:( 1 ) 变频器容量不断扩大。变频器的容量主要和它的开关器件的容量有直接影响，70年
3、代中期，功率晶体管开始开发，到80年代采用功率晶体管的SPWM变频器的投产，随着元件容量的提高，变频器的容量不断提高，目前变频器的容量已经达到600KVA,400KVA以下的己经系列化。( 2 ) 变频器结构的小型化。变频器主电路中功率电路的模块化、控制电路采用大规模集成电路(LSI)和全数字化技术等一系列措施促进了变频电源的小型化。( 3 ) 变频器的多功能化和高性能化。电力电子器件和控制技术的不断进步，使变频器向多功能化和高性能化的方向发展，特别是微处理器的应用，以其精练的硬件结构和丰富的软件功能，为变频器的多功能化和高性能化提供了可靠的保证。日益丰富的软件功能使通用变频器的适应性不断加强
4、。1.3 论文研究的目的和意义 在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题有着十分重要的意义，电机调速性能的提高可以大大提高工农业生产设备的加工精度、工艺水平以及工作效率，从而提高产品的质量和数量;对于风机、水泵负载，如果采用调速的方法改变其流量，节电效率可达20%-60%。众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电机调速所垄断，这是和实际中交流电机的广泛使用是一对存在的矛盾，许多应用交流电机的设备为了达到调节被控对象的目的，只能采用物理的方法，例如采用风门，阀门控制流量等，这样浪费能源的问题就很突出，费用就大。而且在采用直流调速的
5、方面由于直流电机固有的缺点换相器和电刷的存在，使得维修工作量大，事故率高，电机的大容量使用受到限制，在易燃易爆的场合无法使用，因此开发交流调速势在必行。2 单元电路设计2.1 主电路结构主电路是交一直一交电压源型，单相220V工频交流供电，采用不可控的二极管整流桥，大电容滤波，采用大功率晶体管IGBT作为输出SPWM波形的开关器件。目前的大功率开关器件都是以集成的大功率场效应管IGBT为主流，另外系统中设置了保护电路，包括过压、过流的保护等。主电路如图2-1所示。图2-1 主电路结构图电容滤波的三相不可控整流电路，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个，该线电压既向电容
6、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，Ud按指数规律下降。逆变(DCAC)技术是电力电子技术的重要组成部分，是把直流电变成交流电的过程，完成逆变功能的电路称为逆变电路逆变电路根据直流侧电源性质不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路。2.2 三相电压型逆变电路与控制电路三相交流负载需要三相逆变器，在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为可控元件的电压型三相逆变电路与控制电路如图2.2所示，可以看出电路由三个半桥组成。图2-2 控制电路及逆变电路图用T记为
7、周期，只要注意三相之间互隔T3(T是周期)就可以了，即B相比A相滞后 T3，C相又比B相滞后T3。具体的导通顺序如下：第1个T6：V1，V6，V5导通，V4，V3，V2截止：第2个T6：Vl，V6，V2导通，V4。V3，V5截止：第3个T6：V1，V3，V2导通，V4，V6，V5截止：第4个T6：V4，V3，V2导通，V1，V6，V5截止：第5个T6：V4，V3，V5导通，V1，V6，V2截止：第6个T6：V4，V6，V5导通，V1，V3，V2截止。下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形。对于A相输出来说，当桥臂l导通时，当桥臂4导通， 因此，的波形是幅值为的矩形波。B，C两相的情况和A相
8、类似，的波形形状和相同，只是相位依次相差。2.2.1 RC桥式正弦振荡电路RC桥式正弦振荡电路如图 2-3所示。其中R1、C1和R2、C2为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。R3、RW及R4组成负反馈网络，调节RW可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。图中的两个二极管D1，D2便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻R4两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由R3、R
9、W及R4决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。调整电阻RW （即改变了反馈R f ），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大R f ，如波形失真严重，则应适当减少R f。 改变选频网络的参数C 或R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C 作频率量程切换（粗调），而调节R作量程内的频率细调。 图2-3 RC桥式正弦振荡电路2.2.2 比较器迟滞比较器的电路图如图2-4所示。该比较器是一个具有
10、迟滞回环传输特性的比较器。由于正反馈作用，这种比较器的门限电压是随输出电压V0的变化而变化。在实际电路中为了满足负载的需要，通常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的VOL和VOH，如图2-5所示。 图2-4迟滞比较器图 2-5迟滞比较器电压传输特性2.2.2 三角波发生器由集成运算放大器构成的三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。如图2-6所示为由迟滞比较器和集成运放组成的积分电路所构成的三角波发生器。A1构成迟滞比较器，同相端电位Vp由VO1和VO2决定。A2构成反相积分器VO1为负时， VO2 向正向变化， VO1 为正时， VO2 向负向变化。假设电源接通时V
11、O1 = -Vz，线性增加。当VO2下降到使Vp略低于0时， VO1 = - Vz 。这样不断的重复，就可以得到三角波VO2 。图2-6三角波发生电路3 设计仿真3.1 运行仿真打开仿真/参数窗口，选择 ode23tb 算法，将相对误差设置为 1e-3，停止时间设置为 0.1s，单击工具栏中的“开始”按钮开始仿真。仿真波形如下：图3-1 频率5HZ时Ud的波形图3-2频率5HZ时UA的波形图3-3 频率5HZ时Ia的波形图3-4 频率20HZ时Ud的波形图3-5 频率20HZ时UA的波形图3-6频率20HZ时Ia的波形图3-7 频率50HZ时Ud的波形图3-8 频率50HZ时UA的波形图3-9
12、 频率50HZ时Ia的波形3.2 仿真波形分析SPWM调制技术是PWM多脉冲可变脉宽调制技术的一种，即所谓的正弦波脉宽调制.其输出波形是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等份的中点相重合，这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。三相对称的参考正弦电压调制信号，由参考信号发生器提供，其频率和幅值都是可调的。三角载波信号由三角波发生器提供，各相共用。它分别与每相调制信号在比较器
13、上进行比较，给出正或零的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。通过搭建的交直交变频调速系统的仿真结果分析可知，三相的交流电在经过整流之后变成电压恒定的直流电压源，电压波形基本趋于恒定的直线。在经过逆变部分之后的波形是脉宽可调的方波。而经过反馈和LC滤波之后变成频率可变的正弦波。而通过变频前后的波形可以看出变频之后的正弦波虽然频率变了，但是其波形当中还有波动。4 总结本设计参考变频系统的设计思想，通过SPWM技术，对这种调速系统分析和设计作了相应的研究。总的来说，得出了以下结论:1.为电机控制而设计的控制电路，只要改变三角波与正弦波的幅值和频率就能方便可靠地实现
14、双极性SPWM调制，适用于低频逆变场合。电路简单易懂。2.变频驱动器主电路的逆变采用了SPWM调制技术，理论表明，当载波频率较高时，其输出脉冲序列的基波电压幅值与所要求的等效正弦波幅值相等。故这种调制方式能很好地满足异步电机变压变频的要求。通过对其频谱的分析，还证明了提高载波频率，可以有效抑制谐波电压和电流，从而改善电机的运行性能。设计一开始不知如何下手，经过广泛查阅资料，我们无论是生活还是学习都离不开外界的力量，当然也要有自己的努力，这次课程设计有很多的不足，很多东西平时学的也不透彻，我觉得做一次课程设计从每一个细节都在锻炼着我们。我学习到了电机控制中一种先进的法，让我在计算机的学习上迈出了一大步，在今后学习和工作中，我会吸取实验过程中的经验教训，对变频调速进行更深入的研究和开发。参考文献1胡宴如.模拟电子技术基础：高等教育出版社.20042钱卫钧.电机与控制:化学工业出版社.20103陈伯时.交流调速系统:机械工业出版社.19994吴守簇.电气传动的脉宽调制控制技术:机械工业出版社.19995胡崇岳.现代交流调速技术:机械工业出版社.19986沈安俊.电气自动控制:机械工业出版社.1984附录仿真电路
