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)計方案，重點分析了其測量系統(tǒng)，該電源設(shè)備通過取樣電機實際響應(yīng)電壓Vpwm，解決了SPWM脈寬調(diào)制式變頻器與電機的匹配問題。

關(guān)鍵詞：逆變器；負載匹配；穩(wěn)頻穩(wěn)壓；測量系統(tǒng)

0    引言

    近年來，變頻器與變頻電機組成的拖動系統(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)變頻器與變頻電機不能很好地匹配，這個問題嚴重困擾著變頻器及變頻電機的生產(chǎn)廠家。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）。且能顯示電機實際響應(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)廠家就可以該電源為標準，測量出與之配套的變頻電機真實使用的電壓值、電流值、頻率值，來調(diào)校變頻器的矢量控制參數(shù)或v/f控制參數(shù)。而電機生產(chǎn)廠家也可根據(jù)該標準電源來調(diào)整電機的參數(shù)，使其與變頻器匹配。

1    工作原理及測量系統(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逆變電源類似。當交流電機和一個脈寬調(diào)制變頻器一起被用于變頻調(diào)速時，設(shè)計V_pwm是為了測量交流電機有效電壓。這種類型的變頻器首先從交流源產(chǎn)生一個直流電壓E，被稱為直流鏈電壓。然后利用電力電子變換技術(shù)，采用脈寬調(diào)制來變換直流鏈電壓，可以得到一個三相電源系統(tǒng)，例如：通過IGBT在數(shù)ms內(nèi)將直流電壓開關(guān)數(shù)百次，來創(chuàng)建頻率可調(diào)的三相電壓。然而輸出電壓并不是正弦波，而是一個恒幅值的高頻斬波波形，如圖2所示。這種電壓被送給電機，由于電機是一個大的感性負載，主要對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，近似為一個正弦波。對于系統(tǒng)設(shè)計者和使用者，能夠測量出電機實際接收到的電壓V_pwm，檢查電機的矢量參數(shù)或v/f是否超出范圍是非常重要的。如果長時間超出電機的標稱v/f值（例如，電機在高頻、低速下運轉(zhuǎn)），電機將會發(fā)熱，甚至損壞，而產(chǎn)生嚴重后果。然而需要注意的是，用電壓表測量該斬波波形的電壓是有效值V_rms，而電機響應(yīng)的實際有效電壓V_pwm與圖2的脈寬調(diào)制波的有效值V_rms之間存在非常大的誤差。例如某系統(tǒng)，當V_pwm=144V時，V_rms=192V，誤差率為（192－144）/144=33.3％

圖1    測量系統(tǒng)原理框圖

圖2    SPWM波形與基波

    采樣經(jīng)檢測系統(tǒng)將數(shù)據(jù)送給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過計算基頻的整個周期的絕對平均電壓的有效值即均方根值檢測出VPWM。

    例如，當載波比N=ω_c/ω_s取3的奇整倍數(shù)時，線電壓u_ab的傅立葉級數(shù)表達式為

    u_ab=MEcos(ω_st－－φ)－sinsin

    sin[(mN＋n)(ω_st－)－－nφ]（1）

式中：M為調(diào)制度；

      m與n分別為相對于載波和調(diào)制波的諧波次數(shù)；

           ω_c，ω_s分別為載波和調(diào)制波的角頻率。 [!--empirenews.page--]

    同樣可推導出線電壓u_bc及u_ca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的同時為偶數(shù)或同時為奇數(shù)時的那些項。表1為u_ab中諧波的通用值。

表1    u_ab中諧波的通用值

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

圖3    基波、三次、五次諧波疊加

    采用圖1的測量系統(tǒng)，取輸出信號的基頻和測量基頻的整數(shù)個周期，將有關(guān)數(shù)據(jù)傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過計算基頻波的均方根值（有效值），最終顯示出電機實際響應(yīng)的V_pwm值。

2    穩(wěn)壓穩(wěn)頻系統(tǒng)設(shè)計方法

    在穩(wěn)頻穩(wěn)壓SPWM電源設(shè)計前必須明確系統(tǒng)要求的技術(shù)指標，根據(jù)這些指標進行系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)設(shè)計，從而明確各單元電路應(yīng)達到的主要技術(shù)指標。合理地分給各個單元，然后進行參數(shù)計算。正確的參數(shù)被送給數(shù)字電路進行程序設(shè)計來控制頻率與電壓。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。

圖4    穩(wěn)幅原理框圖

圖5閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 [!--empirenews.page--]

2.1    靜態(tài)設(shè)計

    由圖5可推導出靜態(tài)特征方程

    U_o=KU_nU_i/(1＋αK₁K₂U_i)（2）

則靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6    靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖

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

2.2    動態(tài)設(shè)計

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

    K₂/(1＋T_ss)（3）

積分乘法器的傳遞函數(shù)為

    U_i(1＋T_s)/T_s（4）

反饋電路因有濾波環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為

        α/(1＋T_ns)（5）

    則得系統(tǒng)的動態(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)開環(huán)放大倍數(shù)。

圖7    動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2.3    保護設(shè)計

    SPWM穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源的保護與UPS、變頻器保護一樣，具有過流、過壓保護；di/dt、du/dt限制保護。建議采用目前已相當成熟的軟開關(guān)技術(shù)來實現(xiàn)。

3    結(jié)語

    根據(jù)上述介紹，試制了一臺額定輸出功率為10kW的樣機在揚州某電子廠試用，采用此原理測量的VPWM與美國FLUKE萬用示波表進行比較，電壓偏差僅為0.2％，負載穩(wěn)壓率為1％，穩(wěn)頻率為0.01％，使用狀況良好。說明該電源具有較好的技術(shù)性能和實用性，不僅為PWM式逆變器與電機的匹配起到了橋梁作用，還為它們提供了調(diào)校的標準源。