SPWM穩頻穩壓逆變電源

摘要：介紹了SPWM穩頻穩壓逆變電源的設計方案，重點(diǎn)分析了其測量系統，該電源設備通過(guò)取樣電機實(shí)際響應電壓Vpwm，解決了SPWM脈寬調制式變頻器與電機的匹配問(wèn)題。

引言

近年來(lái)，變頻器與變頻電機組成的拖動(dòng)系統在生產(chǎn)中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。然而在使用中經(jīng)常發(fā)現變頻器與變頻電機不能很好地匹配，這個(gè)問(wèn)題嚴重困擾著(zhù)變頻器及變頻電機的生產(chǎn)廠(chǎng)家。因此有必要研發(fā)SPWM穩頻穩壓電源，使電源頻率可調范圍為0～500Hz，電壓可調范圍為0～420V（基波）。且能顯示電機實(shí)際響應的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準，測量出與之配套的變頻電機真實(shí)使用的電壓值、電流值、頻率值，來(lái)調校變頻器的矢量控制參數或v/f控制參數。而電機生產(chǎn)廠(chǎng)家也可根據該標準電源來(lái)調整電機的參數，使其與變頻器匹配。

圖1

1 工作原理及測量系統分析

如圖1所示，SPWM穩頻穩壓電源主電路與市面上成熟的SPWM逆變電源類(lèi)似。當交流電機和一個(gè)脈寬調制變頻器一起被用于變頻調速時(shí)，設計Vpwm是為了測量交流電機有效電壓。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)，采用脈寬調制來(lái)變換直流鏈電壓，可以得到一個(gè)三相電源系統，例如：通過(guò)IGBT在數ms內將直流電壓開(kāi)關(guān)數百次，來(lái)創(chuàng )建頻率可調的三相電壓。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，由于電機是一個(gè)大的感性負載，主要對電源電壓低頻部分作出響應，故電流波形僅具有少量的高頻成分，近似為一個(gè)正弦波。對于系統設計者和使用者，能夠測量出電機實(shí)際接收到的電壓Vpwm，檢查電機的矢量參數或v/f是否超出范圍是非常重要的。如果長(cháng)時(shí)間超出電機的標稱(chēng)v/f值（例如，電機在高頻、低速下運轉），電機將會(huì )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Vrms，而電機響應的實(shí)際有效電壓Vpwm與圖2的脈寬調制波的有效值Vrms之間存在非常大的誤差。例如某系統，當Vpwm=144V時(shí)，Vrms=192V，誤差率為（192－144）/144=33.3％

采樣經(jīng)檢測系統將數據送給控制系統�？刂葡到y通過(guò)計算基頻的整個(gè)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=ωc/ωs取3的奇整倍數時(shí)，線(xiàn)電壓uab的傅立葉級數表達式為

式中：M為調制度；

m與n分別為相對于載波和調制波的諧波次數；

ωc，ωs分別為載波和調制波的角頻率。

同樣可推導出線(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)為偶數或同時(shí)為奇數時(shí)的那些項。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

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