低壓三相異步電機(jī)的逆變電源畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文設(shè)計(jì)了一套用于驅(qū)動低壓三相異步電機(jī)的逆變電源。由于日常生活中許多場合用電設(shè)備都不方便直接使用交流電網(wǎng)提供的電源工作，從而將已有的直流電進(jìn)行逆變得到需要的交流電的逆變技術(shù)具有很大的應(yīng)用空間。本文設(shè)計(jì)的逆變電源由48v直流電壓源供電，是電壓型逆變電源。電源主體電路為三相全橋逆變電路，開關(guān)器件采用MOSFET IRF640, I

2、RF640的柵極控制信號為PWM波。電源系統(tǒng)利用PIC18F2431用軟件方法生成最初的六路PWM波形，經(jīng)半橋驅(qū)動IR2103S后輸出作為三相逆變?nèi)珮螂娐返牧鶄€(gè)橋臂的控制信號。</p><p>　　本文還設(shè)計(jì)了過電流保護(hù)電路。通過運(yùn)放LM358兩個(gè)管腳電平的比較，當(dāng)主電路電流過大時(shí)，LM358送給單片機(jī)一個(gè)控制信號，單片機(jī)關(guān)閉輸出信號避免電路損壞。</p><p>　　通過與上位機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試

3、，測取了單片機(jī)輸出的PWM波，IR2103S輸出的柵極控制信號以及驅(qū)動三相異步電機(jī)時(shí)電機(jī)的電壓電流波形，并進(jìn)行了分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：逆變電源，三相異步電機(jī)，脈寬調(diào)制</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In this paper, a kind of inverter is designed

4、 to drive asynchronous motors. Because the AC supply is not always available to all of the electrical equipments ,the technology of inversion has an vast application. The inverter designed in this paper is supplied by an

5、 48-volt DC voltage source. The triphase full-bridge circuit is used as the main circuit of the inverter. Six mosfets IRF640N are took as switching devices, and their grids are controlled by PWM signals. The system uses

6、PIC18F2431 to c</p><p>　　This thesis also designed a protecting circuit for excess current. By comparing two voltages on its pins, LM358 sends a signal to PIC18F2431 when the excess current appears. PIC18F24

7、31 shut the outputs to protect the whole circuit. </p><p>　　The waveforms, including the PWM output, the signals from IR2103S as well as the voltage waveform and current Waveform, are measured by connecting

8、the system with computer and then are analysed. </p><p>　　KEY WORDS: inverter, three-phase asynchronous motors, PWM </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b&g

9、t;</p><p>　　ABSTRACT2</p><p><b>　　目 錄3</b></p><p><b>　　前 言5</b></p><p>　　第1章 逆變電源的基本理論8</p><p>　　1.1 逆變電源的發(fā)展及現(xiàn)狀8</p>&l

10、t;p>　　1.2 逆變電路分類9</p><p>　　1.3 三相PWM逆變器的電路拓?fù)?0</p><p>　　1.4 電壓型三相全橋逆變電路11</p><p>　　第2章 逆變電路的控制技術(shù)15</p><p>　　2.1 逆變電源控制技術(shù)的發(fā)展15</p><p>　　2.2 PWM概述16

11、</p><p>　　2.3 PWM基本原理19</p><p>　　2.3.1 面積等效原理19</p><p>　　2.3.2 同步調(diào)制與異步調(diào)制19</p><p>　　2.3.3 自然采樣法與規(guī)則采樣法21</p><p>　　2.4 三相SPWM22</p><p>　　第3

12、章 逆變電源硬件電路設(shè)計(jì)25</p><p>　　3.1 電路原理圖25</p><p>　　3.2 PIC18F2431簡介26</p><p>　　3.3 驅(qū)動電路29</p><p>　　3.3.1 IR2103S簡介29</p><p>　　3.3.2 驅(qū)動電路分析32</p><

13、;p>　　3.3.3 死區(qū)時(shí)間分析33</p><p>　　3.4 逆變電路35</p><p>　　3.4.1 IRF640N簡介35</p><p>　　3.4.2 IRF640N工作特性37</p><p>　　3.5 保護(hù)電路38</p><p>　　3.6 電源電路40</p>

14、<p>　　3.7 逆變電源工作過程42</p><p>　　第4章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析43</p><p>　　4.1 單片機(jī)輸出的PWM波形及分析43</p><p>　　4.2 逆變電路開關(guān)器件柵極控制信號及分析44</p><p>　　4.3 帶電動機(jī)負(fù)載后電壓、電流波形46</p><p>

15、　　第5章 諧波分析48</p><p>　　5.1 諧波產(chǎn)生原因48</p><p>　　5.2 諧波補(bǔ)償技術(shù)48</p><p>　　5.2.1 一種特定諧波消去法（Selected Harmonic Elimination PWM—SHEPWM）48</p><p>　　5.2.2 諧波補(bǔ)償技術(shù)51</p>&l

16、t;p>　　第6章 全文小結(jié)53</p><p><b>　　致 謝54</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)55</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　隨著控制技術(shù)的發(fā)展，許多場合的用電設(shè)備都不是直接使用公用交流電網(wǎng)提供的

17、交流電作為電能源，而是通過各種形式對其進(jìn)行變換，從而得到各自所需的電能形式。它們的幅值、頻率、穩(wěn)定度及其變化方式因用電設(shè)備的不同而不盡相同，如通信電源、不間斷電源、醫(yī)用電源、充電器等，它們所使用的電能都是通過整流和逆變組合電路對原始電能進(jìn)行變換后得到的。小型化、數(shù)字化、高性能的逆變電源具有廣泛的應(yīng)用前景。</p><p>　　電源技術(shù)主要研究如何利用電力電子技術(shù)對功率進(jìn)行變化和控制，它廣泛運(yùn)用現(xiàn)代逆變技術(shù)、電磁技

18、術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的理論，具有較強(qiáng)的綜合性。本課題主要設(shè)計(jì)了一種逆變電源，該電源用于給低壓三相異步電動機(jī)供電。</p><p>　　現(xiàn)代逆變技術(shù)是電源技術(shù)的基礎(chǔ)，它是研究現(xiàn)代逆變電路的理論和應(yīng)用設(shè)計(jì)方法的一門科學(xué)，是建立在現(xiàn)代控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體變流技術(shù)、脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)、磁性材料等學(xué)科基礎(chǔ)之上的一門實(shí)用技術(shù)。采用逆變技術(shù)有很多優(yōu)越性，通過控制驅(qū)動信號，可以控制逆變電路的工作頻率和輸出

19、時(shí)間比例，從而使輸出電壓或者電流的頻率和幅值按照設(shè)備工作的要求來靈活的變化。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的逆變電源是將穩(wěn)定的48v直流電變換成符合特殊要求的交流電。由于逆變電路的工作頻率高，調(diào)節(jié)周期短，使得電源設(shè)備的動態(tài)特性很好。具體表現(xiàn)為：負(fù)載效應(yīng)好，啟動沖擊電流小，超調(diào)量小，恢復(fù)時(shí)間快，輸出穩(wěn)定，紋波小等。</p><p>　　PWM控制就是對開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使得輸出端得到一

20、系列幅值相等而寬度不相等的脈沖。各脈沖的寬度按照一定的規(guī)律變化。在電壓逆變控制的過程中，各脈沖的寬度是按照正弦變化的，根據(jù)沖量等效的原理，PWM波形和正弦波是等效的，再將PWM波形經(jīng)過電感和電容組成的濾波電路，濾除高次諧波，得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。</p><p>　　PWM控制分為單極性PWM控制和雙極性PWM控制兩大類：單極性PWM波形是在單方向變化的，雙極性PWM波形在正負(fù)兩個(gè)方向變化。但是兩者的控制原理都是沖量

21、等效原理。PWM波形的頻率越高，輸出波形的諧波含量越少，而且需很小的電感值和的電容值就可以達(dá)到濾波的要求，可以明顯減小電感和電容的體積，進(jìn)而減小電源的體積。這就是采用高頻PWM控制的主要原因。</p><p>　　PWM逆變器有電壓型和電流型兩種，目前以電壓型為主?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓脈沖的寬度來改變輸出電壓的大??；調(diào)節(jié)逆變器控制電壓的頻率以實(shí)現(xiàn)輸出電壓頻率的改變，這就使輸出電壓波形畸變減小而接近正弦波形。

22、</p><p>　　PWM逆變器具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）簡化了主電路和控制電路結(jié)構(gòu)，體積小，重量輕，控制簡單，造價(jià)低，可靠性高。</p><p>　　（2）PWM型輸出電壓和頻率的調(diào)節(jié)，直接由PWM型逆變器控制，使系統(tǒng)動態(tài)性能良好。</p><p>　?。?）輸出電壓和輸出電流波形接近正弦，具有最好的諧波特性。<

23、/p><p><b>　　本文結(jié)構(gòu)如下：</b></p><p>　　第1章：介紹逆變電路的基本工作原理。</p><p>　　第2章：介紹逆變電源控制技術(shù)，重點(diǎn)介紹了PWM控制。</p><p>　　第3章：介紹主電路的設(shè)計(jì)，包括各器件介紹，各功能模塊介紹及過電流保護(hù)計(jì)算等。</p><p>　　第

24、4章：與上位機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試，測取了控制信號，輸出電壓，電機(jī)電流波形，并進(jìn)行了分析。</p><p>　　第5章：對諧波進(jìn)行了簡單的討論。</p><p>　　第6章：對全文進(jìn)行總結(jié)。</p><p>　　第1章 逆變電源的基本理論</p><p>　　1.1 逆變電源的發(fā)展及現(xiàn)狀</p><p>　　逆變器的原理早在193

25、1年就在文獻(xiàn)中提到過。1948年，美國西屋電氣公司用汞弧整流器制成了3000Hz的感應(yīng)加熱用逆變器。從1947年第一只晶體管誕生，到晶閘管SCR、可關(guān)斷晶閘管GTO、電力晶體管GTR的出現(xiàn)到實(shí)用化，電力電子技術(shù)進(jìn)入傳統(tǒng)發(fā)展時(shí)代，正弦波逆變器也隨之誕生。20世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了各種高頻化的全控器件，并得到了迅速的發(fā)展，如功率場效應(yīng)管Power MOSFET、絕緣柵極晶體管IGT或IGBT等，使得電力電子

26、技術(shù)由傳統(tǒng)發(fā)展時(shí)代進(jìn)入高頻化時(shí)代。在這個(gè)時(shí)代，具有小型化和高性能特點(diǎn)的新逆變技術(shù)層出不窮，特別是脈寬調(diào)制波形改善技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。</p><p>　　從1980年到現(xiàn)在逆變技術(shù)處在高頻化新技術(shù)階段。這個(gè)階段的特點(diǎn)是開器件以高速器件為主，逆變器開關(guān)頻率較高，波形改善以PWM法為主，體積重量小，逆變效率高。正弦波逆變器技術(shù)的發(fā)展日趨完善。</p><p>　　1.2 逆變電路分類<

27、/p><p>　　逆變電路的應(yīng)用十分廣泛。在已有的各種電源中，蓄電池，太陽能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。另外，交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置使用十分廣泛，其電路的核心部分都是逆變電路。</p><p>　　逆變技術(shù)的種類很多，可按照很多種不同形式進(jìn)行分類。其主要分類方式如下:</p><p>　　1.

28、按逆變器輸出交流的頻率，可分為工頻逆變、中頻逆變、高頻逆變。</p><p>　　2.按逆變器輸出相數(shù)，可分為單相逆變、三相逆變和多相逆變。</p><p>　　3.按逆變器輸出能量的去向，可分為有源逆變和無源逆變。</p><p>　　4.按逆變主電路的形式，可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式逆變。</p><p>　　5.按逆變主開關(guān)器

29、件的類型，可分為晶閘管逆變、晶體管逆變、場效應(yīng)管逆變、IGBT逆變，等等。</p><p>　　6.按輸出穩(wěn)定的參量，可分為電壓型逆變和電流型逆變。</p><p>　　7.按輸出波形可分為正弦波輸出逆變和非正弦波輸出逆變。</p><p>　　8.按控制方式，可分為調(diào)頻式(PFM)逆變和調(diào)脈寬式(CPWM)逆變。</p><p>　　1.3

30、 三相PWM逆變器的電路拓?fù)?lt;/p><p>　　目前三相逆變器的主電路拓?fù)渲饕腥鄻蚴侥孀兤?，三相半橋逆變器和三相四橋臂逆變器等?lt;/p><p><b>　　1.三相半橋逆變器</b></p><p>　　三相半橋逆變器也有結(jié)構(gòu)簡單，功率器件較少等特點(diǎn)。利用電源輸入端的兩個(gè)串聯(lián)電容的中點(diǎn)，作為輸出的中點(diǎn)，可構(gòu)成三相四線制的輸出。為了防止中

31、點(diǎn)電位的偏移，串聯(lián)電容的容值必須很大，使逆變器的體積和重量增加。而且半橋電路只是利用直流母線電壓的一半，因此，三相半橋逆變器僅適合于低壓小功率的場合。</p><p>　　2.組合式三相逆變器</p><p>　　組合式三相逆變器由三個(gè)單相逆變器組合而成，每相逆變器相互獨(dú)立。只要控制三相基準(zhǔn)正弦波互差120度，將三臺輸出的地連在一起作為中線就可以實(shí)現(xiàn)三相四線制的輸出。</p>

32、<p>　　3.三相四橋臂逆變器</p><p>　　三相四橋臂逆變器是在三相橋式逆變器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)橋臂。該橋臂的作用是形成輸出中點(diǎn)，減小不平衡負(fù)載時(shí)三相輸出的不對稱度。逆變器的輸入端采用諧振直流環(huán)節(jié)時(shí)，四個(gè)橋臂的功率管均可實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。雖然該逆變器的控制比較復(fù)雜，但仍是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。</p><p><b>　　4.三相橋式逆變器</b>&l

33、t;/p><p>　　三相橋式逆變器的電路結(jié)構(gòu)簡單，采用的器件少，功率管承受母線電壓。但是為了得到三相四線制的輸出電壓，提高逆變器帶不平衡負(fù)載的能力，必須在輸出端增加中點(diǎn)形成變壓器，使逆變器的體積和重量顯著增加。</p><p>　　1.4 電壓型三相全橋逆變電路</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的是一種三相電壓型逆變電路。它有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p&

34、gt;　　(1)直流側(cè)為電壓源，或者并聯(lián)有大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。</p><p>　　(2)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。</p><p>　　(3)當(dāng)交流測為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功功率的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功

35、能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。</p><p>　　表1.1為電壓源型逆變器與電流源型逆變器性能比較：</p><p>　　表1.1 電壓源型逆變器與電流源型逆變器性能比較</p><p>　　下面以采用IGBT作為開關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路為例，說明三相逆變?nèi)珮虻墓ぷ髟恚?lt;/p><p>　　圖1.1 三相電壓型橋式逆

36、變電路</p><p><b>　　工作方式：</b></p><p>　　*每橋臂導(dǎo)電180°，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差120°；</p><p>　　*任一瞬間有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通；</p><p>　　*每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱為縱向換流。</p>

37、<p><b>　　波形特點(diǎn)：</b></p><p>　　對于U相輸出來說，當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)， ；當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)，。因此，的波形是幅值為的矩形波。V、W兩相的情況和U相類似，、的波形形狀和相同，只是相位依次相差。的波形如圖1.2中a、b、c所示。</p><p>　　圖1.2 電壓型三相橋式逆變電路的工作波形</p><p>　　

38、負(fù)載線電壓可由下式求出：</p><p><b>　　負(fù)載相電壓</b></p><p>　　負(fù)載中點(diǎn)和電源假想中點(diǎn)間電壓</p><p>　　負(fù)載三相對稱時(shí)有，于是</p><p>　　負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可由波形求出波形。一相上下兩橋臂間的換流過程和半橋電路相似。橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每6

39、0°脈動一次，直流電壓基本無脈動，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動的電壓型逆變電路的一個(gè)特點(diǎn)。防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源短路，應(yīng)采取“先斷后通”。即先關(guān)斷上（下）橋臂之后再開通同一相的下（上）橋臂。這就要求給同一相上下橋臂信號間設(shè)置一個(gè)死區(qū)時(shí)間以達(dá)到該目的。</p><p>　　第2章 逆變電路的控制技術(shù)</p><p>　　2.1 逆變電源

40、控制技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　用于電力電子逆變控制的PWM調(diào)制技術(shù)到目前為止己有20多年的發(fā)展歷史了，使用PWM調(diào)制技術(shù)不僅要求能夠產(chǎn)生變頻變壓的交流電，同時(shí)還要求產(chǎn)生的交流電具有最小的諧波含量和最大的電壓利用率。其中有代表性的調(diào)制方法有:次諧波SPWM、特定次諧波消除PWM、階梯波調(diào)制PWM,滯環(huán)跟蹤PWM、空間矢量PWM,隨機(jī)PWM等。其中，以三角波和參考正弦波相比較產(chǎn)生的次諧波SPWM方案應(yīng)用最為普遍

41、。</p><p>　　到了80年代初，為了解決PWM技術(shù)提高開關(guān)頻率和降低開關(guān)器件功耗二者之間的矛盾，提出了諧振型開關(guān)電路。通過諧振、準(zhǔn)諧振和多諧振技術(shù)，大大降低了開關(guān)損耗和噪聲。但諧振型開關(guān)電路開關(guān)器件所承受的電壓和電流為相應(yīng)的PWM電路的2-3倍，而且主電路電壓和電流均為正弦，使環(huán)路損耗大幅度提高。近些年提出的軟開關(guān)PWM型電路則結(jié)合了傳統(tǒng)的PWM型和諧振型二者的優(yōu)點(diǎn)，它通過某種諧振技術(shù)來軟化開關(guān)的動作過程

42、，當(dāng)開關(guān)動作完成以后又回到PWM工作方式。所以它能夠在不提高開關(guān)耐壓量的基礎(chǔ)上大大降低開關(guān)損耗。</p><p><b>　　2.2 PWM概述</b></p><p>　　隨著電壓型逆變器在高性能電力電子裝置，如交流傳動、不間斷電源和有源濾波器中的應(yīng)用越來越廣泛，PWM<Pulse Width Modulation)控制技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注。所謂PWM技術(shù)

43、就是用功率器件的開通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖系列，以實(shí)現(xiàn)變壓變頻及控制和消除諧波為目標(biāo)的一門技術(shù)，也就是利用信號波對三角載波進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度的一種方法，當(dāng)然不同信號調(diào)制后生成的PWM脈寬對變頻效果，比如輸出基波電壓幅值、基波轉(zhuǎn)矩、脈動轉(zhuǎn)矩、諧波電流損耗、功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)損耗等的影響差異很大。</p><p>　　PWM技術(shù)最初應(yīng)用于直流變換電路，后來將這種方式與頻率控制相結(jié)合，

44、產(chǎn)生了應(yīng)用于逆變電路的PWM控制技術(shù):用改變調(diào)制信號頻率實(shí)現(xiàn)輸出電壓基波頻率的調(diào)節(jié)；用改變調(diào)制信號幅值實(shí)現(xiàn)輸出電壓基波幅值的調(diào)節(jié)。具體來說，就是用一種參考波為“調(diào)制波”，而以N倍于調(diào)制波頻率的正三角波為“載波”。由于正三角波或鋸齒波的上下寬度是線性變化的波形，因此它與調(diào)制波相交時(shí)，就可以得到一組幅值相等，而寬度正比于調(diào)制波函數(shù)值的矩形脈沖序列用來等效調(diào)制波，用開關(guān)量取代模擬量，并通過對逆變器開關(guān)管的通斷控制，把直流電變成交流電。<

45、/p><p>　　隨著逆變器在交流傳動、UPS電源和有源濾波器中的廣泛應(yīng)用，以及高速全控開關(guān)器件的大量出現(xiàn)，PWM技術(shù)己成為逆變技術(shù)的核心，因而受到了人們的高度重視。尤其是最近幾年，微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)和實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制以后，更是花樣翻新，到目前為止仍有新的PWM控制方式在不斷出現(xiàn)。</p><p>　　與方波逆變電路相比較，PWM逆變電路具有以下優(yōu)點(diǎn):</p><p&g

46、t;　?。?）兼具壓控和頻控功能:方波逆變電路的輸出電壓幅值調(diào)節(jié)必須借助于直流電壓或橋間相控方式，逆變電路自身無調(diào)壓功能。由于PWM逆變電路可通過改變調(diào)制信號幅值實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)，這樣既可簡化直流環(huán)節(jié)，又可提高控制反應(yīng)速度。</p><p>　　（2）減低輸出電壓的諧波含量:減低輸出電壓的諧波含量以簡化輸出濾波環(huán)節(jié)，提高電路的功率密度和反應(yīng)速度，一直為各種變換電路所祈望。與方波逆變電路相比，PWM逆變電路輸出電壓

47、諧波含量降低，而且載波頻率越高，諧波含量便越低。在SCR電路時(shí)期，PWM技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)并沒有得到充分發(fā)揮，這是由于提高載波頻率就意味著提高SCR的開關(guān)頻率，但是由于關(guān)斷時(shí)間的限制，在硬件開關(guān)環(huán)境中，SCR的頻率僅為1kHz左右;而與此相反，IGBT在相同開關(guān)環(huán)境下，其開關(guān)頻率可達(dá)20kHz，這就為發(fā)揮PWM優(yōu)點(diǎn)創(chuàng)造了遠(yuǎn)優(yōu)于SCR和GTR的客觀條件。事實(shí)證明，IGBTPWM逆變電路輸出電壓的諧波含量遠(yuǎn)低于SCR和GTRPWM逆變電路，這就

48、使得PWM控制方式成為當(dāng)今逆變電路的主要控制方式。</p><p>　　目前已經(jīng)提出并得到應(yīng)用的PWM控制技術(shù)就不下十種。關(guān)于PWM控制技術(shù)的文章在很多電力電子國際會議上，如PESC、工ECON, EPE年會上己經(jīng)形成專題。尤其是微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)之后，PWM技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，從追求電壓的正弦波到電流的正弦波，再到磁通的正弦波;從效率最優(yōu)到轉(zhuǎn)矩脈動最小，再到噪音最小等，PWM控制技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新

49、和不斷完善的過程。PWM控制技術(shù)可分為三大類，即正弦PWM(包括以電壓，電流和磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM控制技術(shù))，最優(yōu)PWM及隨機(jī)PWM。從實(shí)現(xiàn)方法上大致有模擬式和數(shù)字式兩種，而數(shù)字式中又包括硬件、軟件和查表等幾種實(shí)現(xiàn)方法。從控制特性來看主要可以分為兩種:開環(huán)式(電壓或磁通控制型)和閉環(huán)式(電流或磁通控制型)。當(dāng)然還有其他分類方法，這里就不再逐一敘述。</p><p>　　PWM(Pulse Width Mo

50、dulation)脈寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號波對三角載波進(jìn)行調(diào)制。</p><p>　　這里相當(dāng)于基波分量的信號波并不一定是指正弦波，在PWM調(diào)制中也可以是其他類型的信號波，三角載波也只是為了形象說明調(diào)制原理而借用或用模擬電路產(chǎn)生PWM脈沖時(shí)必須采用的波形，在用數(shù)字化技術(shù)產(chǎn)生PWM脈沖時(shí)，三角載波實(shí)際上是不存在的，完全由軟件的定時(shí)器代替了，這樣既可減少硬件投資又能提高系統(tǒng)可靠性。目前的PWM的實(shí)現(xiàn)方式主要

51、有正弦PWM (SPWM)、準(zhǔn)最優(yōu)PWM、開關(guān)損耗最小PWM、電壓空間矢量SVPWM ( Space Vector PWM)、選擇諧波消去法SHE的SPWM等。</p><p>　　2.3 PWM基本原理</p><p>　　2.3.1 面積等效原理</p><p>　　PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最為廣泛，對逆變電路的影響最為深刻。</p><

52、;p>　　采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。</p><p>　　2.3.2 同步調(diào)制與異步調(diào)制&

53、lt;/p><p>　　PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用十分廣泛，目前小功率的逆變</p><p>　　電路幾乎都采用了PWM技術(shù)。目前實(shí)際應(yīng)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。</p><p>　　計(jì)算法：根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。本法較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或

54、相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化；</p><p>　　調(diào)制法：把希望輸出的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望的pwm波形。通常采用等腰三角波或者鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。因?yàn)榈妊遣ㄉ先魏我稽c(diǎn)的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個(gè)波形相交時(shí)，如果在交點(diǎn)時(shí)刻對電路中的開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以得到寬度正比于信號幅值的脈沖，這正好符合PWM的控制要求。&

55、lt;/p><p>　　調(diào)制法有異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種基本方式。</p><p>　　首先說明載波比的概念。</p><p>　　載波比：載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比。</p><p>　　異步調(diào)制：載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式</p><p>　　1通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的；<

56、;/p><p>　　2在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱；</p><p>　　3當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較??；</p><p>　　4當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大</p><p

57、>　　同步調(diào)制：載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時(shí)使載波與信號波保持同步，即N等于常數(shù)。</p><p>　　1 基本同步調(diào)制方式，fr變化時(shí)N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。</p><p>　　2 三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱。</p><p>　　為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)。</

58、p><p>　　3 fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。</p><p>　　4 fr很高時(shí)，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。</p><p>　　2.3.3 自然采樣法與規(guī)則采樣法</p><p>　　按照SPWM控制的基本原理，在正弦波與三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，這種生成PWM波形的方法稱為自然采樣法.自然采樣

59、法是最基本的方法，所得到的SPWM波形很接近正弦波。但是這種方法要求解復(fù)雜的超越方程，在采用微機(jī)控制技術(shù)時(shí)需花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，因而在工程上實(shí)際應(yīng)用不多。</p><p>　　規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程使用方法，其效果接近自然采樣法，但計(jì)算量去比自然采樣法小得多。2.1圖為規(guī)則采樣法。</p><p>　　圖2.1 規(guī)則采樣法</p><p

60、>　　2.4 三相SPWM</p><p>　　正弦PWM (SPWM)是逆變器基本的PWM調(diào)制方式，它的缺點(diǎn)是，即輸出電壓不夠高，最大線性輸出電壓幅值僅為輸入電壓的/2倍，在同等的開關(guān)頻率下，它的開關(guān)損耗較大。</p><p>　　SPWM就是在PWM的基礎(chǔ)上，使得輸出電壓脈沖在一個(gè)特定的時(shí)間間隔內(nèi)的能量等效于正弦波所包含的能量。SPWM逆變器的實(shí)際應(yīng)用有兩種，一種是載波為全波三角

61、形的二階SPWM逆變器，另一種是載波為半波三角形的三階SPWM逆變器。前者往往作為三相逆變器的一相使用，而后者則往往為單相使用。</p><p>　　對于三相SPWM而言，為了保證三相輸出電壓的對稱性，載波比N應(yīng)取3的奇整數(shù)倍數(shù)。這樣不僅可以保證三相SPWM波形相同，同時(shí)載波及載波上下邊頻中的零序諧波也容易消掉。當(dāng)載波為共用的三角波，調(diào)制波為三相正弦波時(shí)，三相逆變器各相輸出電壓的二階SPWM波形及線電壓的三階SP

62、WM波形如圖2.3所示。由于三相逆變器三個(gè)橋臂用的是共同的直流電源E，每一個(gè)單相半橋逆變器的直流電源就是E/2.</p><p>　　對于載波比N應(yīng)取3的奇數(shù)倍中為什么要取奇數(shù)倍，可以先看一看三相中的一相調(diào)制波與載波的交截情況。如圖2.2所示，在調(diào)制波大于三角波的部分輸出正脈沖，在調(diào)制波小于三角波的部分輸出負(fù)脈沖，完整的SPWM波形就是負(fù)載上的波形如圖2.3示，它有+E/2和一E/2兩個(gè)電平，故稱為二階。其開關(guān)頻

63、率與載波頻率相同。</p><p>　　本文PWM波生成的方法是軟件生成法，利用集成芯片PIC18F2431產(chǎn)生，產(chǎn)生原理見硬件設(shè)計(jì)部分論證。下圖為帶電機(jī)負(fù)載的三相橋式PWM型逆變電路</p><p>　　圖2.2帶電機(jī)負(fù)載的三相橋式PWM型逆變電路</p><p>　　圖2.3 三相SPWM波形</p><p>　　第3章 逆變電源硬件電路

64、設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1 電路原理圖</b></p><p>　　下圖為整個(gè)逆變電源系統(tǒng)原理框圖：</p><p>　　圖3.1 逆變電路原理框圖</p><p><b>　　各部分功能說明：</b></p><p>　　a)芯片PIC18F2431用于產(chǎn)生最

65、初的pwm波，其輸出的波形經(jīng)驅(qū)動電路后分別作為逆變電路開關(guān)器件的控制信號。</p><p>　　b)驅(qū)動電路對芯片生成的三路PWM波進(jìn)行放大并且使之符合逆變電路所需要的控制信號的形式。</p><p>　　c)MOSFET IRF640作為逆變電路開關(guān)器件，其通斷由柵極驅(qū)動信號控制，將48v的直流電源逆變?yōu)轵?qū)動感應(yīng)電機(jī)的三相交流電。調(diào)節(jié)控制信號可以控制逆變器輸出電壓的幅值和頻率。</

66、p><p>　　d)LM7815和LM7805用于提供穩(wěn)定的直流電壓。LM358及相關(guān)電路用于過電流保護(hù)。過電流計(jì)算見后文。</p><p>　　3.2 PIC18F2431簡介</p><p>　　PIC18F2431是由美國Microchip公司推出的PIC18F2x31單片機(jī)系列產(chǎn)品之一.該系列產(chǎn)品的特點(diǎn)是：首先采用了RISC結(jié)構(gòu)的嵌入式微控制器，其高速度、低電壓

67、、低功耗、大電流LCD驅(qū)動能力和低價(jià)位OTP技術(shù)等都體現(xiàn)出單片機(jī)產(chǎn)業(yè)的新趨勢?，F(xiàn)在PIC系列單片機(jī)在世界單片機(jī)市場的份額排名中已逐年升位，尤其在8位單片機(jī)市場，據(jù)稱已從1990年的第20位上升到目前的第二位。PIC單片機(jī)從覆蓋市場出發(fā)，已有三種(又稱三層次)系列多種型號的產(chǎn)品問世，所以在全球都可以看到PIC單片機(jī)從電腦的外設(shè)、家電控制、電訊通信、智能儀器、汽車電子到金融電子各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)今的PIC單片機(jī)已經(jīng)是世界上最有影響力的嵌

68、入式微控制器之一。</p><p>　　圖3.2是PIC18F2431的管腳圖：</p><p>　　圖3.2 PIC18F2431管腳圖</p><p>　　該系列單片機(jī)的主要特點(diǎn)：</p><p>　　14位電力控制PWM模塊</p><p>　　a．高達(dá)3通道的互補(bǔ)輸出</p><p>

69、　　b．邊沿或中心安裝的控制操作</p><p>　　c．復(fù)雜的死區(qū)發(fā)生器</p><p>　　d．硬件故障檢測輸入</p><p>　　e．占空比和周期同時(shí)更新</p><p><b>　　動態(tài)反饋模塊</b></p><p>　　a．三路獨(dú)立捕捉通道</p><p>　

70、　1.周期和脈寬測量的復(fù)雜的操作模式</p><p>　　2特殊的探測器接口模塊</p><p>　　3.特殊事件觸發(fā)器輸出到其他模塊</p><p><b>　　b．函數(shù)編碼接口</b></p><p>　　1. 2相輸入和接自編碼器的一相檢索輸入</p><p>　　2. 帶有方向狀態(tài)和方向中

71、斷改變的高低位置追蹤</p><p><b>　　3. 速度測量</b></p><p>　　高速，200Ksps的10位A/D轉(zhuǎn)換器</p><p><b>　　a．達(dá)9通道</b></p><p>　　b．可以同時(shí)兩通道采樣</p><p><b>　　c．順序

72、采樣</b></p><p><b>　　d．自動轉(zhuǎn)換</b></p><p>　　e．可選擇外部轉(zhuǎn)換觸發(fā)器</p><p><b>　　f．可編程獲得時(shí)間</b></p><p>　　g．帶有可選擇中斷頻率的4字的FIFO</p><p><b>　　

73、復(fù)雜的振蕩器結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　a．4個(gè)晶體模式可達(dá)40MHz</p><p>　　b．兩個(gè)外部時(shí)鐘模式可達(dá)40MHz</p><p><b>　　c．內(nèi)部振蕩器</b></p><p><b>　　電力控制模式</b></p><p>　　a．運(yùn)行

74、 CPU工作，外部電路工作</p><p>　　b．空閑 CPU關(guān)斷，外部電路工作</p><p>　　c．休眠 CPU關(guān)斷，外部電路關(guān)斷</p><p><b>　　外圍功能模塊特性</b></p><p><b>　　a．3個(gè)外部中斷</b></p><p&

75、gt;　　b．2路捕捉/比較/脈寬調(diào)制(PWM)(CCP)模塊</p><p>　　1. 捕捉輸入：16位，最大分辨率6.25ns</p><p>　　2. 比較單元：16位，最大分辨率為100ns</p><p>　　3. 脈寬調(diào)制（PWM）輸出：分辨率為1~10位</p><p><b>　　3.3 驅(qū)動電路</b>

76、</p><p>　　3.3.1 IR2103S簡介</p><p>　　IR2103S是國際整流器公司開發(fā)的半橋型驅(qū)動器件，其外觀如圖3.3：</p><p>　　圖3.3 IR2103S封裝樣式</p><p><b>　　主要參數(shù)如下：</b></p><p>　　最大偏移電壓：600V&l

77、t;/p><p>　　輸出電壓：10-20V</p><p>　　典型開通/關(guān)斷時(shí)間：680ns/150ns</p><p>　　典型死區(qū)時(shí)間：520ns</p><p>　　圖3.4為IR2103S的引腳圖：</p><p>　　圖3.4 IR2103S管腳圖</p><p>　　各引腳功能如表3

78、.1所示：</p><p>　　表3.1 IR2103S管腳功能說明</p><p>　　內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖3.5：</p><p>　　圖3.5 IR2103S的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　從輸出端可以看到，當(dāng)HO與VB之間導(dǎo)通時(shí)，HO輸出高電平，而與VS之間導(dǎo)通時(shí)，HO輸出低電平；同樣，LO與VCC之間導(dǎo)通時(shí)，LO輸出高電平，LO與COM

79、之間導(dǎo)通時(shí)，輸出低電平。</p><p>　　下圖為IR2103S的典型連接：</p><p>　　圖3.6 IR2103S的典型連接</p><p>　　可以看到，由于VB與VS之間電容的作用，使得VB比VS始終要高出VCC，而VB為VCC，故VS相當(dāng)于地。這就是上面為什么說HO與VS之間導(dǎo)通時(shí)HO輸出低電平的原因。</p><p>　　3

80、.3.2 驅(qū)動電路分析</p><p>　　由上面介紹可知：HIN和為pwm波形的輸入端口，而HO和LO為輸出端其輸入輸出波形對照如圖3.7：</p><p>　　圖3.7 IR2103S輸入輸出時(shí)序圖</p><p>　　我們看一下輸入輸出的真值對照情況：</p><p>　　表3.2 IR2103S輸入輸出真值對照表</p>

81、<p>　　可以看出：為反相輸入。</p><p>　　二輸入同為高電平時(shí)，輸出端HO輸出波形，LO無輸出；當(dāng)二者同為低電平時(shí)，LO輸出，HO無輸出；</p><p>　　若二者不同，則HO,LO均不輸出。這樣有效的保證了同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)器件交替導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)縱向換流。三相以輪流導(dǎo)通。圖3.8為某一相的驅(qū)動電路圖：</p><p><b>　

82、　圖3.8 驅(qū)動電路</b></p><p>　　可以看到：由于采用了VDD=15V給半橋驅(qū)動IR2103S獨(dú)立供電，所以輸出的驅(qū)動信號幅值比單片機(jī)輸出的PWM波形要大得多，這也正好符合IRF640N的驅(qū)動需要。</p><p>　　3.3.3 死區(qū)時(shí)間分析</p><p>　　逆變器的上下橋臂直通，直流電壓源短路，這是PWM逆變器最可怕的故障，一般來說

83、都會對元器件產(chǎn)生永久性破壞。因此，必須采取一切措施絕避免這種直通故障的出現(xiàn)。防止上下橋臂直通措施的原理是:</p><p>　　1)電源的瞬變過程中，控制部分不能輸出導(dǎo)致上下橋臂直通的附加脈沖。</p><p>　　2)不管是什么原因，任何條件下都不應(yīng)該出現(xiàn)上下橋臂開關(guān)都同時(shí)有開通信號。</p><p>　　3)開關(guān)元件狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中，避免因開關(guān)時(shí)間而導(dǎo)致上、下橋

84、臂出現(xiàn)暫態(tài)的直通現(xiàn)象。</p><p>　　在前文討論P(yáng)WM逆變器原理時(shí)，我們一直認(rèn)為逆變器中的功率開關(guān)器件都處于理想開關(guān)的工作狀態(tài)，也就是說，它們的導(dǎo)通和關(guān)斷都隨其驅(qū)動信號同步地、無時(shí)滯的完成。但實(shí)際上功率開關(guān)器件都不是理想的開關(guān)，它們都存在導(dǎo)通時(shí)延和關(guān)斷時(shí)延。因此，為了保證逆變電路的安全工作，必須在同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)器件的通斷信號間設(shè)置一段死區(qū)時(shí)間toff(或稱時(shí)滯)。即在上(下)邊器件得到關(guān)斷信號后，要過

85、td時(shí)間才允許給下(上)邊器件送入導(dǎo)通信號;以防止其中一個(gè)器件尚未完全關(guān)斷，另一器件己被導(dǎo)通，而導(dǎo)致上、下兩器件同時(shí)導(dǎo)通、逆變器直流側(cè)被短路的事故。</p><p>　　死區(qū)時(shí)間的存在使得SPWM變壓變頻器不能完全精確地復(fù)現(xiàn)SPWM控制信號的理想波形，必然產(chǎn)生更多的諧波，并影響電氣傳動系統(tǒng)的運(yùn)行性能。</p><p>　　本電源系統(tǒng)中，驅(qū)動電路輸出的上下橋臂柵極控制信號存在死區(qū)時(shí)間，如圖3

86、.9所示：</p><p>　　圖3.9 上下橋臂開關(guān)死區(qū)</p><p>　　可以計(jì)算出死區(qū)時(shí)間：</p><p><b>　　3.4 逆變電路</b></p><p>　　3.4.1 IRF640N簡介</p><p>　　圖3.10為IRF640系列器件的外觀：</p><

87、;p>　　圖3.10 IRF640系列封裝圖</p><p>　　IRF640N是國際整流器公司開發(fā)的電力場效應(yīng)晶體管。具有以下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）采用了先進(jìn)的處理技術(shù)；</p><p>　?。?）動態(tài)的dv/dt;</p><p>　　（3）工作溫度可達(dá)175攝氏度；</p><p><b&

88、gt;　?。?）開關(guān)迅速；</b></p><p><b>　?。?）驅(qū)動要求簡單</b></p><p>　　圖3.11為IRF640的電氣圖形符號：</p><p>　　圖3.11 IRF640N的電氣符號圖形</p><p>　　主要參數(shù)：D，S間電壓可達(dá)到200V，漏極電流可達(dá)18A，開通時(shí)D,S間電

89、阻很小，僅0.15歐。</p><p>　　3.4.2 IRF640N工作特性</p><p>　　IRF640N是一種N溝道絕緣柵型電力場效應(yīng)晶體管。它是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的第一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。其第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開關(guān)速度快，工作頻率高。另外，電力MOSFET熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但是其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝

90、置。本電路系統(tǒng)功率較低，完全可以采用MOSFET IRF640N作為開關(guān)器件。</p><p>　　圖3.12為N溝道MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)：</p><p>　　圖3.12 N溝道MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　這種類型MOSFET工作原理如下：</p><p>　　當(dāng)漏極接電源正端，源極接電源負(fù)端，柵極和源極間電壓為零時(shí)，P基區(qū)

91、與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流通過。如果在柵極和源極之間加一正電壓,由于柵極是絕緣的，所以并不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓卻會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子――電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當(dāng)大于某一電壓值時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導(dǎo)體反型而成N型半導(dǎo)體，形成反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。電壓稱為開啟電壓或閾值電壓，超過UT越多，導(dǎo)電能力

92、越強(qiáng)，漏極電流越大。</p><p><b>　　3.5 保護(hù)電路</b></p><p>　　電流保護(hù)部分電路如圖3.13：</p><p>　　圖3.13 過流保護(hù)電路</p><p>　　LM358是保護(hù)電路用到的重要元件。圖3.14是LM358內(nèi)部簡圖：</p><p>　　圖3.14 L

93、M358內(nèi)部框圖</p><p>　　可以看到，其內(nèi)部相當(dāng)于有兩個(gè)比較器，本電路實(shí)際主要用到比較器B，即5，6，7三個(gè)引腳。5，6兩引腳各接上外部電路某處的電平，比較后結(jié)果由管腳7輸出。</p><p>　　過電流保護(hù)的計(jì)算如下：</p><p>　　A,E兩點(diǎn)等電勢，均接地。</p><p><b>　　，則容易求出:</b

94、></p><p><b>　　由，分壓得到：</b></p><p>　　管腳5的電壓也就是D點(diǎn)的電壓。</p><p>　　管腳5與管腳6的電壓大小關(guān)系決定了7端的輸出，為臨界條件。故不妨設(shè)：</p><p>　　則流過兩端的電流大小為：</p><p><b>　　方向上端向

95、下端。</b></p><p>　　LM358的端口6可以看作虛斷（即看作無電流流出或者流入），那么，B,C兩點(diǎn)間的電流大小等于，從而兩端壓降為：</p><p><b>　　則：</b></p><p>　　從而，流過的電流為：</p><p>　　即為主電路電流臨界值，反推可知，當(dāng)主電路電流大于該值時(shí)，,

96、從而7端輸出一個(gè)地電平信號，送到PIC18F2431的12端，進(jìn)行過電流保護(hù)的控制。</p><p><b>　　3.6 電源電路</b></p><p>　　L7805和L7815作用是給分別系統(tǒng)提供5V和15V的直流電壓，它們均屬于L7800AB/AC系列。其基本封裝形式如3.15圖：</p><p>　　圖3.15 L7800AB/AC系

97、列的幾種封裝樣式</p><p>　　L7800AB/AC系列的典型連接如圖3.16：</p><p>　　圖3.16 7800AB/AC系列的典型連接</p><p>　　電源電路部分如圖3.17：其中，L7805給單片機(jī)PIC18F2431供電;而L7815給半橋驅(qū)動IR2103S供電。</p><p>　　圖3.17 電源部分<

98、/p><p>　　3.7 逆變電源工作過程</p><p>　　逆變電路工作過程如下：</p><p>　?。?）當(dāng)電源系統(tǒng)上電時(shí)，輔助電源開始工作，7805和7815提供5V，15V直流電壓；</p><p>　?。?）5V電壓給單片機(jī)PIB18F2431供電，15V給半橋驅(qū)動IR2103S供電；</p><p>　?。?/p>

99、3）單片機(jī)（已下載好程序的）開始工作，輸出六路PWM波；</p><p>　?。?）六路PWM波分別經(jīng)三個(gè)半橋驅(qū)動IR2103S輸出后，成為三相逆變?nèi)珮蜷_關(guān)器件的控制信號；</p><p>　?。?）逆變電路工作，將48V直流電壓逆變?yōu)榻涣麟娸敵觯?lt;/p><p>　?。?）過電流保護(hù)電路同時(shí)工作，當(dāng)主電路電流超過2.219A（前文計(jì)算知），LM358的7號管腳輸出

100、信號到PIC18F2431的12號管腳，單片及停止輸出PWM波，整個(gè)電路中斷運(yùn)行。</p><p>　　第4章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析</p><p>　　4.1 單片機(jī)輸出的PWM波形及分析</p><p>　　如下圖，PIC18F2431的21-22引腳產(chǎn)生的PWM波形</p><p>　　圖4.1 上下橋臂pwm控制信號</p>

101、<p>　　這是同一相的原始控制信號，可以看到他們幅值為5V，因?yàn)閱纹瑱C(jī)采用5V直流電壓供電。相位也相同，所以真正加到上下橋臂之前必須使它們相位互補(bǔ)，這樣才能使同一相上下橋臂輪流導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)縱向換流而不至于使48V直流電壓源短路。</p><p>　　4.2 逆變電路開關(guān)器件柵極控制信號及分析</p><p>　　如下圖，同一相上下橋臂的驅(qū)動信號：</p><p

102、>　　圖4.2 同一相上下橋臂的驅(qū)動信號</p><p>　　圖4.2是PWM波經(jīng)過了半橋驅(qū)動IR2103S后輸出的柵極驅(qū)動信號。由圖可以看到，該信號與圖4.1中的信號相比，有兩大變化：一是幅值由5V變?yōu)?5V，這是由于IR2103S采用獨(dú)立的VDD=15V供電的原因；二是相位有同相變?yōu)榛パa(bǔ)，這樣就使上下橋臂輪流導(dǎo)通。這種相位變化由IR2103S的特點(diǎn)決定?？梢詮膱D3.4看出。 圖4.3也是該信號描述<

103、;/p><p>　　圖4.3 上下橋臂mosfet驅(qū)動信號</p><p>　　另外還測取了不同相同一橋臂的驅(qū)動信號波形，如圖4.4</p><p>　　圖4.4 a相 b相上橋臂驅(qū)動信號</p><p>　　兩相同是上橋臂，其波形形狀相同，相位相差120度。</p><p>　　4.3 帶電動機(jī)負(fù)載后電壓、電流波形<

104、;/p><p>　　圖4.5 三相異步電機(jī)星形接法a-b線電壓</p><p>　　圖4.6 三相異步電機(jī)星形接法b相電壓</p><p>　　圖4.7 n=9三角形線接法線電流波形</p><p><b>　　第5章 諧波分析</b></p><p>　　5.1 諧波產(chǎn)生原因</p>

105、<p>　　PWM逆變器雖然以輸出波形接近正弦為目的，但其輸出電壓仍然存在著諧波分量。產(chǎn)生諧波的原因:</p><p>　　1）在工程應(yīng)用中對SPWM波形的生成往往采用規(guī)則采樣法或?qū)Ｓ眉呻娐菲骷?，并不能保證脈寬調(diào)制序列波的面積與各段正弦波面積完全相等;</p><p>　　2)在實(shí)現(xiàn)控制時(shí)，為了防止逆變橋同一橋臂上、下兩器件的同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致直流側(cè)短路，而當(dāng)同一橋臂內(nèi)上、下兩

106、器件作互補(bǔ)工作時(shí)，設(shè)置了一個(gè)導(dǎo)通時(shí)滯環(huán)節(jié)，即死區(qū)時(shí)間。死區(qū)的出現(xiàn)不可避免地造成逆變器輸出的SPWM波形有所失真。</p><p>　　5.2 諧波補(bǔ)償技術(shù)</p><p>　　5.2.1 一種特定諧波消去法（Selected Harmonic Elimination PWM—SHEPWM）</p><p>　　如圖5.1是三相橋式PWM逆變電路中的輸出波形：<

107、/p><p>　　圖5.1特定諧波消去法的輸出PWM波形</p><p><b>　　該方法的特點(diǎn)是：</b></p><p>　　(1) 這是計(jì)算法中一種較有代表性的方法。</p><p>　　(2)輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各3次（不包括0和π），共6個(gè)開關(guān)時(shí)刻可控。</p><p>　　(3)

108、 為減少諧波并簡化控制，要盡量使波形對稱。</p><p>　　首先，為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半周期鏡對稱，即</p><p>　　其次，為消除諧波中余弦項(xiàng)，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以π/2為軸線對稱.即</p><p>　　同時(shí)滿足上兩式的稱為四分之一周期對稱波形。這種波形可以用傅立葉級數(shù)表示為：</p><p><b&

109、gt;　　式中為：</b></p><p>　　因?yàn)閳D5.1的波形是四分之一周期對稱的，所以在一個(gè)周期內(nèi)的12個(gè)開關(guān)時(shí)刻（不包括0和的時(shí)刻）中，能夠獨(dú)立控制的只有,,三個(gè)時(shí)刻。該波形的為：</p><p>　　式中，n=1,3,5,……上式中含有,,三個(gè)可以控制的變量，根據(jù)需要確定基波分量的值，再令兩個(gè)不同的=0,就可以建立三個(gè)方程，聯(lián)立可以求得,,。這樣，即可以消去兩種特定頻

110、率的諧波。通常在三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的三次諧波互相抵消，因此通?？梢钥紤]消去5次和7次諧波。這樣，可得如下聯(lián)立方程：</p><p>　　對于給定的基波幅值，求解上述方程可以得到一組,,。</p><p>　　上面是在輸出電壓的半周期內(nèi)器件導(dǎo)通和關(guān)斷各三次的情況。一般來說，如果在輸出電壓半個(gè)周期內(nèi)開關(guān)器件開通和關(guān)斷各k次，考慮到PWM波四分之一周對稱，共有k個(gè)開關(guān)時(shí)刻可以控制

111、。除去用一個(gè)自由度來控制的基波幅值外，可以消去k-1個(gè)頻率的特定諧波。當(dāng)然，k越大，開關(guān)時(shí)刻的計(jì)算也越復(fù)雜。</p><p>　　5.2.2 諧波補(bǔ)償技術(shù)</p><p>　　諧波補(bǔ)償技術(shù)主要分為無源補(bǔ)償技術(shù)和有源補(bǔ)償技術(shù)兩大類。其中無源補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用的歷史最長，使用的范圍最廣泛，實(shí)際的補(bǔ)償裝置運(yùn)行最多，是目前解決諧波問題的主要手段。而有源濾波技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用還存在許多問題，它是諧波補(bǔ)償技術(shù)的

112、一個(gè)重要的發(fā)展方向。無源濾波裝置是指傳統(tǒng)的LC調(diào)諧濾波器。它由與負(fù)載并聯(lián)的單個(gè)或多個(gè)LC諧振支路組成，這種方法既可以補(bǔ)償諧波污染，又可以補(bǔ)償無功功率。而且具有結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，操作方便，可靠性高，維護(hù)便捷等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)踐過程中解決諧波問題的有力手段。但是，LC無源補(bǔ)償裝置僅對特定的負(fù)載進(jìn)行有效的無功電流和諧波電流補(bǔ)償，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，會發(fā)生欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償，使補(bǔ)償效果卜降;補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗影響較大;更為嚴(yán)重的是在特定頻率卜，電網(wǎng)阻抗和LC

113、無源濾波器之間可能發(fā)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振，使諧振頻率的諧波放大。另外，LC無源補(bǔ)償裝置是由大容量的電抗器和電容器組成，</p><p>　　整機(jī)體積龐大也是其主要缺點(diǎn)之一。隨著電力電子技術(shù)和功率集成電路技術(shù)以及相關(guān)的諧波理論的發(fā)展，</p><p>　　七十年代提出了應(yīng)用電力電子裝置進(jìn)行諧波和無功補(bǔ)償?shù)姆椒?，這就是有源電力濾波器(Active Power Filter,縮寫成APF)概念的誕生

114、與LC無源濾波器相比，有源電力濾波器具有明顯的優(yōu)越性，能對變化的各次諧波和無功同時(shí)進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和頻率變化的影響較小，控制電路容易實(shí)施限流保護(hù)以提高系統(tǒng)的安全性，因而受到了極大的關(guān)注。</p><p><b>　　第6章 全文小結(jié)</b></p><p>　　本文設(shè)計(jì)了一套給三相異步電動機(jī)供電的逆變電源硬件系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其性能特點(diǎn)。通過該課題

115、的學(xué)習(xí)，基本掌握了電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)方法。理解了逆變電路的工作原理，熟悉了所選用元件的一些性能。繪制了電路原理圖及印刷電路板圖。與上位機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試，測出了控制信號，輸出電壓，電機(jī)電流波形并進(jìn)行了分析。</p><p>　　通過實(shí)踐檢驗(yàn)，該逆變電源能有效驅(qū)動低壓三相異步電機(jī)，性能穩(wěn)定，可靠性高。同時(shí)成本較低，有好的實(shí)用價(jià)值。</p><p>　　另外，本系統(tǒng)在輸出電壓幅值，波形的質(zhì)量上均可待進(jìn)