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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。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。這種類型的變頻器首先從交流源產(chǎn)生一個(gè)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(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％
采樣經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)送給控制系統(tǒng)。控制系統(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
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