0    引言

    近年來，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)電源來調(diào)整電機(jī)的參數(shù)，使其與變頻器匹配。

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)V_pwm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(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V_pwm，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V_rms，而電機(jī)響應(yīng)的實(shí)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(dāng)V_pwm=144V時(shí)，V_rms=192V，誤差率為（192－144）/144=33.3％

圖1    測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

圖2    SPWM波形與基波

    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=ω_c/ω_s取3的奇整倍數(shù)時(shí)，線電壓u_ab的傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)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(duì)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。

    同樣可推導(dǎo)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(shí)為偶數(shù)或同時(shí)為奇數(shù)時(shí)的那些項(xiàng)。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(hào)中存在高頻成分時(shí)諧波和基波相迭加的情景。諧波的次數(shù)越高對(duì)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(cè)量系統(tǒng)，取輸出信號(hào)的基頻和測(cè)量基頻的整數(shù)個(gè)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(jì)算基頻波的均方根值（有效值），最終顯示出電機(jī)實(shí)際響應(yīng)的V_pwm值。

2    穩(wěn)壓穩(wěn)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

    在穩(wěn)頻穩(wěn)壓SPWM電源設(shè)計(jì)前必須明確系統(tǒng)要求的技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)這些指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，從而明確各單元電路應(yīng)達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)。合理地分給各個(gè)單元，然后進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。正確的參數(shù)被送給數(shù)字電路進(jìn)行程序設(shè)計(jì)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

2.1    靜態(tài)設(shè)計(jì)

    由圖5可推導(dǎo)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(biāo)，可確定各單元電路的技術(shù)指標(biāo)。

2.2    動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

    由于各單元電路均可能存在延時(shí)，它們將影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，并可能引起系統(tǒng)振蕩。設(shè)總延時(shí)為T_s，功放是閉環(huán)系統(tǒng)中延時(shí)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(dòng)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2.3    保護(hù)設(shè)計(jì)

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

3    結(jié)語(yǔ)

    根據(jù)上述介紹，試制了一臺(tái)額定輸出功率為10kW的樣機(jī)在揚(yáng)州某電子廠試用，采用此原理測(cè)量的VPWM與美國(guó)FLUKE萬(wàn)用示波表進(jìn)行比較，電壓偏差僅為0.2％，負(fù)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(shí)用性，不僅為PWM式逆變器與電機(jī)的匹配起到了橋梁作用，還為它們提供了調(diào)校的標(biāo)準(zhǔn)源。