三相正弦脉宽调制式变频器的设计

该设计是武汉市晨光计划――高性能全数字交流调速系统的研究与应用的一个子课题。三相正弦脉宽调制式变频器的设计陈亮明，周荣政（华中理工大学汉口分校自动控制工程系，湖北武汉430012）器具有节能、安全、快速、体积小、精度高等特点。本系统采用IGBT构成变频器，并采用三相正弦脉宽调制方式控制。介绍了三相正弦脉宽调制式变频器的基本结构，以及变频器主电路、并联缓冲器和驱动电路的设计。结果表明，该系统调试方便，性能优良。自1982年制造出IGBT初样，1985年开始生产工业品以来，90年代进口的许多变频器大多采用了它。本系统采用IGBT构成变频器的主电路，拖动三相交流电动机，并采用三相正弦脉宽调制技术对交流电机采用变频无级调速，能量回馈制动，控制系统采用矢量变换控制。1变频器的基本结构变频器结构框图如图1所示，其控制系统采用单片机，实现矢量变换控制。SPWM信号产生电路，由EPROM产生正弦信号，并由硬件构成三角波信号发生电路，从而产生SPWM信号。该电路既可产生数字信号，也可通过A/D转换成模拟信号，单独构成SPWM信号。系统的控制和检测信号的处理由单片机完成，从而提高单片机的处理效率。驱动电路采用专用驱动芯电及延时和分配电路。EX840具有隔离、过流保护功能。保护电路主要是针对系统中电动机、功率电子器件而设置的，在过压、欠压、过流、过载、过热及超速等工况下，能保护系统安全使其可靠运行。主电路由整流、滤波、分流器、逆变器等构成，其中逆变电路中采用了并联缓冲器，缓冲器吸收反馈能量和IGBT关断过程中的能量。2主电路的设计2.1主电路原理图三相交流经整流桥整流成直流，通过串联电容和C滤波，经三相桥式电路（VT），向三相交流电机提供调制的交流信号（配合控制电路）。IGBT，VT构成分流电路，以泄放滤波电容上过多的能量，从而避免电容上产生过高的泵升电压，如图2所示。2.2整流桥的选择整流桥输出平均电流I为负载的额定电流Z为整流桥输出效率，一般取Z=0.85K为安全裕量，一般为K=2～5.整流桥的耐压一般取的额定电压，如二单元流桥耐压U2.3并联缓冲器的设计由于工作频率较高，开关频率高会增大开关损耗，并在IGBT的集电极产生浪涌电压，造成器件过热，甚至损坏。但若改变并联缓冲器的工作点，将IGBT的工作点限制在安全区内，限制IGBT过电压、过电流，则可降低其开关损耗。长江科学院院报并联缓冲器的使用一般有三种形式，一是与器件并联，二是与个桥臂并联，另外是逆变器并联，如尖峰电压能力强（从实验结果看也是如此），在限流电阻R上的功耗较大（b）中缓冲器吸收效果较好，且R功率较小（c）中缓冲器的吸收效果较差。考虑到缓冲器的吸收效果、R的耗散功率以及反馈能量，选择图3（b）并联缓冲器较理想。图3（b）中并联缓冲器设计如下：式中：L为主电路分布电感I为IGBT关断时集电极电流U为吸收电容C上最终达到的电压为直流电源的电压值。式中f为IGBT的开关频率。如R过小，吸收回路出现电流振荡，IGBT导通时使集电极电流I尖峰值也增大，因此在满足公式的前提下，R取大为好，其功耗与阻值无关，关系式为的选择对吸收有明显影响，应选择快速恢复二极管。注意吸收回路的引线电感对吸收影响很大，应尽量缩短引线。3驱动电路的设计对IGBT的驱动电路，可以根据其驱动要求，由模拟器件构成，但它的可靠性较差。本设计选用富士公司的驱动模块，该模块输入端接有高隔离电压光电耦合器，使控制电路与驱动电路隔离（见大小对输出波形影响很大，过小会产生振荡，过大使IGBT开关时间延长。通过实验选用的过流保护输入端6，接集电极C，当I100A时，端点6处电压典型值为7.5V，过流保护而系统整定的过流电流为70A，因而设计时在端口6与C之间加一稳压管Z5，由于过流的动作临界值与对应I值并不是非线性关系，二者关系通过实验测得，如表1所示。由表1可知Z5的电压值取为5.1V.过流报警延时时间7μs，R并联后，延时时间可以缩短为3.4μs，大大加快响应时间。长江科学院院报Z5稳压值动作临界电压集电极电流4结语本次设计中，我们采用数字电路来实现所需功能，并且尽量采用功耗低，抗干扰能力强的CMOS，HCMOS器件，故该系统抗干扰能力强，适用于电磁干扰场合，同时也适合多种三相异步电机，且保护功能完善，通用行好，扩展性强，能方便地与单片机接口，构成结构简单的数字控制系统。其成本低、调试方便，运行情况良好。王离久。电力拖动自动控制系统[M].武汉：华中理工大学出版社，1991.[2]王离久，黄锦恩。晶体管直流脉宽调速系统[M].武汉：华中理工大学出版社，1988.[3]苏开才，毛宗源。现代功率电子技术[M].北京：国防工业出版社，1995.陈亮明等三相正弦脉宽调制式变频器的设计 我要打印 IE收藏 放入公文包