低成本逆變器正弦脈寬調(diào)制方法研究

1、低成本逆變器正弦脈寬調(diào)制方法研究Research of Sinusoidal Pulse Width Modulation on Low Cost Inverter摘要：本文采用一種低成本逆變器實現(xiàn)三相交流異步電機正弦脈寬調(diào)制，通過簡化傳統(tǒng)逆變電路結(jié)構(gòu)，控制產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，并在分析三相交流電機和兩相電機結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，闡述采用此逆變器實現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制的原理。實驗結(jié)果表明該方法是可行的。關(guān)鍵詞：變頻；正弦脈寬調(diào)制；逆變器Abstract：In this paper a kind of low cost inverter is adopted to realize three-phase

2、asynchronous motor's SPWM. By simplifying the circuit structure of traditional frequency inverter, the cost of product is controlled. And with analyzing three-phase motor and two-phase motor's working principle, explain the method of adopting this inverter circuit realizing SPWM. Results of

3、experiments show that this method is reliable.Keywords：frequency-conversion,SPWM,inverter1 前言現(xiàn)代市場競爭日益激烈，成本逐漸成為人們關(guān)注的焦點。特別是在家電行業(yè)，較低的成本意味著擁有更多的生存空間。三相交流異步電機具有低廉的價格和可靠的性能，廣泛應(yīng)用于各種變頻產(chǎn)品中，因此研究三相交流異步電機的變頻調(diào)速技術(shù)更具有實際意義。本文在分析傳統(tǒng)三相交流異步電機的正弦脈寬調(diào)制原理的基礎(chǔ)上，介紹了一種低成本逆變器，其結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)逆變器更為簡單，能夠有效的降低變頻產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，實驗結(jié)果表明該方法是可行的。2 系統(tǒng)構(gòu)成及

4、原理根據(jù)沖量相等形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時其效果相同的結(jié)論，控制逆變電路中功率開關(guān)器件的通斷狀態(tài)，在輸出端可以得到一組幅值相等寬度不等的脈沖，代替期望輸出的正弦波。傳統(tǒng)SPWM逆變電路原理圖如圖1所示，VT1-VT6為逆變器的六個功率開關(guān)器件。由SPWM調(diào)制原理可知，脈沖寬度和間隔時間等參數(shù)可以根據(jù)正弦波的頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)計算得出，根據(jù)計算結(jié)果控制VT1-VT6的通斷狀態(tài)，便可在輸出端得到與正弦波等效的脈沖序列。本文采用的逆變電路如圖2所示，將三相交流電機的其中一相連接到濾波電容的中點，這種電路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)三相交流電機SPWM逆變電路相比，控制逆變電路的元器件減少了約1

5、/3，能夠有效的控制逆變器的成本。本文開關(guān)器件選用IGBT，主要考慮到它的工作頻率高、開關(guān)損耗小、輸入阻抗高等特點。圖1 三相逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖2 四開關(guān)三相逆變器主電路結(jié)構(gòu)逆變電路在結(jié)構(gòu)上減少為四開關(guān)，SPWM實現(xiàn)方法相對于傳統(tǒng)逆變電路也有所不同。對于芯片控制的逆變電路，由于減少了對兩個開關(guān)的控制，將會相應(yīng)的減少對程序內(nèi)存的容量和計算工作量要求，減少軟件的運算時間，提高控制芯片的工作效率。由三相交流異步電動機的工作原理可知，空間結(jié)構(gòu)上相差120度的對稱三相定子繞組輸入對稱的三相正弦交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。通過改變?nèi)嘟涣鳟惒诫姍C的輸入電壓頻率控制交流電動機的轉(zhuǎn)速4。本文采用的逆變電路與控制兩相

6、交流電機的逆變電路結(jié)構(gòu)有些類似。兩相交流電機是繼單相、三相電機后出現(xiàn)的一種電機，由于成本和技術(shù)等原因，目前在國內(nèi)尚未得到廣泛應(yīng)用。兩相電機與三相電機在結(jié)構(gòu)上有一定的區(qū)別，但它們的驅(qū)動控制原理是相同的，即在任意時刻逆變器三相輸出電壓矢量和等于0，感應(yīng)電機定子繞組中的磁勢便可形成一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場，電機在該磁勢的牽引下旋轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的逆變器控制三相交流異步電機實現(xiàn)SPWM，在任意時刻三相定子繞組中的輸入電流相位差為1200電角度，電壓矢量和等于0，從而形成圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動三相交流電機。本文所采用逆變器控制輸出的兩相電壓幅值和頻率相同，相位差始終為600電角度，通過兩相/三相變換可以得到三相相位差12

7、00為電角度的等效相電壓，如圖3所示，即控制逆變電路中的兩相電壓，第三相也可控。圖3 電機相電壓與線電壓關(guān)系示意圖逆變器兩相輸出OA、OB電壓頻率和幅值相等，相位差始終為600電角度，線電壓CA、CB相位差也為600電角度，可表示為：為三相對稱電壓，其矢量和等于0，可形成一個旋轉(zhuǎn)的圓形磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動實現(xiàn)SPWM變頻控制。3 實驗分析采用低成本逆變器實現(xiàn)三相電機的正弦脈寬調(diào)制實驗結(jié)果如下。電機采用星型接法，額定電壓120伏，額定電流3.5安。圖4所示為帶載情況下，直流母線電壓存在波動，波動值約7伏左右。圖5所示為線電壓濾波輸出波形，圖6所示為受控相電流波形、圖7所示為合成相電流波形。實驗結(jié)果中

8、合成相的相電流波形比較理想。并對三相電動機產(chǎn)生的三次諧波有一定的抑制作用。從波形上看，其效果滿足實際要求，但是在實際電機運行過程中發(fā)現(xiàn)電機輸出轉(zhuǎn)矩不夠。后經(jīng)過實際測量發(fā)現(xiàn)市電在白天諧波含量過高，用萬用表測量雖然顯示220伏，但是實際的整流、濾波后直流母線電壓并不是理論中的311伏，而是遠遠低于該值，測量的結(jié)果是281伏。逆變出來的基波有效值不到100伏。在波形較好的UPS上運行，該逆變器效果良好，輸出轉(zhuǎn)矩達到預(yù)定要求。因此，當交流輸入電壓變化引起直流母線電壓變化時需要采用電壓補償。否則輸出電壓將隨著直流母線電壓的升高或降低成比例變化導致電機輸出轉(zhuǎn)矩變化，影響實際的控制效果。 圖4 直流母線上電

9、壓波形圖5 線電壓濾波輸出波形圖6 相電流波形(a)4 結(jié)論本文所采用的逆變器能夠有效地簡化系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，并且由于減少了一個控制量，提高系統(tǒng)的工作效率，能夠降低對控制芯片的要求。實驗結(jié)果表明，控制三相交流電機的效果良好，并能夠有效地抑制電動機產(chǎn)生的三次諧波。該逆變器性價比高，具有很高的實用價值。圖7 相電流波形(b)參考文獻：1吳守箴，臧英杰.電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術(shù)M.第二版.北京:機械工業(yè)出版社,20022 J.Klima. Analytical investigation of an induction motor fed from B4 inverter with a new space-vector modulation s