新型梯形波脈寬調(diào)制技術(shù)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究

新型梯形波脈寬調(diào)制技術(shù)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究

0采用梯形波脈寬調(diào)制代替正弦波脈寬調(diào)制tpwm技術(shù)在spwm正交脈寬調(diào)幅系統(tǒng)（spwm）中，除了基本波分量外，逆功率輸出波形還包含豐富的波形分量。它不僅使電機(jī)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)平衡的聲音，惡化的輸出特性，降低系統(tǒng)的運(yùn)行的穩(wěn)定性，增加電機(jī)的額外損失，并降低系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。因此，波形對(duì)換能器性能的負(fù)面影響是一個(gè)普遍嚴(yán)重的問(wèn)題。限制和消除vm矩陣中的波形是一個(gè)非常重要的研究主題。采用梯形波脈寬調(diào)制代替正弦波脈寬調(diào)制是一種新型的脈寬調(diào)制技術(shù),簡(jiǎn)稱為T(mén)PWM技術(shù).對(duì)TPWM技術(shù)的研究和實(shí)驗(yàn)表明,在調(diào)幅比為1時(shí)選擇合適的梯形波斜坡部分與平直部分的比值(約為0.4),可以使逆變器輸出波形中的5次諧波為零,7次諧波最大值約占基波幅值的3.2%,其余11次、13次等諧波幅值幾乎可以忽略,基波分量幅值約是輸入直流電壓的1.03倍,而SPWM逆變器的基波分量只有輸入直流電壓的0.87倍.因此采用梯形波脈寬調(diào)制技術(shù)是抑制諧波,提高調(diào)速系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率,改善運(yùn)行穩(wěn)定性的有效途徑之一.1tpwm技術(shù)的實(shí)現(xiàn)1.1率控制信號(hào)-ufTPWM調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖1所示.突加速度給定信號(hào)Ugd,通過(guò)軟啟動(dòng)器和絕對(duì)值放大器產(chǎn)生頻率控制信號(hào)-Uf,由U/f變換器產(chǎn)生頻率為18f0的時(shí)鐘脈沖,經(jīng)三分頻器分頻為6f0脈沖,觸發(fā)三相方波發(fā)生器產(chǎn)生頻率為f0的三相互差120?°的方波,經(jīng)梯形波發(fā)生器轉(zhuǎn)換為恒幅三角波,限幅電路限幅得到梯形波.梯形波輸入“Δ”脈寬調(diào)制器,可得到三相雙極性梯形脈寬調(diào)制波.1.2tpwm風(fēng)速系統(tǒng)的部分技術(shù)1.2.1u/f變換器角波的選擇圖2所示為U/f變換器、三分頻器和三相方波發(fā)生器電路及波形變換圖.圖(a)中U/f變換器由數(shù)控模擬開(kāi)關(guān)A1(簡(jiǎn)稱DCAS)、積分器A2和施密特觸發(fā)器A3組成.施密特觸發(fā)器的輸出電壓U1控制DCAS的開(kāi)關(guān)狀態(tài).DCAS輸出方波U2的頻率與-Uf大小成正比,并且幅值正、負(fù)對(duì)稱,使積分器交替地正、反向積分產(chǎn)生三角波.只要適當(dāng)?shù)剡x擇DCAS的各個(gè)電阻并使施密特觸發(fā)器為單位增益,則-Ufmax與輸出頻率之間符合下式關(guān)系:Ufmax×1R4C1×12×18f0max=2UZUfmax×1R4C1×12×18f0max=2UΖ(1)若取最大頻率控制信號(hào)Ufmax=10V,穩(wěn)壓管電壓UZ=10V,f0max=1/18Tmin,根據(jù)公式(1)即可選出電阻R4和電容C1.圖2(a)中電阻R2的取值應(yīng)保證在Uf最小時(shí)開(kāi)關(guān)三極管V1飽和導(dǎo)通,在Uf最大時(shí)V1的集電極電流要小于Icmax.U/f變換器輸出電壓U1是方波脈沖列.其頻率為18f0,輸入到由F1、F2、和F3三個(gè)JK觸發(fā)器構(gòu)成的三分頻器,分頻后觸發(fā)三相方波發(fā)生器.工作前,三分頻器和三相方波發(fā)生器的清零開(kāi)關(guān)K2應(yīng)閉合清零,然后置位開(kāi)關(guān)K1閉合置初始狀態(tài):使三分頻器的QF1=1,QF2=0,QF3=0,三相方波發(fā)生器的UU=0,UV=0,UW=1.工作時(shí),應(yīng)斷開(kāi)K1、K2.三相方波發(fā)生器在三分頻器輸出脈沖的循環(huán)觸發(fā)下輸出三相脈寬為180?°的對(duì)稱方波,波形如圖2(b)所示.1.2.2恒幅三角波的幅值梯形波發(fā)生器是由DCAS和積分器構(gòu)成的恒幅三角波產(chǎn)生器與射極跟隨器組成,其電路和各點(diǎn)波形如圖3所示.改變輸入方波UU的頻率,即可改變?nèi)遣ǖ念l率.為了獲得恒幅三角波,將頻率控制信號(hào)-Uf也作為這里DCAS的輸入信號(hào).這樣,當(dāng)積分器輸入的UU方波頻率升高時(shí),-Uf值也增大,而使DCAS的輸出電壓UA4提高,可以保證積分器輸出三角波的幅值不變.恒幅三角波經(jīng)限幅后輸出的是梯形波.為了使積分器輸出的三角波幅值恒定在±UΔmax(=±10V),時(shí)間常數(shù)R4C1可由下式求出:Ufmax×1R4C1×12f0max=2UTmaxUfmax×1R4C1×12f0max=2UΤmax(2)1.2.3tpwm開(kāi)關(guān)電壓“Δ”脈寬調(diào)制器是系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié),其線路和波形如圖4所示.圖中輸入信號(hào)UT是梯形調(diào)制波;比較器A7輸出的開(kāi)關(guān)電壓UK是積分器A8產(chǎn)生系列三角(Δ)載波UΔ的開(kāi)關(guān)函數(shù),它決定TPWM逆變器中功率開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)狀況.圖4(a)中R3與R4之間的關(guān)系應(yīng)滿足下式關(guān)系:R4R3=12R1CNmaxR4R3=12R1CΝmax(3)式中:Nmax為逆變器件每秒的最大換相次數(shù),應(yīng)根據(jù)換相損耗的系統(tǒng)效率考慮確定.1.2.3.加反相車(chē)輛中的a、c保護(hù)作用當(dāng)UT從零開(kāi)始上升時(shí),A7輸出的UK迅速上升到正飽和值+Us,經(jīng)積分器A8反向積分,輸出電壓UΔ負(fù)向線性增長(zhǎng).UΔ經(jīng)R4,UK經(jīng)R3都加到反相求和放大器A9的反相端,由于R3?R4,UΔ的作用將遠(yuǎn)大于UK的作用,所以A9的輸出電壓UP正向上升,一旦UP>UT,A7輸出的UK迅速翻轉(zhuǎn)為負(fù)向飽和電壓值-US,其“Δ”脈寬調(diào)制波形如圖4(b)所示.三角載波UΔ在梯形波UT上下2ΔU“帶寬”內(nèi)振蕩,并且上、下幅值是相等的,于是迫使UΔ以脈動(dòng)頻率圍繞梯形波UT“振蕩”,這種強(qiáng)制振蕩保證了UΔ的基波分量和梯形波UT具有相同的幅值,即UΔ1=UT.1.2.3.個(gè)基波不隨fta合成的特性當(dāng)梯形波UT頻率升高到一定值時(shí),將會(huì)出現(xiàn)分界頻率fTL,其大小與UT、電源Us及積分時(shí)間常數(shù)R1C有關(guān),這些參數(shù)一經(jīng)確定,電路就存在一個(gè)確定的分界頻率fTL.當(dāng)fT<fTL時(shí),為恒轉(zhuǎn)矩控制,可以證明輸出電壓和頻率之比保持恒定:設(shè)UKn和UΔn分別為UK和UΔ第n次諧波的幅值.因A8中輸入R1的電流與積分電容C中的電流相等,則有UKnR1=?2πnf0CUΔnUΚnR1=-2πnf0CUΔn(4)式中:f0是逆變器輸出的基波頻率,它受控于梯形波頻率fT,即f0=fT.對(duì)于基波(即n=1)來(lái)說(shuō),其壓頻比為:UK1f0=UΚ1f0=2πR1CUΔ1(5)由于電路在強(qiáng)迫振蕩中,比較器A7的兩個(gè)輸入信號(hào)UT和UP的基波幅值相等,而UP基波和UΔ的幅值也基本相同,即有UΔ1=UT,這樣(5)式可寫(xiě)成UK1f0=UΚ1f0=2πR1CUT=常數(shù)(6)由(6)式可見(jiàn),當(dāng)UT一定時(shí),輸出基波電壓UK1與頻率f0之比是恒值.當(dāng)fT=fTL,UK是一系列單個(gè)的方波,其基波不隨fT變化,其幅值為UK1=4UsπUΚ1=4Usπ(7)代入(6)式,可求出分界頻率為fTL=2Usπ2R1CUTfΤL=2Usπ2R1CUΤ(8)這樣就不需要附加任何環(huán)節(jié)就能在fTL處實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩與恒功率之間平滑過(guò)渡.2u3000掃碼過(guò)濾技術(shù)根據(jù)公式(3)和(8),設(shè)定分界頻率fTL=50Hz,UTM=4V,US=12V,Nmax=510次/s,可求出“Δ”調(diào)制器中R1=6kΩ,C=2μF,R3=8.2kΩ,R4=1kΩ.“Δ”調(diào)制器輸出的梯形脈寬調(diào)制波UK和載波UΔ波形如圖5所示.由圖5可見(jiàn),輸出電壓半個(gè)周期內(nèi)的矩形脈沖數(shù)與輸出頻率成反比,且能連續(xù)變化,最后過(guò)渡到單脈沖方波工作方式.梯形波的“Δ”調(diào)制器的電壓/頻率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示