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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、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( v t) ,向三相交流电机提供调制的交流信号(配合控制电路)。igbt, v t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. 85 k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u 2. 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i 100 a时,端点6处电压典型值为7. 5 v,过流保护而系统整定的过流电流为70 a,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. 1 v.

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cmo s,hcm os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。

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