[摘要]本論文設(shè)計部分主要包括二部分。第一部分介紹了本文通用變頻器的控制方式；第二部分介紹變頻器的工作原理。然后，介紹了本文所設(shè)計的通用變頻器硬件控制系統(tǒng)電路組成，包括交直交主電路模塊，電源模塊。

[關(guān)鍵詞]變壓變頻 正弦波脈寬調(diào)制 電壓型逆變器

通用變頻器作為商品開始在國內(nèi)上市，是近十年的事，銷售額逐年增加，于今，全年有超過數(shù)十億元（RMB）的市場。其中，各種進(jìn)口品牌居多，功率小至百瓦大至數(shù)千千瓦。而變頻器的控制系統(tǒng)是其核心部分，本文設(shè)計了一種基于單片機生成SPWM波形的通用變頻器控制系統(tǒng)。

一、變頻器的控制方式

通常，變頻器有以下三種控制方：恒壓頻比（U/f-C）控制方式；矢量控制（VC）方式； 直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式。

本文介紹的通用變頻器采用恒壓頻比的正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)。SPWM的概念是，在進(jìn)行脈寬調(diào)制時，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排，當(dāng)正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當(dāng)正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。首先，介紹PWM波調(diào)制原理：以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrier wave），并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulation wave），當(dāng)調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。

按照波形面積相等的原則，每一個矩形波的面積與相應(yīng)位置的正弦波面積相等，因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidal pulse width modulation，簡稱SPWM），這種序列的矩形波稱作SPWM波。 

其次，介紹本文通用變頻器采用的恒壓頻比正弦波脈寬調(diào)制SPWM控制方式。如果在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。單極性調(diào)制的工作特點：每半個周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時斷地工作，另一個完全截止；而在另半個周期內(nèi)，兩個器件的工況正好相反，流經(jīng)負(fù)載ZL的便是正、負(fù)交替的交變電流。

如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式。雙極性調(diào)制的工作特點：逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，毫不停息，而流過負(fù)載ZL的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流。

二、通用變頻器的工作原理

變頻調(diào)速技術(shù)是近20年內(nèi)發(fā)展起來的一門新技術(shù)，隨著電力電子技術(shù)的日益發(fā)展和PWM控制技術(shù)的成熟，利用電機的轉(zhuǎn)速和輸入電源的頻率是線性關(guān)系這一原理，將50Hz的交流電通過整流和逆變轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的電源，供給異步電動機，實現(xiàn)調(diào)速的目的。利用單片機組成的變頻調(diào)速控制器可以實現(xiàn)從低頻（1～2Hz）起動到50Hz，可以消除以往工頻50Hz直接起動對電機的沖擊，延長電機的使用壽命。同時，由于變頻器的輸出電壓可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使負(fù)載電機可以工作在額定電壓以下，不僅節(jié)能且可延長電機的使用壽命。

本變頻器采用恒磁通控制原理。變頻器輸出正弦波電壓，可用一系列頻率可調(diào)的正弦脈沖波來等效，即只要對應(yīng)時間間隔內(nèi)的矩形脈沖的面積與正弦波和橫軸包含的面積相等，系列矩形脈沖就可隊等效正弦波。脈沖控制信號的形成通常是將相同極性的正弦波基準(zhǔn)信號與等幅等距的三角波比較，隊其交點為開關(guān)器件的換流點，從而形成SPWM脈沖列。用于交流傳動的變頻器實際上是采用變壓變頻的方式，即VVVF。隨著調(diào)制波幅值和頻率的變化，調(diào)制的脈沖渡也會在寬度和頻率上作相應(yīng)的變化，從而保證磁通角為恒值。

變頻器的核心是產(chǎn)生SPWM控制脈沖列的控制電路。目前，實現(xiàn)控制電路主要有3種方法：（1）模擬調(diào)制器法。該方法由正弦調(diào)制波發(fā)生電路、三角載波發(fā)生電路和模擬電壓比較器三部分組成。而這種控制電路要實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓都離不開CPU、EPR0M、A／D、D／A轉(zhuǎn)換器等。所以該電路復(fù)雜、器件分散性大、可靠性差。（2）專用芯片法。如英國Mulend公司的HEF4752和德國西門子公司的SLE4520等。該方法的優(yōu)點是電路集成度高、可靠性高，缺點是無法全面實現(xiàn)對調(diào)速系統(tǒng)的反饋控制、監(jiān)視管理和保護(hù)工作，故一般也要配合單片機實現(xiàn)。（3）微機生成法。該方法要考慮指令功能、存儲容量和運算速度是否影響實時性。

主電路——由二極管整流器UR、PWM逆變器UI和中間直流電路三部分組成，一般都是電壓源型的，采用大電容C濾波，同時兼有無功功率交換的作用。

控制電路——現(xiàn)代PWM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路，其功能主要是接受各種設(shè)定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動逆變器工作的PWM信號，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動逆變器工作的PWM信號。微機芯片主要采用8位或16位的單片機，或用32位的DSP，現(xiàn)在已有應(yīng)用RISC的產(chǎn)品出現(xiàn)。

PWM信號產(chǎn)生——可以由微機本身的軟件產(chǎn)生，由PWM端口輸出，也可采用專用的PWM生成電路芯片。

檢測與保護(hù)電路——本系統(tǒng)只進(jìn)行電流檢測，霍爾傳感器把過流信號輸送給處理電路進(jìn)行分流、光電隔離、濾波、放大等綜合處理，再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，輸入給CPU作為控制算法的依據(jù)，或者作為開關(guān)電平產(chǎn)生保護(hù)信號和顯示信號。

信號設(shè)定——需要設(shè)定的控制信息主要有：U/f特性、工作頻率、頻率升高時間、頻率下降時間等，還可以有一系列特殊功能的設(shè)定。由于通用變頻器-異步電動機系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速或頻率開環(huán)、恒壓頻比控制系統(tǒng)，低頻時，或負(fù)載的性質(zhì)和大小不同時，都得靠改變U/f函數(shù)發(fā)生器的特性來補償，使系統(tǒng)達(dá)到恒定，甚至恒定的功能，在通用產(chǎn)品中稱作“電壓補償”或“轉(zhuǎn)矩補償”。

實現(xiàn)補償?shù)姆椒ㄓ袃煞N：一種是在微機中存儲多條不同斜率和折線段的U/f函數(shù)，由用戶根據(jù)需要選擇最佳特性。另一種辦法是采用霍爾電流傳感器檢測定子電流或直流回路電流，按電流大小自動補償定子電壓。但無論如何都存在過補償或欠補償?shù)目赡?，這是開環(huán)控制系統(tǒng)的不足之處。給定積分——由于系統(tǒng)本身沒有自動限制起制動電流的作用，因此，頻定設(shè)定信號必須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩升速或降速信號，升速和降速的積分時間可以根據(jù)負(fù)載需要由操作人員分別選擇。綜上所述，PWM變壓變頻器的基本控制作用如圖所示。近年來，許多企業(yè)不斷推出具有更多自動控制功能的變頻器，使產(chǎn)品性能更加完善，質(zhì)量不斷提高。

三、變頻器硬件控制系統(tǒng)電路組成

交直交主電路由三部分組成，包括整流電路，濾波電路和逆變電路。

1. 整流電路，把交流電壓變成直流電壓。本文由單相整流橋直接完成整流。

2. 濾波電路，把脈動較大的直流電進(jìn)行濾波變成比較平滑的直流電。本文把整流好的直流電經(jīng)過兩個電解電容進(jìn)行濾波，再通過瓷片電容把諧波過濾掉，最終輸出平滑的直流電。整流、濾波電路在電路原理圖中的布局如圖1所示。

3. 逆變電路，把直流電又轉(zhuǎn)換成三相交流電，這種逆變電路一般是利用功率開關(guān)按照控制電路的驅(qū)動、輸出脈沖寬度被調(diào)制的PWM波，或者正弦脈寬調(diào)制SPWM波，當(dāng)這種波形的電壓加到負(fù)載上時，由于負(fù)載電感作用，使電流連續(xù)化，變成接近正弦形波的電流波形。

在交-直-交變壓變頻器中，按照中間直流環(huán)節(jié)直流電源性質(zhì)的不同，逆變器可以分成電壓源型和電流源型兩類，兩種類型的實際區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)采用怎樣的濾波器。本文的直流環(huán)節(jié)采用電容進(jìn)行濾波，所以本文的逆變器屬于電壓源型逆變器。電壓源型逆變器示意圖如圖2所示。

電壓源型逆變器（Voltage Source Inverter——VSI），直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，因而直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內(nèi)阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，有時簡稱電壓型逆變器。

電壓源型逆變器的優(yōu)點：（1）在調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器的負(fù)載是異步電機，屬感性負(fù)載。在中間直流環(huán)節(jié)與負(fù)載電機之間，除了有功功率的傳送外，還存在無功功率的交換。濾波器除濾波外還起著對無功功率的緩沖作用，使它不致影響到交流電網(wǎng)。（2）電壓源型逆變器屬恒壓源，不易波動，適于做多臺電機同步運行時的供電電源。

電壓源型逆變器的缺點：（1）采用電壓源型的交-直-交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)要實現(xiàn)回饋制動和四象限運行卻很困難，因為其中間直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓的極性，不可能迅速反向，而電流受到器件單向?qū)щ娦缘闹萍s也不能反向，所以在原裝置上無法實現(xiàn)回饋制動。

（2）交-直-交電壓源型變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)慢。

四、結(jié)論

本文深入分析了通用變頻器的工作原理。分析了變頻變壓調(diào)速基本控制方式和通用變頻器的主要控制方法，以及本文通用變頻器的控制方式，并設(shè)計了基于AT89C51單片機為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上建立了交直交主電路模塊，驅(qū)動電路模塊，控制電路模塊，并實現(xiàn)了電動機電流信號的檢測及其信號處理，同時還設(shè)計了過流保護(hù)電路，為通用變頻器控制系統(tǒng)提供了可靠的實驗平臺。同時，經(jīng)濟型變頻器系統(tǒng)采用單片機系統(tǒng)與專用SPWM 芯片為核心的經(jīng)濟型變頻器，充分利用了單片機及專用芯片的豐富資源，大大降低硬件成本，簡化了系統(tǒng)。通過對Y9O5-4三相異步電動機試驗運行，系統(tǒng)運行可靠，各種保護(hù)功能工作正常，達(dá)到設(shè)計預(yù)期目的，是理想的小功率、低成本、簡易型變頻器，具有推廣價值。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：浙江理工大學(xué)機械與控制學(xué)院）