PWM脈寬調(diào)制變頻電路

第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4．1PWM控制的基本原理4．2單相PWM逆變電路4．3三相橋式PWM逆變電路4．4PWM控制變頻系統(tǒng)中的功率接口4．5PWM控制大規(guī)模集成電路高校教材網(wǎng)http://為負(fù)載提供可變交流電源的裝置叫變頻器，其功能是將電網(wǎng)電壓提供的恒壓恒頻CVCF交流電變換為變壓變頻VVVF(通常簡(jiǎn)稱3VF)交流電。變頻器最典型的應(yīng)用就是交流電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速。變頻電路按其電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、控制方式或輸出波形的不同，可構(gòu)成不同類型的變頻器。第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路變頻器的分類高校教材網(wǎng)http://如圖4-1所示為交—交變頻器與交—直—交變頻器的結(jié)構(gòu)框圖。圖4-1（a）所示的交—交變頻器在結(jié)構(gòu)上沒有明顯的中間濾波環(huán)節(jié)，來自電網(wǎng)的交流電被直接變換為電壓、頻率均可調(diào)的交流電，所以稱為直接變頻器。而圖4-1（b）所示的交—直—交變頻器有明顯的中間濾波環(huán)節(jié)，其工作時(shí)首先把來自電網(wǎng)的交流電變換為直流電，經(jīng)過中間濾波環(huán)節(jié)之后，再通過逆變器變換為電壓、頻率均可調(diào)的交流電，故又稱為間接變頻器。第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路圖4-1變頻器結(jié)構(gòu)框圖（a）交—交變頻器(b)交—直—交變頻器高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路圖4-2交—直—交電壓型變頻器的結(jié)構(gòu)形式（a）可控整流器調(diào)壓，逆變器調(diào)頻（b）二極管整流，斬波器調(diào)壓，逆變器調(diào)頻。（c）二極管整流，PWM逆變器調(diào)壓，調(diào)頻。高校教材網(wǎng)http://圖4-2（a）所示電路在整流環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)可控整流器的控制角α進(jìn)行調(diào)壓，逆變器只進(jìn)行調(diào)頻。圖4-2（b）所示電路的整流器是不可控的，其調(diào)壓是通過斬波器進(jìn)行的，逆變器僅進(jìn)行調(diào)頻。圖4-2（a）、（b）兩種電路結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)在于都有專門的調(diào)壓環(huán)節(jié)調(diào)整輸出電壓的幅值，從最后輸出波形看，它們同屬于脈沖幅度調(diào)制PAM方式。圖4-2（c）所示電路則是以不可控制整流器接入電網(wǎng)，整流之后不調(diào)節(jié)電壓幅度就送入逆變器，在逆變器同時(shí)完成調(diào)頻調(diào)壓，因其電壓幅值不可變，逆變器的調(diào)壓靠改變電壓輸出脈沖的寬度來完成，從輸出波形上看，該電路屬于脈沖寬度調(diào)制PWM方式。第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路在圖4-2（b）、（c）兩種電路結(jié)構(gòu)中，因采用不可控整流器，功率因數(shù)高。而在圖4-2（a）電路中，由于采用可控整流，輸出電壓有換相電壓降產(chǎn)生，諧波的無功功率使得輸入端功率因數(shù)降低。在圖4-2（a）、（b）兩種電路結(jié)構(gòu)中，獨(dú)立的調(diào)壓調(diào)頻環(huán)節(jié)使之容易分開調(diào)試，但系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)慢。圖4-2（c）所示的電路結(jié)構(gòu)則具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，功率因數(shù)高的特點(diǎn)。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路圖4-3交—直—交電流型變頻器結(jié)構(gòu)圖（a）可控整流器調(diào)節(jié)電壓，逆變器調(diào)節(jié)頻率。（b）二重化結(jié)構(gòu)。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路圖4-3（a）中可控整流器調(diào)節(jié)電壓和電流的大小，逆變器調(diào)節(jié)輸出電壓頻率，電容Cd為電流型濾波環(huán)節(jié)，Ld為限流電感。由于電流型變頻器很少進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，而圖4-3（a）結(jié)構(gòu)的電路輸出電流波形(方波)中諧波分量太大，影響了電動(dòng)機(jī)的低速性能，因此，對(duì)電流型變頻器可以采用圖4-3（b）所示的二重化結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，上下兩套變頻器的輸出方波電流頻率一致，但相位上錯(cuò)開一定角度，輸出時(shí)將兩套變頻器的輸出電流進(jìn)行疊加，疊加之后輸出的交流電流將成為多階梯的波形，更接近于正弦波，有利于抑制低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，擴(kuò)大運(yùn)行范圍。高校教材網(wǎng)http://

綜合以上分析可知，圖4-2（b）、（c）和圖4-3電路結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中存在以下缺點(diǎn)：(1)調(diào)壓與調(diào)頻需要兩套可控晶閘管變換器，開關(guān)元件多，控制線路復(fù)雜。(2)晶閘管可控整流側(cè)在低頻低壓下功率因數(shù)太低。(3)逆變器輸出的階梯波交流電壓(電流)諧波分量較大，因此變頻器輸出轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)率大，低速時(shí)影響電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作。(4)由于儲(chǔ)能電容的充放電時(shí)間長(zhǎng)，變頻器的動(dòng)態(tài)反應(yīng)慢。(5)變壓器漏抗對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響較大。第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路

PWM型變頻器有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：(1)主電路只有一個(gè)可控的功率環(huán)節(jié)，開關(guān)元件少，控制線路簡(jiǎn)單。(2)整流側(cè)使用了不可控整流器，電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器輸出電壓無關(guān)而接近于1。(3)通過對(duì)PWM控制方式的控制，能有效地抑制或消除低次諧波，實(shí)現(xiàn)接近正弦形的輸出交流電壓波形。(4)調(diào)頻調(diào)壓在同一環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，無中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快。得益于以上這些優(yōu)勢(shì)，PWM控制方式正逐步取代其它形式的電路結(jié)構(gòu)在變頻技術(shù)和產(chǎn)品中占領(lǐng)主導(dǎo)地位。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1PWM控制的基本原理圖4-4PWM交—直—交變頻電路圖高校教材網(wǎng)http://圖4-4是典型PWM交—直—交變頻器主電路圖，其整流環(huán)節(jié)采用不可控二極管整流橋，其輸出電壓經(jīng)電容濾波后形成不可調(diào)的直流電壓Ud。而逆變環(huán)節(jié)則以六只功率開關(guān)器件和輔助元件構(gòu)成，這些開關(guān)器件可以選用功率晶體管GTR，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET，絕緣門極晶體管IGBT等?？刂颇孀兤髦械墓β书_關(guān)器件按一定規(guī)律導(dǎo)通或斷開，逆變器的輸出側(cè)即可獲得一系列恒幅調(diào)寬的輸出交流電壓，該電壓為可調(diào)頻、可調(diào)壓的交流電——VVVF。第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1PWM控制的基本原理高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理圖4-5為GTR元件作為功率開關(guān)的PWM逆變器主電路原理圖。對(duì)逆變器的變壓變頻控制，是通過對(duì)功率開關(guān)VT1-VT6的規(guī)律性通斷控制來實(shí)現(xiàn)的，所以，PWM逆變器的通斷控制規(guī)則即脈沖寬度調(diào)制方式?jīng)Q定著逆變器的輸出性能。脈寬調(diào)制的方式很多：由調(diào)制脈沖的極性可分為單極性和雙極性；由載波信號(hào)和參考信號(hào)(或控制波信號(hào))的頻率關(guān)系可分為同步調(diào)制方式和異步調(diào)制方式。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理圖4-5PWM逆變器主電路原理圖高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理1、單極性脈寬調(diào)制（1）參考信號(hào)為直流電壓的脈寬調(diào)制方式在單極性脈寬調(diào)制中，控制信號(hào)與載波信號(hào)都是單極性的信號(hào)。對(duì)圖4-5所示的電路而言，當(dāng)參考信號(hào)為單極性直流電壓ur，載波信號(hào)為單極性三角波ut時(shí)，對(duì)電路A相(即VT1、VT4橋臂)的調(diào)制規(guī)律如下：輸出電壓正半周由VTl提供，VT4截止。

ur>ut時(shí)，VTl導(dǎo)通；

ur<ut時(shí)，VTl截止。輸出電壓負(fù)半周由VT4提供，VT1截止。

ur>ut時(shí)，VT4導(dǎo)通；ur<ut時(shí)，VT4截止。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理圖4-6參考信號(hào)為直流電壓PWM電路波形圖（180°導(dǎo)電型）高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理圖4-7參考信號(hào)為直流電壓的PWM電路波形圖（120°導(dǎo)電型）改變功率開關(guān)器件VT1-VT6的切換頻率，即可調(diào)節(jié)交流輸出頻率；如保持載波信號(hào)Ut不變，改變參考信號(hào)Ur的幅度，輸出脈沖的寬度就會(huì)改變，從而調(diào)節(jié)輸出交流電壓基波的幅度。根據(jù)這一原理，可構(gòu)成輸出電壓幅值和頻率可調(diào)的交流變頻器。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理（2）參考信號(hào)為正弦波的脈寬調(diào)制方式參考信號(hào)為正弦波的脈沖寬度調(diào)制叫做正弦波脈沖寬度調(diào)制(SPWM)。在單極性SPWM調(diào)制方式中，參考信號(hào)為三個(gè)互差120°電角度的單極性正弦波ura、urb、urc，以保證被控輸出電壓與三相正弦交流電一致；載波信號(hào)為單極性三角波ut，調(diào)制規(guī)律則與參考信號(hào)為直流電壓的脈寬調(diào)制方式相同。高校教材網(wǎng)http://圖4-8單極性SPWM調(diào)制波形第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理在單極性SPWM逆變器中，輸出交流基波電壓大小和頻率均由參考電壓ur控制。由于載波信號(hào)和參考信號(hào)均為單極性，還需要一個(gè)倒向信號(hào)對(duì)輸出波形的正負(fù)半波進(jìn)行控制。以A相為例，改變ura的幅值，脈沖寬度隨之改變，從而改變輸出電壓uA0的大??；而改變ura的頻率，則輸出交流電壓的頻率隨之改變。要注意的是，為滿足調(diào)制規(guī)律的要求，正弦參考波的最大幅值不得大于三角波的幅值。對(duì)于三相脈沖寬度調(diào)制，只將對(duì)稱可調(diào)頻、可調(diào)幅的三相正弦參考波與三角載波進(jìn)行迭加，并按上述調(diào)制規(guī)律進(jìn)行控制，即可輸出三相正弦調(diào)制波。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理2、雙極性脈寬調(diào)制雙極性脈寬調(diào)制方式的特征是控制信號(hào)與載波信號(hào)均為雙極性信號(hào)。在雙極性SPWM方式中，參考信號(hào)為對(duì)稱可調(diào)頻、可調(diào)幅三相正弦波，如圖4-9中的Ura、Urb、Urc，載波信號(hào)為雙極性三角波Ut。由于控制信號(hào)本身具有正負(fù)半周，無需倒向信號(hào)進(jìn)行正負(fù)半波控制，雙極性SPWM的調(diào)制規(guī)律相對(duì)簡(jiǎn)單，且不需分正負(fù)半周。仍以A相為例，其調(diào)制規(guī)律為：ura

>ut時(shí)：VT1導(dǎo)通，VT4截止；ura<ut時(shí)：VT1截止，VT4導(dǎo)通。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理雙極性SPWM調(diào)節(jié)輸出交流電壓幅值和頻率的方式與單極性SPWM相同，都是靠調(diào)節(jié)正弦參考波的幅值和頻率來實(shí)現(xiàn)的。圖4-9雙極性SPWM調(diào)制原理

高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理3、同步調(diào)制在SPWM調(diào)制方式中，定義載波頻率ft與控制波頻率fr之比為載波比，用N＝ft／fr表示。如果在調(diào)制過程中保持比值N為常數(shù)，則稱為同步調(diào)制方式，如果該比值N不為常數(shù)，則稱為異步調(diào)制方式。同步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是，在開關(guān)頻率較低時(shí)可以保證輸出波形的對(duì)稱性。但是，在載波頻率較高時(shí)，同步調(diào)制幾乎失去了應(yīng)用的價(jià)值。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理4、異步調(diào)制異步調(diào)制時(shí)，在控制波頻率fr變化的同時(shí)，載波頻率ft保持不變。這樣，在逆變器整個(gè)變頻范圍內(nèi)，輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)是不固定的，很難保持三相波形的對(duì)稱關(guān)系且不利于諧波的消除。正由于是異步調(diào)制，在低頻輸出時(shí)，一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，載波個(gè)數(shù)成數(shù)量級(jí)增多，這對(duì)抑制諧波電流、減輕電動(dòng)機(jī)的諧波損耗及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大有好處。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理5、分段同步調(diào)制對(duì)于BJT和GTO之類開關(guān)頻率不很高的功率器件，單使用同步調(diào)制或異步調(diào)制都有失偏頗，綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，還可以采用分段同步式調(diào)制方式，當(dāng)頻率fr降低較多時(shí)，分段有級(jí)地增加載波比N，即對(duì)不同的fr頻段取不同的N值，頻率低時(shí)取N值大些，一般按等比級(jí)數(shù)安排。N的切換應(yīng)注意兩點(diǎn)：

(1)不出現(xiàn)電壓的突變。

(2)在切換的各臨界點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)滯環(huán)區(qū)，以免在輸出頻率恰落在切換點(diǎn)附近時(shí)造成載波頻率反反復(fù)復(fù)變換不定的所謂振蕩現(xiàn)象。這種方式的缺點(diǎn)是，在N值切換時(shí)可能出現(xiàn)電壓突變甚至振蕩。高校教材網(wǎng)http://圖4-10分段同步調(diào)制第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.1PWM脈寬調(diào)制原理高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關(guān)點(diǎn)算法

在SPWM系統(tǒng)中，通常是利用三角載波與正弦參考波進(jìn)行比較以確定逆變器功率器件的開關(guān)時(shí)刻，從而控制逆變器輸出可調(diào)正弦波形。這一功能可由模擬電子電路、數(shù)字電子電路、專用的大規(guī)模集成電路等裝置來實(shí)現(xiàn)，也可由計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。SPWM系統(tǒng)開關(guān)點(diǎn)的算法，主要分為兩類：一是采樣法，二是最佳法。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關(guān)點(diǎn)算法

1、自然采樣法在上一節(jié)中討論的幾種調(diào)制輸出波形的脈沖寬度，均是由正弦參考波與三角載波自然相交來確定的，所以稱之為自然采樣法。根據(jù)采樣規(guī)則的不同，采樣法又可分為對(duì)稱規(guī)則采樣和不對(duì)稱規(guī)則采樣兩種。

圖4-11自然采樣法（不對(duì)稱）[])sin(sin21211''2'22BAtttMTtttww++=+=高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關(guān)點(diǎn)算法

為了解決不對(duì)稱自然采樣法存在的缺點(diǎn)，產(chǎn)生了所謂的對(duì)稱采樣法，如圖4-12所示是一種較為簡(jiǎn)單的對(duì)稱采樣法，其脈沖發(fā)生時(shí)刻A點(diǎn)與自然采樣法一致，而以三角載波中心線為對(duì)稱軸來求取脈沖結(jié)束時(shí)刻B點(diǎn)，則

t1=t3，t2′=t2″。

(4-3)高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關(guān)點(diǎn)算法

圖4-12對(duì)稱規(guī)則采樣法圖4-12平均對(duì)稱規(guī)則采樣法高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關(guān)點(diǎn)算法

3、平均對(duì)稱規(guī)則采樣法綜合上述兩種采樣法的優(yōu)點(diǎn)，可得到如圖4-13所示的平均對(duì)稱規(guī)則采樣法。該法以三角載波的中心線與正弦控制波的交點(diǎn)E為采樣電壓值，由E點(diǎn)水平截取三角載波對(duì)應(yīng)值A(chǔ)、B兩點(diǎn)，從而確定脈寬時(shí)間t2

（4-4）高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關(guān)點(diǎn)算法

4、指定諧波消除法指定諧波消除法是SPWM控制模式研究中一種比較有意義的開關(guān)點(diǎn)確定法。在這種方法中，脈沖開關(guān)時(shí)間不是由三角波與控制波的交點(diǎn)確定的，而是從消除某些指定次諧波的目的出發(fā)，通過解方程組解出來的。圖4-13所示為半周期內(nèi)只有三個(gè)脈沖波的單極式SPWM波形。在圖示的坐標(biāo)系中，將SPWM電壓波形展成傅氏級(jí)數(shù)為：式中k為奇數(shù)，由于SPWM波形的對(duì)稱性，不存在偶數(shù)次諧波。高校教材網(wǎng)http://設(shè)控制要求逆變器輸出的基波電壓幅值為U1m，并要求消除五次、七次諧波(三相異步電動(dòng)機(jī)無中線情況下不存在3及3的整數(shù)倍諧波)，按上述要求，可列出下列方程組：求解上述方程組即可得到合適的開關(guān)時(shí)刻αl、α2與α3的數(shù)值。第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關(guān)點(diǎn)算法

高校教材網(wǎng)http://圖4-13三脈沖波的單極式SPWM波形第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.1.2SPWM波形的開關(guān)點(diǎn)算法

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圖4-14單相PWM逆變器主電路圖4-15SPWM平均對(duì)稱采樣控制輸出調(diào)制波形高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.2單相PWM逆變電路

圖4-14所示為單相PWM全橋式逆變器的主回路。對(duì)電路進(jìn)行分析可知，當(dāng)VT1和VT4導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載上得到的輸出電壓UAB=+Ed，而當(dāng)VT2和VT3導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載上得到的輸出電壓UAB=-Ed。當(dāng)VT1-VT4全部截止時(shí)，UAB=0。調(diào)節(jié)上述輸出電壓+Ed和-Ed的寬度比，就可獲得所期望的輸出電壓波形。在圖4-14中，如采用正弦參考波ur(ωrt)與三角載波ut(ωtt)進(jìn)行比較，并依據(jù)一定的采樣法對(duì)電路進(jìn)行控制，可得到如圖4-15所示的輸出調(diào)制波形。高校教材網(wǎng)http://4.3.1工作原理分析圖4-16所示為三相橋式SPWM逆變器的主回路，如按第三章所述逆變器的導(dǎo)通規(guī)律：VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1對(duì)功率開關(guān)元件進(jìn)行控制，則對(duì)稱三相負(fù)載上將分別得到在第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.3三相橋式PWM逆變電路

到之間變化的脈沖電壓。

由于三相正弦參考波與三角載波通過調(diào)制電路分別進(jìn)行比較后對(duì)脈沖的寬度比進(jìn)行調(diào)節(jié)，負(fù)載上將得到一個(gè)與參考波成一定比例的電壓脈沖序列。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.3三相橋式PWM逆變電路

圖4-16三相橋式SPWM逆變器主電路高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.3三相橋式PWM逆變電路

圖4-17三相橋式逆變器SPWM控制原理高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.3三相橋式PWM逆變電路

圖4-18晶體管通用型三相PWM逆變器主電路原理圖高校教材網(wǎng)http://濾波電容器Cd起著平波和中間儲(chǔ)能的作用，提供電感性負(fù)載的無功功率。

PWM逆變器主要由6個(gè)大功率晶體管VT1-VT6、6個(gè)續(xù)流二極管VD1-VD6、泵升電壓限制電路(R7、VT7)組成，VT1-VT6工作于開關(guān)狀態(tài)，其開關(guān)模式取決于供給基極的PWM控制信號(hào)，輸出交流電壓的幅值和頻率通過控制開關(guān)脈寬和切換點(diǎn)時(shí)間來調(diào)節(jié)。VDl-VD6用來提供續(xù)流回路。

第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.3三相橋式PWM逆變電路

高校教材網(wǎng)http://4.3.2主電路的檢測(cè)與保護(hù)在通用變頻器中，GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，其最關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)是反向封鎖電壓Vceo和正向?qū)娏鱅cm，此外還須計(jì)算校核集電極功率耗散Pc是否在限定值之內(nèi)，因此，變頻器工作中需要進(jìn)行電壓、電流檢測(cè)以及結(jié)溫檢測(cè)。結(jié)溫不但與集電極功耗有關(guān)，也與散熱器熱阻有關(guān)，一般在散熱器上加裝溫度傳感器進(jìn)行結(jié)溫檢測(cè)。由于逆變器的最高工作電壓也就是直流母線電壓Ud，所以應(yīng)對(duì)Ud進(jìn)行電壓監(jiān)視。電壓信號(hào)的采樣方式很多，如采用電阻分壓、霍爾傳感器等均可用于對(duì)Ud進(jìn)行電壓采樣。第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.3三相橋式PWM逆變電路

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變頻器中的過電流信號(hào)主要分為內(nèi)部直通電流和外部故障電流兩大類。內(nèi)部直通電流只在變頻器內(nèi)部逆變電路的同橋臂GTR間形成環(huán)流，由于電流不經(jīng)過負(fù)載，回路電阻較小，可能導(dǎo)致較大的過電流。外部故障電流主要是由負(fù)載過重或外電路短路等故障造成的，電流通路相對(duì)較復(fù)雜，通常情況會(huì)同時(shí)影響到變頻器的交流側(cè)和直流側(cè)，所以，對(duì)變頻器中電流的檢測(cè)較為復(fù)雜。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.3三相橋式PWM逆變電路

圖4-19三相PWM逆變器主電路信號(hào)檢測(cè)原理高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

可構(gòu)成PWM變頻系統(tǒng)主電路的功率開關(guān)器件很多，如GTR、GTO、IGBT等，其控制電路無論是由分離組件構(gòu)成還是由大規(guī)模集成電路或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，其輸出控制信號(hào)均為低電壓、小功率信號(hào)，難以有效驅(qū)動(dòng)主電路中的功率開關(guān)器件，需要配置適當(dāng)?shù)墓β式涌趤磉B接控制電路與主電路或單片機(jī)電路與驅(qū)動(dòng)電路。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

4.4.1大功率晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電路

GTR的導(dǎo)通與關(guān)斷是由基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制的，因此，基極驅(qū)動(dòng)電路必須適應(yīng)于GTR器件的要求。GTR器件本身的放大倍數(shù)受集電極電流與結(jié)溫的影響，其開關(guān)速度受導(dǎo)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff的限制。（一）分立組件驅(qū)動(dòng)電路典型的GTR分立組件驅(qū)動(dòng)電路如圖4-20所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為1時(shí)，非門輸出為0，光電三極管導(dǎo)通，使VT1截止，VT2導(dǎo)通，VT3截止，GTR基極電流流經(jīng)E1→VT2→RC→VD2→be→E1低電位。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-20分立組件GTR驅(qū)動(dòng)電路原理圖高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

（二）集成模塊化驅(qū)動(dòng)電路集成化驅(qū)動(dòng)模塊的種類很多，其電路結(jié)構(gòu)和性能取決于其所驅(qū)動(dòng)的功率開關(guān)器件的種類和主電路對(duì)控制電路的功能要求等因素。

M57215BL為GTR專用驅(qū)動(dòng)模塊，可驅(qū)動(dòng)50A、1000V的GTR器件。該電路的開關(guān)頻率為2kHz，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-21所示，PWM信號(hào)輸入端②不帶非門，需要外接。其外部接線如圖4-22所示。其⑧腳接正電源+10V，④腳接負(fù)電源－3V。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-21M57215BL驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部原理圖高校教材網(wǎng)http://圖4-22M57215BL驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部原理圖第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

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EXB841是快速型IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊，可驅(qū)動(dòng)300A，1200V的IGBT器件。該電路開關(guān)頻率可高達(dá)40kHz-50kHz，信號(hào)延遲時(shí)間不超過1μs，外部只需要提供+20V的單電源，內(nèi)部自己產(chǎn)生－5V反偏壓。該模塊采用高速光耦隔離，射級(jí)輸出，并具有短路保護(hù)及慢速關(guān)斷功能。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-23EXB841的內(nèi)部原理高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-24EXB841驅(qū)動(dòng)模塊應(yīng)用電路高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

4.4.2PWM大規(guī)模單片集成電路（一）HEF4752及其應(yīng)用

HEF4752是全數(shù)字化的三相SPWM波生成集成電路。這種芯片既可用于有強(qiáng)迫換流電路的三相晶閘管變頻器，也可用于由全控型開關(guān)器件構(gòu)成的變頻器。對(duì)于后者，可輸出三相對(duì)稱SPWM波控制信號(hào)，調(diào)頻范圍為0-200Hz。由于它生成的SPWM波的最大開關(guān)頻率比較低，一般在lkHz以下，所以較適于以BJT或GTO為開關(guān)器件的變頻器，而不適于IGBT變頻器。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

了解HEF4752芯片的基本功能和作用圖4-25HEF4752管腳排列圖高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

2．HEF4752電路結(jié)構(gòu)及工作原理(1)電路結(jié)構(gòu)

HEF4752電路結(jié)構(gòu)原理如圖4-28所示。從圖中可以看出，HEF4752由FCT計(jì)數(shù)器、VCT計(jì)數(shù)器和RCT計(jì)數(shù)器等三個(gè)計(jì)數(shù)器，一個(gè)譯碼器，三個(gè)輸出口以及供生產(chǎn)廠家測(cè)試用的試驗(yàn)電路組成。

HEF4752能產(chǎn)生輸出頻率從0Hz至200Hz可調(diào)的三相SPWM信號(hào)，并可使輸出電壓隨輸出頻率成線性變化。其調(diào)制原理的主要依據(jù)是SPWM不對(duì)稱規(guī)則采樣法。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-28HEF4752內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

不對(duì)稱規(guī)則采樣法SPWM波的脈寬為：(4-10)脈寬可以用電角度表示為：(4-11)若令βi代表脈寬t2i的前沿角度和后沿角度，則:(4-12)高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-29雙邊調(diào)制方法高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-30N=15時(shí)的雙邊調(diào)制波(a)N=15時(shí)的等脈寬矩形波(b)N=15時(shí)的A相雙邊調(diào)制波(c)N=15時(shí)的B相雙邊調(diào)制波(d)N=15時(shí)的C相雙邊調(diào)制波(e)N=15時(shí)的線電壓UAB輸出波高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

HEF4752輸出的SPWM波的輸出頻率f與開關(guān)頻率fr決定于頻率控制時(shí)鐘FCT。圖4-31不同分頻數(shù)下fr與f的關(guān)系圖4-32開關(guān)頻率fr與輸出頻率f的關(guān)系高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

表4-1各切換點(diǎn)的開關(guān)頻率值輸出頻率f(Hz) 載波頻率比N

開關(guān)頻率fr(Hz) 3.57~5.95 168600~1000 5.00~8.33 120 600~1000 7.14~11.9084 600~1000 10.00~16.6760 600~1000 14.29~23.81 42 600~1000 20.00~33.30 30 600~1000 28.57~47.6221 600~1000 40.00~66.67 15 600~1000 高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

3．HEF4752的應(yīng)用舉例以上所述與HEF4752配套的電路是由模擬電路與數(shù)字電路構(gòu)成的。當(dāng)然，也可以使用微機(jī)，用硬件與軟件相結(jié)合的方法完成上述電路功能。圖4-33HEF4752控制的SPWM變頻器高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

（二）SLE4520及其應(yīng)用

HEF4752三相SPWM集成電路能設(shè)置的開關(guān)頻率比較低，不適合于IGBT變頻器。SLE4520是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的一種CMOS大規(guī)模專用集成電路。它是一個(gè)可編程器件，能把三個(gè)8位數(shù)字量同時(shí)轉(zhuǎn)換成二路相應(yīng)脈寬的矩形波信號(hào)，與單片機(jī)及相應(yīng)的軟件結(jié)合，能以很簡(jiǎn)單的方式產(chǎn)生三相逆變器所需的六路控制信號(hào)。由于其輸出的SPWM波的開關(guān)頻率可達(dá)20kHz，基波頻率可達(dá)2600Hz。因此，適用于IGBT變頻器或其它中頻電源變頻器。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-34SLE4520管腳排列圖1．SLE4520的管腳排列及功能：SLE4520為雙列直插式28腳大規(guī)模集成電路，如圖4-34所示。它有13個(gè)輸入端、5個(gè)控制端、8個(gè)輸出端、2個(gè)電源端。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(1)輸入端①XTALl(管腳2)、XTAL2(管腳3)—外接晶振輸入端。②P7-P0(管腳4-11)—8位數(shù)據(jù)輸入端③SYNC(管腳27)—來自微機(jī)的觸發(fā)脈沖信號(hào)輸入端④

(管腳24)—來自微機(jī)的脈沖信號(hào)輸入端⑤ALE(管腳25)—地址鎖存允許輸出端，與單片機(jī)的ALE線相連高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(2)控制端①CLEARSTATUS(管腳21)、SETSTATUS(管腳22)——為通斷狀態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸入端，即清零端與置位端。②RES(管腳23)——SLE4520的復(fù)位端，可與微機(jī)復(fù)位電路的輸出相連。③CS(管腳26)——SLE4520的片選信號(hào)輸人端，可與微機(jī)系統(tǒng)的譯碼電路輸出端相連。④INHIBIT(管腳19)——脈沖封鎖端，接保護(hù)電路的輸出。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(3)輸出端①PH1/1(管腳18)、PHl/2(管腳17)、PH2/1(管腳16)、PH2/2(管腳14)，PH3/1(管腳13)、PH3/2(管腳12)——分別為變頻器A、B、C三相上、下橋臂開關(guān)器件的控制信號(hào)輸入端，接三相變頻器驅(qū)動(dòng)電路的輸人端，提供驅(qū)動(dòng)三相變頻器的SPWM信號(hào)。②STATUS(管腳20)——通斷狀態(tài)觸發(fā)器的輸出端③CLKOUT(管腳28)——晶振頻率輸出端(4)電源端①UDD(管腳1)——電源正端，接+5V電源。②USS(管腳15)——電源負(fù)端，接地高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

4-35SLE4520的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

2．SLE4520電路結(jié)構(gòu)及工作原理(1)電路結(jié)構(gòu)

SLE4520的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-35所示。它的內(nèi)部有一個(gè)死區(qū)時(shí)間生成及輸出寄存器，一個(gè)四位死區(qū)(互鎖)時(shí)間寄存器，三個(gè)過零檢測(cè)器，三個(gè)可預(yù)置計(jì)數(shù)器，三個(gè)8位數(shù)據(jù)寄存器，一個(gè)四位分頻控制寄存器和一個(gè)1:n預(yù)置分頻器，一個(gè)1:4地址譯碼鎖存器及一個(gè)通斷控制觸發(fā)器共17個(gè)單元線路。這些單元線路分別與SLE4520的內(nèi)部數(shù)據(jù)或控制總線相連。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(2)工作原理表4-2SLE4520內(nèi)部寄存器地址表地址 寄存器

00 A相寄存器

01 B相寄存器

02 C相寄存器

03 死區(qū)寄存器

04 分頻控制寄存器

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表4-3SLE4520死區(qū)寄存器取值及產(chǎn)生的死區(qū)時(shí)間取值 死區(qū)時(shí)鐘為1:4死區(qū)時(shí)鐘為1:6

時(shí)延時(shí)/μs

時(shí)延時(shí)/μs

1 0.33 0.5 3 1.01.5 5 1.66 2.5 … … … 14 4.667 高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

表4-4分頻控制寄存器的取值表取值 分頻 計(jì)數(shù)頻率 斬波頻率 死區(qū)時(shí)鐘 0 1:4 3MHz 1:4 1 1:6 2MHz 15.6kHz 1:6 2 1:8 1.5MHz 1:4 3 1:12 1kHz 7.8kHz 1:6 4 1:16 750kHz 1:4 5 1:24 500kHz 3.9kHz 1:6 6 1:32 375kHz 1:4 7 1:48 250kHz 1.95kHz 1:6 高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

3．SLE4520應(yīng)用舉例如上所述，SLE4520是一個(gè)可編程三相PWM集成電路，與微機(jī)配合使用能把三路8位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成三路脈寬調(diào)制信號(hào)，形成三相SPWM波，驅(qū)動(dòng)三相功率開關(guān)器件。雖然也可以和16位微機(jī)配合使用，但因SLE4520是8位可編程芯片，一般情況下可與8位微機(jī)配合使用。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-36用8031微機(jī)系統(tǒng)與SLE4520配合使用生成SPWM波驅(qū)動(dòng)IGBT變頻器高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(三)MA818及其應(yīng)用

MA818是英國(guó)Marconi公司推出的、可產(chǎn)生三相PWM控制信號(hào)的大規(guī)模集成電路芯片，采用標(biāo)準(zhǔn)雙列直插式40腳封裝(如圖4-37所示)或44腳方形塑料封裝。該芯片與SLE4520相似，是一種通用的可編程微機(jī)控制外圍芯片，雖然它必須和微處理器配合使用，但微機(jī)的介入程度很低，它本身的功能比SLE4520強(qiáng)，在應(yīng)用于對(duì)IGBT的控制時(shí)，尤其方便，其可輸出純正弦波波形。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-37MA818管腳排列圖1．MA818的管腳排列及功能各管腳按其基本功能可劃分為以下三部分：(1)用于與微處理器接口的MOTEL多用總線(2)用于與存儲(chǔ)正弦調(diào)制波形的EPROM連接的

11根地址線A0-A10

和4根數(shù)據(jù)線D0-D3。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(3)三相PWM輸出線及控制線。包含具有標(biāo)準(zhǔn)TTL電平的6個(gè)端口RPHT、RPHB、YPHT、YPHB、BPHT和BPHB7，分別用于三相逆變器六個(gè)全控器件的端口驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)。封鎖狀態(tài)輸出腳用來表明輸出腳的狀態(tài)。此外，UDD為5V電源引腳，USS為零電平電源引腳，CLK是時(shí)鐘輸入端。零相脈沖信號(hào)ZPP能輸出與調(diào)制波同頻率的脈沖波。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

圖4-38MA818電路結(jié)構(gòu)框圖高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

2．MA818電路結(jié)構(gòu)及工作原理(1)電路結(jié)構(gòu)MA818主要由三部分構(gòu)成：①接收并儲(chǔ)存微處理器命令的控制字部分。它主要由總線控制，總線譯碼，暫存器R0、R1、R2，虛擬寄存器R3、R4及24位初始化寄存器和24位控制寄存器組成。②從EPROM中讀出正弦調(diào)制波形的數(shù)據(jù)部分。它由地址發(fā)生器和數(shù)據(jù)緩沖器組成。③三相輸出控制電路及輸出脈沖鎖存電路。每相輸出控制電路又由脈沖刪除電路和脈沖延遲電路組成。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(2)工作原理①M(fèi)A818在工作之前，兩個(gè)24位寄存器(初始化寄存器和控制寄存器)要先從微機(jī)中輸入命令字。

②MA818采用規(guī)則采樣法產(chǎn)生SPWM波形。它內(nèi)部具有一個(gè)地址發(fā)生器和一個(gè)輸入數(shù)據(jù)緩沖器，能從外部微機(jī)系統(tǒng)PROM/EPROM中直接讀取用戶按要求定義的各種精確的、用于產(chǎn)生SPWM脈沖序列的調(diào)制波形，并與三角載波比較，從而產(chǎn)生所需要的SPWM波形。

③脈沖延遲電路的作用是在改變?nèi)我幌鄡蓚€(gè)開關(guān)器件的狀態(tài)時(shí)，提供一個(gè)較短的延遲時(shí)間，使在這段時(shí)間里兩個(gè)開關(guān)都處于關(guān)狀態(tài)。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

(3)MA818寄存器的設(shè)置方法①初始化寄存器的編程先將控制字確定的三角波載波頻率、調(diào)制波頻率范圍(PWM輸出調(diào)制波的最高可能頻率)、脈沖延遲時(shí)間、最小脈沖寬度、計(jì)數(shù)器復(fù)位等參數(shù)送入三個(gè)8位暫存器R0、R1、R2中，再輸送到24位初始化寄存器。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的功率接口

②控制寄存器的編程由控制字確定調(diào)制波頻率選擇、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)選擇、調(diào)制波幅值選擇、過調(diào)制選擇、輸出禁止選擇等參數(shù)，先將這些參數(shù)送入三個(gè)8位暫存器R0、R1、R2中，再輸送到24位控制寄存器。高校教材網(wǎng)http://第4章PWM脈寬調(diào)制變頻電路4.4PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中的