第3章 多功能变流器的设计与控制

3。1 多功能变流器

设计出一种成本较低的多功能变流器, 能够实现低于同步速以及高于同步速的转速控制。脉宽调制型变频电路可以克服普通交-直-交变频电路的缺点，这种电路通常称为PWM(Pulse Width Modulation)型变频器。这里采用SPWM(Sine Pulse Width Modulation)控制方式，就是将PWM脉冲信号调制成以Sine 规律变化的信号[1]。普通的脉宽调制型逆变器电路：如图3-1的优点是：可以得到相当接近正弦波的输出电压；整流电路采用二极管，可获得接近1的功率因数；

图3-1 电压型PWM交-直-交变频拓扑图

    通过对输出脉冲脉宽度的控制就可以改变输出电压，大大加快了变频器的动态响应。但是这种变频器无法实现从双馈到同步速和从同步速到超同步速的连续状态转换。因此，要对该电路加以改进。图3-2是改进后的电路拓扑图。

图3-2 多功能变流器的电路拓朴图

由于在调速过程中要实现亚同步速到同步速再到超同步速的连续调节，因此能完成此功能的变频器是在普通变频器的基础上加上一些控制电路，在三相交-直-交电压型逆变器的基础上，增加两个二极管和功能转换开关，就可构成一种多功能变流器，满足双馈电机斩波与双馈调速多种运行模式的需要，其主电路拓朴结构如图3-2所示。其中，变流器完成整流滤波，多功能变流器的主电路被开关K1分成两部分。变流器I是三相全桥整流器；变流器II将整流器、斩波器和逆变器结合在一起。单片机通过光电耦合器控制功能转换开关的开闭，实现多种变流功能[4]。

3。1。1软启动与斩波调阻调速模式 

绕线转子电动机的启动通常是串电阻启动，在开始启动时，全部电阻接入回路，获得最大的启动转矩，在启动过程中逐段切除电阻。这旱采用80C196MC发出PWM控制信号，对IGBT进行控制，形成斩波调阻启动方式[2]。图3-2中所示功能开关Kl～K4位置，相对于双馈电机的软启动和斩波调阻调速模式，变流器II的T3、T5、T6、T2的续流二极管和D1、D2组成三相全波桥式整流电路，对电机转子绕组的输出电压进行整流，然后由T4进行斩波控制，实现电机的软启动和斩波调阻调速，其等效电路如图3-3所示。

图3-3斩波调阻启动

3。1。2 双馈调速运行模式

图3-4可实现低于同步速的双馈调速。此时多功能变流器的功能开关位置为：Kl和K4闭合，K2和K3断开。采用同样方式，可以实现高于同步速的双馈调速。低于和高于同步速的双馈调速控制，需要向转子绕组输入不同相序的电流。可以证明：当忽略电机损耗时，低于同步速双馈运行时，电机输出机械功率为定子与转子绕组输入功率之差；而对高于同步速的双馈调速，电机输出机械功率为定子与转子绕组输入功率之和。因此，高于同步速比低于同步速时的双馈调速效率要高。论文网

图3-4双馈调速

3。1。3 同步速运行模式

同步运行模式下的双馈电机，需要向转子绕组馈送直流电流，此时转子三相绕组一般采用“两并一串”联接方式。多功能变流器的功能开关位置与双馈运行模式相同，变流器以斩波同步运行模式方式控制不同桥臂的三个功率开关器件同时导通或关闭，输出可控的直流励磁电流。

3。2 控制电路总体设计

控制电路的整体图如下所示：

图3。2。1 控制电路图

控制回路主要以80C196MC为核心，Xilinx公司的CPLD器件XC9572作为键盘、显示的接口；电压、电流传感器测量电压、电流信号；驱动器IR2132驱动IGBT，串行接口芯片MAX232完成与微机的通讯；光电编码器测量电机转速；光电耦合器6N137使控制器和变流器隔离，这些器件共同组成了控制和测量装置。