三相正弦 脉宽调制式变频器的设计

　　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）器具有节能、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、功率电子器件而设置的，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

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