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SPWM穩頻穩壓逆變電源
摘要：介紹了SPWM穩頻穩壓逆變電源的設計方案，重點分析了其測量系統，該電源設備通過取樣電機實際響應電壓Vpwm，解決了SPWM脈寬調制式變頻器與電機的匹配問題。引言
近年來，變頻器與變頻電機組成的拖動系統在生產中發揮著重要的作用。然而在使用中經常發現變頻器與變頻電機不能很好地匹配，這個問題嚴重困擾著變頻器及變頻電機的生產廠家。因此有必要研發SPWM穩頻穩壓電源，使電源頻率可調范圍為0～500Hz，電壓可調范圍為0～420V（基波）。且能顯示電機實際響應的SPWM波的電壓(Vpwm)、電流、頻率和功率等。這樣，變頻器的生產廠家就可以該電源為標準，測量出與之配套的變頻電機真實使用的電壓值、電流值、頻率值，來調校變頻器的矢量控制參數或v/f控制參數。而電機生產廠家也可根據該標準電源來調整電機的參數，使其與變頻器匹配。
圖1
1 工作原理及測量系統分析
如圖1所示，SPWM穩頻穩壓電源主電路與市面上成熟的SPWM逆變電源類似。當交流電機和一個脈寬調制變頻器一起被用于變頻調速時，設計Vpwm是為了測量交流電機有效電壓。這種類型的變頻器首先從交流源產生一個直流電壓E，被稱為直流鏈電壓。然后利用電力電子變換技術，采用脈寬調制來變換直流鏈電壓，可以得到一個三相電源系統，例如：通過IGBT在數ms內將直流電壓開關數百次，來創建頻率可調的三相電壓。然而輸出電壓并不是正弦波，而是一個恒幅值的高頻斬波波形，如圖2所示。這種電壓被送給電機，由于電機是一個大的感性負載，主要對電源電壓低頻部分作出響應，故電流波形僅具有少量的高頻成分，近似為一個正弦波。對于系統設計者和使用者，能夠測量出電機實際接收到的電壓Vpwm，檢查電機的矢量參數或v/f是否超出范圍是非常重要的。如果長時間超出電機的標稱v/f值（例如，電機在高頻、低速下運轉），電機將會發熱，甚至損壞，而產生嚴重后果。然而需要注意的是，用電壓表測量該斬波波形的電壓是有效值Vrms，而電機響應的實際有效電壓Vpwm與圖2的脈寬調制波的有效值Vrms之間存在非常大的誤差。例如某系統，當Vpwm=144V時，Vrms=192V，誤差率為（192－144）/144=33.3％
采樣經檢測系統將數據送給控制系統。控制系統通過計算基頻的整個周期的絕對平均電壓的有效值即均方根值檢測出VPWM。
例如，當載波比N=ωc/ωs取3的奇整倍數時，線電壓uab的傅立葉級數表達式為
式中：M為調制度；
m與n分別為相對于載波和調制波的諧波次數；
ωc，ωs分別為載波和調制波的角頻率。
同樣可推導出線電壓ubc及uca的方程式。顯然幅值很高的載波成分被消除掉了；載波諧波也被消除；它們的上下邊頻中的零序諧波成分也不存在了；上式中sin是消除m和n的同時為偶數或同時為奇數時的那些項。表1為uab中諧波的通用值。
表1 uab中諧波的通用值
km±n
M
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1
0.122
0.245
0.267
0.490
0.612
m±2
0.010
0.037
0.080
0.135
0.195
m±4
0.005
0.011
2m±1
0.116
0.200
0.227
0.192
0.111
2m±5
0.008
0.020
3m±2
0.027
0.085
0.124
0.108
0.038
3m±4
0.007
0.029
0.064
0.096
4m±1
0.100
0.096
0.005
0.064
0.042
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