通用变频器设计--合肥工业大学学士学位论文

（1）PAM方式即脉冲幅值调制，通过改变DC电压幅值来改变输出电压，在这样的变频器中，逆变器并不改变输出电压，只改变频率，输出电压的改变是通过控制DC电压值来进行控制的。这种控制通常有直流斩波器或者相控整流来进行。
（2）PWM方式脉冲宽度调制，这种变频器整流环节通常使用不可控整流器，输出的频率和电压均由三相逆变器来控制，本文所设计的变频器就属于这种，SPWM方式是最常用的一种方案。
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2.1
通用变频器可以分成AC-AC和AC-DC-AC两种类型，AC-AC变频器是将交流电流直接转换为U、f均可调节的电流，可以称之为直接式变频器。AC-DC-AC变频器是将AC电转为DC电以后再通过逆变器转化为AC电，其U、f可以通过对逆变器进行控制来调节，所以被称为间接式变频器。虽然AC-AC变频器少了一个直流环节，但是其所需要的元件数并不比AC-DC-AC变频器少，所以通常大部分变频器均为AC-DC-AC变频器，本文所设计的也是这种间接式变频器。
直流调速系统具备优良的动静态特性，曾长期电动调速领域。虽然直流电动机调速调速特性优良，但其存在一些难以克服的缺点，加之近年来电力电子器件的发展，使得变频调速逐渐为人所重视。工农业应用最多的是三相感应电动机，价格较低而且方便维修保养。异步电动机相较于直流电动机，由于没有换向器的存在，使得寿命更长，容易应用于大功率场合，但缺点也是显而易见的，控制性能不如直流调速，近来交流调速技术有了深远发展，极为引人注目的是变频技术的发展，变频器等一系列电力电子装置和交流调速理论的发展使得交流电动机在调速性能方面追赶上来。
电动机是工农业各方面的主要动力装置，电机类负载占总发电量的一半以上，是耗电量最大的装置。综上所述，研究通用变频器具有极其深远的意义。
1.2
变频电源装置体积越来越小，功能不断增加，变频器的开关频率越来越高。如今以来计算机的巨大运算能力，不断增强了变频器的灵活性。
采用自关断功率器件作为主开关器件的正弦调制变频器已经成为通用变频器的主流。国外方面，变频器技术以日德最好。国内引进的变频调速装置也以德日生产的为主。
关键词：通用变频器；DSP；恒压频比控制；硬件设计
The Design of General Inverter
Abstract:General inverter is widely applied in variable frequency speed regulating device, and it has extremely important meaning for various industries. This paper introducedthe operatingprinciples of the general invertersas well as the main classifications,Ioverviewedof the current situation of development in the field of frequency converter.Based on 15 kw power design, software and hardware design of general inverter is presented. Hardware design mainly consists of main circuit design, main circuit power device parameter design, sampling circuit, drive circuit, DSP dual power supply circuit design, the protection circuit design.Software design including the design of software structure, the application process and the working process is introduced in detail.TMS320F2812 is the control core of the general inverter, itadopts the U/f control mode.Frequency controlis aopen loop,The output voltage control isdouble closed loop control, theinductor current loopas theinner ring,the voltage loop as the outer ring.The inverter adopts the structure of AC - DC - AC, DC filter is capacitance.The general inverterbelongs to the voltage type inverter.Anditadopts SPWM modulation method, tend to make the output voltage waveform sine wave.
(1)调速范围广，通用变频器的最低工作频率可以低至0.5HZ，如果额定的频率fN=50HZ的话，则在额定转速之下，调速范围可达50/0.5=100。
(2)调节平滑性好，现今调速控制多用数字控制系统，可以近似等效为无极调速系统。
(3)动静态性能均可与DC调速不相上下。经济性方面明显优于直流调速系统，故障率明显低于直流调速系统。
Keywords:Design of general inverter; DSP; constant voltage frequency ratio control;hardware design
1
1.1
调速对于工农业生产具有非常重要的意义，各行各业的生产机械种类繁多，对调速的具体要求和目的也千差万别，但总体来讲，调速的意义主要有以下三方面：
2.2
需要说明的是这里的分类是针对AC-DC-AC式变频器。
2.2.1按直流环节储能元件的性质分类
由于变频器的输出接电机类负载，所以在负载和直流电源之间会有无功交换，这的用来缓冲无功功率的元件可以选择电容也可以选择电感，这样，可分为电压型和电流型。
电流型变频器如图2.2所示，由于大电感的存在，直流环节的电流Id会趋于平稳，这种直流电源一般内阻比较大，相当于电流源。电流型变频器为120°导电方式，即每个周期内开关器件工作120°。
（4）变频器的应用愈加广泛。变频电源装置已发展至数字控制阶段。功能不断增强。起初变频器只是应用于风机等调速要求不高的场合，到现在，其应用领域已经不断扩大，机械搬运，带动反抗性负载，金属加工机械，农用机械，各类家用电器等等，应用范围广泛而且仍在不断扩大。
1.3
本文以15KW为设计功率等级，设计了相关硬件电路,确定了软件结构及主要流程。硬件设计主要包括有主电路设计、主电路功率元件参数设计、采样电路设计、驱动电路设计、DSP双电源电路设计、保护电路设计。软件设计包括软件设计、各个程序详细流程以及工作过程介绍。该通用变频器以TMS320F2812为控制核心，采用U/f控制方式，频率控制上为开环控制，输出电压采用双闭环控制,即外电压环,内电流环。该变频器属于交-直-交结构，直流滤波元件为电容，属于电压型变频器，同时采用SPWM调制方式，使得输出电压波形趋向于正弦波。
（1）提高产品质量。例如金属切削机床在为提高工件的光洁成都而进行的精加工时需要控制切削速度。速度的调节关系到品控，十分重要。
（2）提高工作效率。例如龙门刨床在从刨台返回的时候是不做工的，所以人们希望能够加快行进速度以提升生产效率节约人工成本。
（3）节约能源。对于泵类负载和鼓风机等负载Байду номын сангаас如果能够调节转速以适应生产需要，其节能效果是非常显著的。
通用变频器设计
摘要：通用变频器广泛应用于变频调速系统，对于各行业具有极其重要的意义。本文概括介绍了变频器领域的发展现状,介绍了通用变频器的工作原理以及主要分类。本文以15KW为设计功率等级，设计了相关硬件电路,确定了软件结构及主要流程。硬件设计主要包括有主电路设计、主电路功率元件参数设计、采样电路设计、驱动电路设计、DSP双电源电路设计、保护电路设计。软件设计包括软件设计、各个程序详细流程以及工作过程介绍。该通用变频器以TMS320F2812为控制核心，采用U/f控制方式，频率控制上为开环控制，输出电压采用双闭环控制,即外电压环,内电流环。该变频器属于交-直-交结构，直流滤波元件为电容，属于电压型变频器，同时采用SPWM调制方式，使得输出电压波形趋向于正弦波。
通用变频器的构成如下图所示，通常是由主电路、控制电路、采样电路构成。现将其结构分述如下：
图2.1通用变频器基本结构
（1）整流环节交流侧的整流器将三相交流电变为直流电。
（2）中间直流环节中间DC环节的作用是缓冲电机与电网之间的无功功率，通常在这一环节会有储能器件，电压型变频器选用电容，电流型变频器选用电感。
上世纪80年代，通用变频器开始逐渐产品化，随着计算机技术的发展，数字控制已经成为主流，大致可由以下几方面来述说。
（1）容量逐渐增大。80年代初PWM变频器容量尚且不大，到90年代容量已经可以达到几百千伏安的规模，部分产品已经开始系列化，随后由于IGBT被大规模采用，单机容量迅猛上升，达到1800KVA。
2.
由相关电机知识可以知道，感应电动机的转速为：
（2-1）
可以知道，变频器改变同步转速，以此来控制电机转速。在这样的调节方式下，我们对电机进行转速调节时，希望能电机的主磁通位于额定值而且不变，因为这样可以最大程度利用铁芯，那究竟如何才能保持主磁通不变呢，下面进行阐述：
电压型变频器如图2-3所示，由于大电容的存在，直流环节的电压Ud会趋于平稳，相当于电压源，电压型变频器由此得名。这种变频器为180°导电方式。
图2.2电流型变频器结构
图2.3电压型变频器结构
2.2.2按电压调节方式分类
变频调速需要同时改变输出电压频率，这样引申出对输出电压调节的两种方式：PAM和PWM方式。
异步电动机主要分为绕线式电机和鼠笼式电机，其转速公式如下：
n=60f(1-s)/p（1-1）
式中，f—电源频率;
P—电动机磁极对数;
s—转差率;
从公式可以看出，所以可以通过控制频率f、磁极对数p和转差率s来改变电机转速。但是改变磁极对数只能实现有级调速，不能实现无级调速，改变s实现调速虽然可以无级调速，但是代价相当昂贵，需要耗损一定能量，通过以上分析可以知道，通过改变电源频率来进行调速是最经济合理的调速方案。这也是本文所要完成的任务，迄今为止，已能和直流电动机的调速性能相比肩，其主要特点有以下四点：
（2）变频器小型化。由于电路集成技术的应用，主电路中IPM等集成功率模块的产生，变频电源装置体积不断减小，很多公司的产品，经历一次改型就将大小缩小至原来的一半。尤其是IPM模块的出现，它的抗干扰能力非常强，由于保护电路和检测电路实际距离非常短，其响应非常迅速且可靠，未来中小型变频电源装置可能会广泛采用。
（3）控制电路控制电路的核心是控制芯片，其中辅助电路包括采样电路、保护汇集电路、IGBT驱动电路等等。控制电路的作用是对逆变器输出电压、输出频率进行调节。控制芯片通常采用DSP或者单片机。可以采用模拟控制，亦可以采用数字控制，近年来全数字控制基本已经得到普及。
（4）逆变环节逆变器有很多种不同的结构，通用变频器里常用的是三相桥式逆变电路，由六个开关器件组成。变频器控制的核心其实也就是对逆变器的控制，再进一步，是对IGBT的驱动波形进行控制。
（3）多功能化。控制技术和电力电子元件的发展，使得变频装置越来越高精，尤其是计算机技术的应用，为这种发展提供了巨大助力，丰富的软件功能使得装置功能日益强大。现在32位DSP已经普及，全数字控制变频电源已经完全可以实现，目前已经能够实现精确转矩控制，最新的变频器已经采用了“精简指令集计算机”（RISC），可以使得指令执行时间大大减小。正是由于全数字控制的实现，通用变频装置的性能不断增强，甚至同一个变频装置可以融合多种控制方式，安川公司的VS616-G7具有五种不同的控制方式，用户可以通过面板设定来更改模式选择。