工业振动棒变频电源的研究
摘要
本文以工业用振动棒的变频电源为研究对象，主要介绍了如何采用新的方法来设计替代现有电动机带发电机运行的产品的变频电源。
本文第一章主要介绍了交流电动机变频调速技术及其相关技术的发展和应用情况，并提出本文的研究目标和主要工作。
在第二章中，主要介绍了通用变频器常采用的几种脉宽调制技术(正弦脉宽调制，电压空间矢量调制和电流追踪型脉宽调制)，其中详细介绍了后面将用到的SPWM控制技术及其数学模型，为后面所设计的变频方案提供了理论基础。
在第三章中，根据产品所要求达到的性能指标，讨论了主电路及控制电路可以采用的形式，确定了两种可实施方案，对这两种方案做了简要的分析和介绍。
在第四章中，详细介绍了第一个方案的设计过程，包括辅助开关电源电路、主电路、保护电路以及控制电路和低频变压器的参数设计，并对样机的性能进行了简要分析。
在第五章中，对第二今设计方案做了详细的介绍：包括有源功率因数校正电路、正激变换器电路和三相逆变电路三个部分，并与第一个方案进行了优缺点的比较。
在前面介绍的原理性工作的基础上，按照方案一的设计，完成了振动棒变频电源工业样机一台，经过现场实际测试，达到了设计要求，现已移交生产企业。对方案二的各个部分进行了仿真和实验，实验表明，方案二具有体积小、重量轻、输出电压稳定和电流谐波小、功率因数高等优点，预计在克服随着输出功率的增加而导致的正激变换器功率开关的电压和电流应力问题之后，按照方案二设计生产的产品将具有更高的性价比，更具市场竞争力。
论文最后，对本课题所作的工作进行了简单的总结。
The paper aim at variable-frequency power supply of vibrator for industry, and mainly introduces how to use a new method to design product in order to be instead of the current, which run as the form of electromotor-generator now.
In the first chapter, the general situation and developing tendency of variable-frequency AC motor drivers and their related techniques is presented, and main object and work of the thesis are put forward at last.
In the second chapter, Pulse Width Modulation control technology that is the key techniques of variable-frequency AC drivers is detailed introduced, which includes SPWM, SVM and Current-tracing PWM. SPWM control technology and its math model are especially deeply investigated. It provides the theory basis for designing following project.
On the basis of function target that will be reached, the form of main circuit and control circuit is discussed in chapter III. Two kinds of scheme implemented are confirmed and are briefly analyzed and introduced.
In the fourth chapter, the design course of the first project is detailed discussed. It includes main circuit, protection circuit, auxiliary switch power supply, control circuit and low-frequency transformer. In the end, the function of model inverter is briefly analyzed.
In the fifth chapter, the second project is introduced in detail, which includes Active Power Factor Correction, DC-DC converter and three-phase inverter. Its advantage and shortcoming are compared to the first project.
On the basis of what mentioned before, according to design of the first project, a model machine was finished. By the local test, it was established to be qualified. The second project is presented with simulation and experimental verifications. It has many advantages such as small bulk, low weight, steady output voltage, high power factor and low harmonic. If the shortcoming of the second project can be overcome, its FPR will be much higher and the product can reach a better selling.
At last, a simple summarize about the thesis is made.
本文第一章主要介绍了交流电动机变频调速技术及其相关技术的发展和应用情况，并提出本文的研究目标和主要工作。
在第二章中，主要介绍了通用变频器常采用的几种脉宽调制技术(正弦脉宽调制，电压空间矢量调制和电流追踪型脉宽调制)，其中详细介绍了后面将用到的SPWM控制技术及其数学模型，为后面所设计的变频方案提供了理论基础。
在第三章中，根据产品所要求达到的性能指标，讨论了主电路及控制电路可以采用的形式，确定了两种可实施方案，对这两种方案做了简要的分析和介绍。
在第四章中，详细介绍了第一个方案的设计过程，包括辅助开关电源电路、主电路、保护电路以及控制电路和低频变压器的参数设计，并对样机的性能进行了简要分析。
在第五章中，对第二今设计方案做了详细的介绍：包括有源功率因数校正电路、正激变换器电路和三相逆变电路三个部分，并与第一个方案进行了优缺点的比较。
在前面介绍的原理性工作的基础上，按照方案一的设计，完成了振动棒变频电源工业样机一台，经过现场实际测试，达到了设计要求，现已移交生产企业。对方案二的各个部分进行了仿真和实验，实验表明，方案二具有体积小、重量轻、输出电压稳定和电流谐波小、功率因数高等优点，预计在克服随着输出功率的增加而导致的正激变换器功率开关的电压和电流应力问题之后，按照方案二设计生产的产品将具有更高的性价比，更具市场竞争力。
论文最后，对本课题所作的工作进行了简单的总结。
The paper aim at variable-frequency power supply of vibrator for industry, and mainly introduces how to use a new method to design product in order to be instead of the current, which run as the form of electromotor-generator now.
In the first chapter, the general situation and developing tendency of variable-frequency AC motor drivers and their related techniques is presented, and main object and work of the thesis are put forward at last.
In the second chapter, Pulse Width Modulation control technology that is the key techniques of variable-frequency AC drivers is detailed introduced, which includes SPWM, SVM and Current-tracing PWM. SPWM control technology and its math model are especially deeply investigated. It provides the theory basis for designing following project.
On the basis of function target that will be reached, the form of main circuit and control circuit is discussed in chapter III. Two kinds of scheme implemented are confirmed and are briefly analyzed and introduced.
In the fourth chapter, the design course of the first project is detailed discussed. It includes main circuit, protection circuit, auxiliary switch power supply, control circuit and low-frequency transformer. In the end, the function of model inverter is briefly analyzed.
In the fifth chapter, the second project is introduced in detail, which includes Active Power Factor Correction, DC-DC converter and three-phase inverter. Its advantage and shortcoming are compared to the first project.
On the basis of what mentioned before, according to design of the first project, a model machine was finished. By the local test, it was established to be qualified. The second project is presented with simulation and experimental verifications. It has many advantages such as small bulk, low weight, steady output voltage, high power factor and low harmonic. If the shortcoming of the second project can be overcome, its FPR will be much higher and the product can reach a better selling.
At last, a simple summarize about the thesis is made.
引文
1．【美】B．K．博斯 姜建国译，电力电子学与变频传动技术和应用，中国矿业大学出版社，1999年9月
2．陈伯时、陈敏逊，交流调速系统，机械工业出版社，2000年11月
3．韩安荣，通用变频器及其应用，机械工业出版社，2001年5月
4．钱照明、程肇基，电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术，浙江大学出版社，2000年12月
5．陈国呈，PWM变频调速及软开关电力变换技术，机械工业出版社，2001年4月
6．张燕宾，SPWM变频调速应用技术，机械工业出版社，1999年10月
7．吴守箴，臧英杰，电气传动的脉宽调制控制技术，机械工业出版社，1999年5月
8．唐永哲，电力传动自动控制系统，西安电子科技大学出版社，1998年4月
9．许大中，交流电机调速理论，浙江大学出版社，1991年7月
10．苏开才、毛宗源，现代功率电子技术，国防工业出版社，1995年9月
11．张立、赵永健，现代电力电子技术器件、电路及其应用，科学出版社，1991年
12．高景德、王祥珩、李发海，交流电机及其系统的分析，清华大学出版社，1993年8月
13．胡存生、胡鹏，集成开关电源的设计制作调试与维修，人民邮电出版社，1995年4月
14．林渭勋，电力电子技术基础，机械工业出版社，1990年10月
15．王聪，软开关功率变换器及其应用，科学出版社，2000年1月
16．李爱文、张承慧，现代逆变技术及其应用，科学出版社，2000年9月
17．沙占友，新型特种集成电源及其应用，人民邮电出版社，1998年3月
18．张友德、赵志英、涂时亮，单片微型机原理、应用与实验，复旦大学出版社，2000年11月
19．王幸之、王雷、翟成、王闪，单片机应用系统抗干扰技术，北京航空航天大学出版社，2000年2月
20．张占松、蔡宣三，开关电源德原理与设计，电子工业出版社，1998年7月
21．欧阳红林、王湘中，混凝土振动器用200Hz发电机组研究，中小型电机，2000年第1期
22．王树林，刘美清，振动棒的振动分析，建筑机械，1996年第2期
23．苏宗康，ZN50S强力型混凝土振动棒，工程机械，2000年第11期
24．程善美、陈虎，基于80C196MC的电力机车空调逆变电源的研究，电工技术杂志，2001年第5期
25．孙涵芳，Intel 16位单片机，北京航空航天大学出版社，1995年11月
26．阮新波、严仰光，脉宽调制DC／DC全桥变换器的软开关技术，科学出版社，1999年9月
27．何希才，新型开关电源设计与应用，科学出版社，2001年2月
28．马忠梅、籍顺心、张凯、马岩，单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，1999年1月
29．王磊、孙梅生，IPM保护策略与实施电路的研究，电工技术，2000年第12期
30．赵金、杨璐，基于IPM鼠笼式异步电机交流伺服系统，电力电子技术，2000年第5期
31．Franklin／崔立君译，变压器全书，机械工业出版社，1990年7月
32．许化民、阮新波、严仰光，单极功率因数校正AC／DC变换器的综述，电力电子技术，2001年第1期
33. Emanuel,A.E.,and R.A.Dziura,"A simplified dual cycle-converter" IEEE Trans. Ind. Electron. Contr. Instrum., Vol. IECI-28,pp.249-252,1981
34. Sinclair, A. J., J. A. Ferreira, and J. D. van Wyk, "A systematic study of EMI reduction by physical converter layout and suppressive circuits" Proc. IEEE Industrial Electron. Control and Instrumentation (IECON), Maui,Hawaii,Vol.2,pp. 1059-1065,1993
35. Dos Reis, F. S. J. Sebastian, and J. Uceda "Characterization of conducted noise generation for Sepic, Cuk, and Boost converters working as power factor preregulators" Proc. IEEE Industrial Electron Control and Instrumentation(IECON), Maui,Hawaii, Vol.2,pp.965-970,1993
36. Van Der Broeck H K, Skudelny H C. "Analysis and Realization of a Pulsewidth Modulator Based on Voltage Space Vectors" IEEE Trans IA. 1988
37. Daniele M.et al. A Single Stage Power Factor Corrected AC/DC Converter. IEEE INTELEC'95,1995:783～790
38. Board D. M, Novotny D. W. "Current Control of VSI-PWM Inveter" IEEE Trans IA. 1985
39．朱新宇、沈颂华，正激功率变换器复位电路分析，电工技术杂志，2000年第9期
40．史平君，实用电源技术手册，辽宁科学技术出版社，1999年1月
41．谢运祥，IR2130驱动器及其在逆变器中的应用，微电机，2001年第2期
42．冯瀚、徐德鸿，双管正激变换器交错并联的方法比较，电源技术应用，2000年第4期
43．许化民、龚春英、严仰光，交错并联结构的双正激式DC／DC变换器，电力电子技术，1999年第4期
44．李伟、龚春英、严仰光，采用平衡绕组的半桥电流源高频链逆变器，电力电子技术，2000年第5期
45．吴福永、高效BUCK变换器的设计，电力电子技术，2001年6月
46. Kunrong Wang Fred C.lee Jason Lai "Bi-directional Full-bridge DC/DC Converter With Unified Soft-Switching Scheme" Proc. of VPEC Annual Seminar 1998,pp.143-150
47． Thomas G. Wang Xunwei Zhou Fred C.Lee "A Low Voltage High Efficiency and High Power Density DC/DC Converter" IEEE Power Electronics Specialists Conference June 22-27,1997,pp,240-245
48． Xunwei Zhou Thomas G. Wang Fred C.Lee "Optimizing Design for Low Voltage DC-DC Converter" IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition February 23-27,1997,pp.612-627
49． Barry Arbetter Dragon Maksimovic "DC-DC Converter With Fast Transient Response and High Efficiency for Low-Voltage Microprocessor Loads" IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition 1998,pp,508-512
50． I.A.EI-KASSAS, L.N.Hulley ,W.Shepherd "The Control of two or more Independent Inverters by a Single Microprocessor Board" IPEMC'97 Hangzhou, China 1997,pp.508-513
51． Y.N.Zheng.W.Y.Wu.CH.J.Zhang.Xia Qiao.B.CH.Wang " Realization Based on Microprocessor Controlled 3 Phase Reversiable Converter With Minimum Harmonic Distortion" IPEMC'97 Hangzhou, China 1997,pp.942-945
52． Li Yaohua Huang Lipei Li Fahai Jiang Jiangguo "Switching Frequency and Output Voltage of Flux PWM Control" IEEE-IE Vol.10, No.2,Feb.l991,pp.l56-162
53． Masayuki Morimoto,et al. "Single-chip Microcomputer Control of the Inveter by Magnetic Flux Control PWM Method" IEEE-IE Vol.36, No.1,Feb.1989,pp.42-47
54． Wan-Lin Sheng,Koji Munetou,Hideto Yonemori,M.Nakaoka "Instantaneous Space Voltage Vector-Controlled Three-Phase Sinewave Inveter with Improved Quasi-Resonant PWM DC Link" IEEE Trans.Power Electronics,,Vol 6,No.3,1991
55． G-Myoung Lee ,Dong-choon Lee "Implementation of Naturally Sampled Space Vector Modulation Eliminating Microprocessors" Proceedings IPEMC 2000 Vol .2,2000,pp.803-807
56． Qianzhi Zhou,Kai Zhuang ,Jugui Wang "A Novel Single-Three Phase Inverter Adopting CTA Scheme " Proceedings IPEMC 2000 Vol .2,2000,pp.980-984
2．陈伯时、陈敏逊，交流调速系统，机械工业出版社，2000年11月
3．韩安荣，通用变频器及其应用，机械工业出版社，2001年5月
4．钱照明、程肇基，电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术，浙江大学出版社，2000年12月
5．陈国呈，PWM变频调速及软开关电力变换技术，机械工业出版社，2001年4月
6．张燕宾，SPWM变频调速应用技术，机械工业出版社，1999年10月
7．吴守箴，臧英杰，电气传动的脉宽调制控制技术，机械工业出版社，1999年5月
8．唐永哲，电力传动自动控制系统，西安电子科技大学出版社，1998年4月
9．许大中，交流电机调速理论，浙江大学出版社，1991年7月
10．苏开才、毛宗源，现代功率电子技术，国防工业出版社，1995年9月
11．张立、赵永健，现代电力电子技术器件、电路及其应用，科学出版社，1991年
12．高景德、王祥珩、李发海，交流电机及其系统的分析，清华大学出版社，1993年8月
13．胡存生、胡鹏，集成开关电源的设计制作调试与维修，人民邮电出版社，1995年4月
14．林渭勋，电力电子技术基础，机械工业出版社，1990年10月
15．王聪，软开关功率变换器及其应用，科学出版社，2000年1月
16．李爱文、张承慧，现代逆变技术及其应用，科学出版社，2000年9月
17．沙占友，新型特种集成电源及其应用，人民邮电出版社，1998年3月
18．张友德、赵志英、涂时亮，单片微型机原理、应用与实验，复旦大学出版社，2000年11月
19．王幸之、王雷、翟成、王闪，单片机应用系统抗干扰技术，北京航空航天大学出版社，2000年2月
20．张占松、蔡宣三，开关电源德原理与设计，电子工业出版社，1998年7月
21．欧阳红林、王湘中，混凝土振动器用200Hz发电机组研究，中小型电机，2000年第1期
22．王树林，刘美清，振动棒的振动分析，建筑机械，1996年第2期
23．苏宗康，ZN50S强力型混凝土振动棒，工程机械，2000年第11期
24．程善美、陈虎，基于80C196MC的电力机车空调逆变电源的研究，电工技术杂志，2001年第5期
25．孙涵芳，Intel 16位单片机，北京航空航天大学出版社，1995年11月
26．阮新波、严仰光，脉宽调制DC／DC全桥变换器的软开关技术，科学出版社，1999年9月
27．何希才，新型开关电源设计与应用，科学出版社，2001年2月
28．马忠梅、籍顺心、张凯、马岩，单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，1999年1月
29．王磊、孙梅生，IPM保护策略与实施电路的研究，电工技术，2000年第12期
30．赵金、杨璐，基于IPM鼠笼式异步电机交流伺服系统，电力电子技术，2000年第5期
31．Franklin／崔立君译，变压器全书，机械工业出版社，1990年7月
32．许化民、阮新波、严仰光，单极功率因数校正AC／DC变换器的综述，电力电子技术，2001年第1期
33. Emanuel,A.E.,and R.A.Dziura,"A simplified dual cycle-converter" IEEE Trans. Ind. Electron. Contr. Instrum., Vol. IECI-28,pp.249-252,1981
34. Sinclair, A. J., J. A. Ferreira, and J. D. van Wyk, "A systematic study of EMI reduction by physical converter layout and suppressive circuits" Proc. IEEE Industrial Electron. Control and Instrumentation (IECON), Maui,Hawaii,Vol.2,pp. 1059-1065,1993
35. Dos Reis, F. S. J. Sebastian, and J. Uceda "Characterization of conducted noise generation for Sepic, Cuk, and Boost converters working as power factor preregulators" Proc. IEEE Industrial Electron Control and Instrumentation(IECON), Maui,Hawaii, Vol.2,pp.965-970,1993
36. Van Der Broeck H K, Skudelny H C. "Analysis and Realization of a Pulsewidth Modulator Based on Voltage Space Vectors" IEEE Trans IA. 1988
37. Daniele M.et al. A Single Stage Power Factor Corrected AC/DC Converter. IEEE INTELEC'95,1995:783～790
38. Board D. M, Novotny D. W. "Current Control of VSI-PWM Inveter" IEEE Trans IA. 1985
39．朱新宇、沈颂华，正激功率变换器复位电路分析，电工技术杂志，2000年第9期
40．史平君，实用电源技术手册，辽宁科学技术出版社，1999年1月
41．谢运祥，IR2130驱动器及其在逆变器中的应用，微电机，2001年第2期
42．冯瀚、徐德鸿，双管正激变换器交错并联的方法比较，电源技术应用，2000年第4期
43．许化民、龚春英、严仰光，交错并联结构的双正激式DC／DC变换器，电力电子技术，1999年第4期
44．李伟、龚春英、严仰光，采用平衡绕组的半桥电流源高频链逆变器，电力电子技术，2000年第5期
45．吴福永、高效BUCK变换器的设计，电力电子技术，2001年6月
46. Kunrong Wang Fred C.lee Jason Lai "Bi-directional Full-bridge DC/DC Converter With Unified Soft-Switching Scheme" Proc. of VPEC Annual Seminar 1998,pp.143-150
47． Thomas G. Wang Xunwei Zhou Fred C.Lee "A Low Voltage High Efficiency and High Power Density DC/DC Converter" IEEE Power Electronics Specialists Conference June 22-27,1997,pp,240-245
48． Xunwei Zhou Thomas G. Wang Fred C.Lee "Optimizing Design for Low Voltage DC-DC Converter" IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition February 23-27,1997,pp.612-627
49． Barry Arbetter Dragon Maksimovic "DC-DC Converter With Fast Transient Response and High Efficiency for Low-Voltage Microprocessor Loads" IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition 1998,pp,508-512
50． I.A.EI-KASSAS, L.N.Hulley ,W.Shepherd "The Control of two or more Independent Inverters by a Single Microprocessor Board" IPEMC'97 Hangzhou, China 1997,pp.508-513
51． Y.N.Zheng.W.Y.Wu.CH.J.Zhang.Xia Qiao.B.CH.Wang " Realization Based on Microprocessor Controlled 3 Phase Reversiable Converter With Minimum Harmonic Distortion" IPEMC'97 Hangzhou, China 1997,pp.942-945
52． Li Yaohua Huang Lipei Li Fahai Jiang Jiangguo "Switching Frequency and Output Voltage of Flux PWM Control" IEEE-IE Vol.10, No.2,Feb.l991,pp.l56-162
53． Masayuki Morimoto,et al. "Single-chip Microcomputer Control of the Inveter by Magnetic Flux Control PWM Method" IEEE-IE Vol.36, No.1,Feb.1989,pp.42-47
54． Wan-Lin Sheng,Koji Munetou,Hideto Yonemori,M.Nakaoka "Instantaneous Space Voltage Vector-Controlled Three-Phase Sinewave Inveter with Improved Quasi-Resonant PWM DC Link" IEEE Trans.Power Electronics,,Vol 6,No.3,1991
55． G-Myoung Lee ,Dong-choon Lee "Implementation of Naturally Sampled Space Vector Modulation Eliminating Microprocessors" Proceedings IPEMC 2000 Vol .2,2000,pp.803-807
56． Qianzhi Zhou,Kai Zhuang ,Jugui Wang "A Novel Single-Three Phase Inverter Adopting CTA Scheme " Proceedings IPEMC 2000 Vol .2,2000,pp.980-984