1、異步電動機變頻調速控制系統設計畢業設計論文 畢業論文(設計)材料 題 目:異步電動機變頻調速控制系統設計 學生姓名: xxx 學生學號: xxxxxxxxx 系 別:電氣信息工程學院 專 業: 自動化 屆 別: 2021屆 指導教師: xxx 畢業論文(設計)誠信聲明 本人聲明:所呈交的畢業論文(設計)是在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果,論文中引用他人的文獻、數據、圖表、資料均已作明確標注,論文中的結論和成果為本人獨立完成,真實可靠,不包含他人成果及已獲得 或其他教育機構的學位或證書使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何奉獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。論文(設

2、計)作者簽名: 日期: 年月日畢業論文(設計)版權使用授權書 本畢業論文(設計)作者同意學校保存并向國家有關部門或機構送交論文(設計)的復印件和電子版,允許論文(設計)被查閱和借閱。本人授權青島農業大學可以將本畢業論文(設計)全部或局部內容編入有關數據庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本畢業論文(設計)。本人離校后發表或使用該畢業論文(設計)或與該論文(設計)直接相關的學術論文或成果時,單位署名為 。論文(設計)作者簽名: 日期:年 月 日指 導 教 師 簽 名: 日期:年 月 日異步電動機變頻調速控制系統設計學生:xxx指導教師:xxx摘 要:本文對變頻調速理論、逆變技

3、術、SPWM產生原理進行了研究,在此根底上設計了一種新型數字化三相SPWM變頻調速系統,以8051控制專用集成芯片 SA4828為控制核心,采用IGBT作為主功率器件,同時采用EXB840構成IGBT的驅動電路,整流電路采用二極管,可使功率因數接近1,并且只用一級可控的功率環節,電路結構比擬簡單。本文在控制上采用恒控制,同時,軟件程序使得參數的輸入和變頻器運行方式的改變極為方便,新型集成元件的采用也使得它的開發周期短。此外,本文對SA4828三相SPWM波發生器的使用和編程進行了詳細介紹,完成了整個系統控制局部的軟硬件設計。關鍵字:變頻調速;正弦脈寬調制;控制;SA4828波形發生器 Indu

4、ction motor speed-adjusted system designThe student:xxxThe teacher:xxxxxxElectronic information and engineering institute from Huainan Normal UniversityAbstract:This thesis has a research on these technologies: Variable Voltage Variable Frequency motor drive, inverter, and the creation principle of

5、SPWM, Based on the results of the study, I designed a system of a new digital three phases VVVF motor drive system. It uses ASIC-SA4828 controlled by 8051 as main controlling core, it uses IGBT as power device, and uses EXB840 as drive. It uses diodes as converting circuit unit, which makes power fa

6、ctor close to 1. Because I only need to control inverter, the whole circuit is very simple.I adopt the means of linear operation. At the same time, it is very convenient to input parameters or change the drives operating mode due to the software procedure. Moreover, owing to the advantages of the ne

7、w integrated parts, it costs less time to develop this motor drive.This thesis has also detail introduced the method of the usage and the programs of the three phases SPWM wave generator SA4828. The software and the hardware of the control part in system have been completed.Keywords: variable freque

8、ncy speed control;Sine Pulse Width Modulation SPWM;operation; SA4828 Wave Generator目 錄第一章 緒論31 課題的研究現狀和意義32 變頻器的動態開展趨勢4第二章 方案設計52.1 變頻器的主電路方案52.2 系統的原理框圖62.3 電動機原始參數72.4 異步電機的工作原理82.4.1 異步電機的等效電路82.4.2 異步電機的轉矩92.4.3 異步電機的機械特性102.4.4 異步電機變頻調速原理112.5 變頻調速的控制方式122.5.1 比恒定控制12第三章 變頻器主電路173.1主電路的工作原理173.

9、2主電路各局部設計183.2.1交直電路設計18 直交電路設計183.2.3主電路工作原理193.2.4 主電路參數計算213.3 IGBT及驅動模塊介紹223.3.1 IGBT簡介及驅動223.3.2 EXB840的內部結構233.3.2 IGBT驅動電路24第四章 控制回路254.1 驅動電路254.1.1 SPWM調制技術254.1.2 SPWM波生成芯片特點和引腳274.1.3 SA4828結構及工作原理284.2 保護電路304.2.1 過、欠壓保護電路設計304.2.2 過流保護設計324.3 控制系統的實現33第五章 變頻器軟件設計355.1 流程圖355.2 SA4828的編程

10、365.2.1 初始化存放器編程365.2.2 控制存放器編程385.3 程序設計39第六章 結論48致謝49參考文獻49第一章 緒論1 課題的研究現狀和意義近年來,電動機作為主要的動力設備被廣泛的應用于工農業生產、國防科技、日常生活等各個方面,其負荷約占總發電量的60%-70%,成為用電量最多的電氣設備,根據采用的控制方式不同,電動機分為直流電動機和交流電動機兩大類。其中交流電動機形式多樣,用途各異,擁有數量最多。交流電動機又分為同步電動機和異步電動機兩大類,根據統計,交流電動機用電量占電機總用電量的85%左右,可見交流電動機應用的廣泛性及其在國民生產中的重要地位。電動機作為把電能轉換為機械

11、能的主要設備,在實際應用中,一是要使電動機具有較高的機電能量轉換效率;二是根據生產機械的工藝要求控制和調節電動機的旋轉速度。電動機的調速性能的好壞對提高產品質量,提高勞動生產率和節省電能有著直接的決定性影響。眾所周知,直流電動機的轉速容易控制和調節,采用轉速電流雙閉環直流調速系統可獲得優良的靜動態調速特性。因此長期以來,在變速傳動領域中,直流調速一直占據主導地位。但是,由于直流電動機的機械式換向器和電刷存在著諸多弱點,因此有時直流調速也受到限制。然而,采用無換向器的交流電動機組成的交流調速系統代替直流調速系統可以突破這些限制,滿足生產開展對調速、傳動的各種不同的要求。20世紀60年代以后,由于

12、生產開展的需要和節省電能的要求,促使世界各國重視交流調速技術的研究和開發。尤其是20世紀70年代以后,由于科學技術的迅速開展為交流調速的開展創造了極有利的技術條件和物質根底。大致表達在一下四個方面:1、電力電子的蓬勃開展促進了交流技術的迅速開展和交流調速系統裝置的現代化。2、脈寬調制(PWM)技術的開展與研究。3、矢量交換控制技術的誕生和開展,奠定了現代交流調速系統高性能化的根底。4、微型計算機控制技術與大規模集成電路的迅速開展和廣泛應用為現代交流調速系統提供了技術手段和保障異步電機可以采用調壓調速、改變極對數調速、串電阻調速、變頻調速等。在交流調速諸多方式中,變頻調速是最有開展前途的一種交流

13、調速方式,也是交流調速的根底和主干內容,變頻裝置有交?直?交系統和交?交系統兩大類。交?直?交系統在傳統電壓型和電流型變頻器的根底上正向著脈寬調制PWM型變頻器和多重化技術方向開展,而交?交變頻器應用于低速大容量可逆系統上升趨勢現代電力電子、微電子技術和計算機技術的飛速開展,以及控制理論的完善、各種工具的日漸成熟,尤其是專用集成電路、DSP和FPGA近來令人矚目的開展,促進了交流調速的不斷開展。目前異步電機變頻調速控制已經成為一門集電機、電力電子、自動化、計算機控制和數字仿真為一體的新興學科。交流調速技術的開展過程說明,現代工業生產及社會開展的需要推動了交流調速的飛速開展;現代控制理論、電力電

14、子技術的開展和應用,微機控制技術及大規模集成電路的開展和應用為交流調速的飛速開展創造了技術和物質條件。實踐證明,交流調速系統的應用為工農業生產及節省電能方面帶來了巨大的經濟和社會效益。現在,交流調速系統正在逐步的代替直流調速系統,交流調速系統在電氣傳動領域占據統治地位已是不爭的事實。 總之,交流電機調速技術的開展,特別是變頻器傳動本身固有的優勢,必將使之應用于社會生產的各個領域,以表達出不同的功能,到達不同的目的,收到相應的效益。因此,本論文通過對變頻器的研究,對于交流變頻調速系統理論的應用,有著實際的意義和一定的應用價值。 本設計所設計的題目屬于間接變頻調速技術。它主要包括整流局部、逆變局部

15、、控制局部及保護局部等。逆變環節為三相SPWM逆變方式。 2 變頻器的動態開展趨勢 隨著變頻技術的不斷的開展,通用變頻器以其優異的控制性能現已在調速領域、工業領域及家電產品中得到迅速推廣。此外,變頻技術和變頻器制造己經從傳統的拖動技術中別離出來,現已成為各國在工業自動化和機電一體化領域中爭強占先的陣地,而興旺國家更是在該技術領域投入了極大的人力、物力、財力,逐步向高新技術行業開展。 近年來,電力電子器件的基片已從Si(硅)變換為SiC(碳化硅),使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優點;并制造出體積小、容量大的驅動裝置;永久磁鐵電動機也正在開發研制之中。隨著IT技術的迅速普及,以及人類

16、思維理念的改變,變頻器相關技術的開展迅速,未來主要朝以下幾個方面開展:(1)網絡智能化 智能化的變頻器可以進行故障自診斷、遙控診斷以及部件自動置換,從而保證變頻器的長壽命。利用互聯網可以實現多臺變頻器聯動等綜合管理控制系統。(2)專業化和一體化 變頻器的制造專業化,可以使變頻器在某一領域的性能更強,如風機、水泵、電梯、起重機械和張力控制專用變頻器等。此外變頻器與電動機一體化的開展趨勢,使變頻器成為電動機的一局部,逐漸向體積小、易控制的方向開展。(3)適應新能源 以太陽能和風力為能源的燃料電池以其低廉的性能已得到廣泛的應用。這些發電設備的最大特點是容量小而分散,將來的變頻器就要適應這樣的新能源,

17、既要高效,又要低耗。隨著電力電子技術、微電子技術和現代控制技術的快速開展,變頻調速傳動技術也隨之取得了日新月異的進。主要表現在交流調速裝置的大容量化、變頻器的高性能化和多功能化、結構的小型化等方面。 第二章 方案設計2.1 變頻器的主電路方案 變頻器最早是用旋轉發電機組作為可變頻率電源供應交流電動機。隨著電力半導體器件的開展,靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。靜止式變頻器從變換環節分為兩大類:交-直-交變頻器和交-交變頻器。 (1)交-交型變頻器:是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率可調電壓的交流電(轉換前后的相數相同),又稱直接式變頻器。由于中間不經過直流環節,不需換流,故效率很高

18、。因而多用于低速大功率系統中,如回轉窯、軋鋼機等。但這種控制方式決定了最高輸出頻率只能到達電源頻率的1/31/2,所以不能高速運行。 (2)交-直-交型變頻器:是先把工頻交流通過整流器變成直流,然后再直流變換成頻率電壓可調的交流,又稱間接變頻器,交-直-交變頻器是目前廣泛應用的通用變頻器。它根據直流局部電流、電壓的不同形式,又可分為電壓型和電流型兩種: 電流型變頻器:是中間直流環節采用大電感器作為儲能環節來緩沖無功功率,即扼制電流的變化,使電壓波形接近正弦波,由于該直流環節內阻較大,故稱電流源型變頻器。 電壓型變頻器:是中間直流環節的儲能元件采用大電容器作為儲能環節來緩沖無功功率,直流環節電壓

19、比擬平穩,直流環節內阻較小,相當于電壓源,故稱電壓型變頻器。 由于交-直-交型變頻器是目前廣泛應用的通用變頻器,作為電壓源向交流電動機提供交流電功率,所以其主要優點是運行幾乎不受負載的功率因數或換流的影響,它主要適用于中、小容量的交流傳動系統。所以本次設計中選用此種間接變頻器,在交-直-交變頻器的設計中,雖然電流型變頻器可以彌補電壓型變頻器在再生制動時必須參加附加電阻的缺點,并有著無須附加任何設備即可以實現負載的四象限運行的優點,但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優點,在本次設計中采用電壓型變頻器。2.2 系統的原理框圖交直交變頻器由以下幾局部組成,如圖1.1所示。圖1.1 系統原理框圖系統各

20、組成局部簡介: 供電電源:電源局部因變頻器輸出功率的大小不同而異,小功率的多用單相220V,中大功率的采用三相380V電源。因為本設計中采用中等容量的電動機,所以采用三相380V電源。 整流電路:整流局部將交流電變為脈動的直流電,必須加以濾波。在本設計中采用三相不可控整流。它可以使電網的功率因數接近1。 濾波電路:因在本設計中采用電壓型變頻器,所以采用電容濾波,中間的電容除了起濾波作用外,還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用,消除干擾。逆變電路:逆變局部將直流電逆變成交流電。本設計采用三相橋逆變,開關器件選用全控型開關管IGBT。 電流電壓檢測:采集直流端信號,作為過壓、欠壓、過流保護信號。

21、控制電路:采用8051單片機和SPWM波生成芯片SA4828,控制電路的主要功能是接受各種設定信息和指令,根據這些指令和設定信息形成驅動逆變器工作的信號。這些信號經過光電隔離后去驅動開關管的關斷。2.3 電動機原始參數本設計采用中等容量的電動機,具體數據如下:額定功率:;額定電壓:;額定電流:;額定轉速:;效 率:; 功率因數:cos0.85;過載系數:2.2; 電壓波動:10%;極 對 數:P2。2.4 異步電機的工作原理 2.4.1 異步電機的等效電路 異步電動機的轉子能量是通過電磁感應而得來的。定子和轉子之間在電路上沒有任何聯系,其電路如圖2.1。圖2.1異步電動機的定、轉子圖圖2.1中

22、參數:?定子的相電壓;?定子的相電流; ?定子每相繞組的電阻和漏抗; 、分別是轉子電路產生的電動勢、電流、漏電抗;?每相定子繞組反電動勢,它是定子繞組切割旋轉磁場而產生的。其有效值可計算如下: (2-1) 式中: ?氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值;?定子頻率; ?定子每相繞組中串聯匝數;?基波繞組系數;?極氣隙磁通。 由電動機的根底知識可知:轉子回路的頻率 ,與轉差率成正比,所以轉子回路中的各電量也都與轉差率成正比。 為了方便定量分析定、轉子之間的各種數量關系,將定子、轉子放在同一個電路。根據電機學原理,在以下假定條件下:a.忽略空間和時間諧波,各繞組的自感和互感都是線性的;b.忽略磁飽

23、和;c.忽略鐵損。可以得到電動機的T形等效電路圖,由于交流異步電動機三相對稱,所以現只取A相進行計算分析。A相的T形等效電路如圖2.2所示。 圖2.2 電動機的T形等效電路圖圖2.1中參數:?勵磁電阻,是表征異步電動機鐵心損耗的等效電阻; ?勵磁電抗,是表征鐵心磁化能力的一個參數; ?勵磁電流;?機械負載的等效電阻,在在上消耗的功率就相當于異步電動機輸出的機械功率; 等參數?經過折算后的轉子參數。2.4.2 異步電機的轉矩 (1)電磁轉矩的表達式 (2-2)式中 的單位為KW;的單位是;T的單位是。 (2)電磁轉矩的物理表達式(2-3)式中 ?轉矩常數; ?主磁通。 (3)電磁轉矩的參數表達式

24、 (2-4) 式中 ?磁極對數;?電源的相電壓;?電源頻率。2.4.3 異步電機的機械特性 機械特性是指電動機在運行時,其轉速與電磁轉矩之間的關系,即,它可由(2-3)所決定的曲線變換而來。異步電動機工作在額定電壓、額定頻率下,由電動機本身固有的參數所決定的曲線,叫做電動機的自然機械特性。圖2.3 異步電動機機械特性曲線只要確定曲線上的幾個特殊點,就能畫出電動機的機械特性。 理想空載點 圖2.3中的E點,電動機以同步轉速運行(0),其電磁轉矩T0。 起動點 圖2.3中的S點,在起動點電動機已接通電源,但尚未起動。對應這一點的轉速=0(s=1),電磁轉矩稱起動轉矩,起動是帶負載的能力一般用起動倍

25、數來表示,即。式中,為額定轉矩。 臨界點 臨界點K是一個非常重要的點,它是機械特性穩定運行區和非穩定區的分界點。電動機運行在K點時,電磁轉矩為臨界轉矩,它表示了電動機所有能產生的最大轉矩,此時的轉差率叫臨界轉差率,用表示。、根據式(2-3)用求極值的方法求出,即:由=0,可得: (2-4) (2-5) 電動機正常運行時,需要有一定的過載能力,一般用表示,即= (2-6) 普通電動機的=2.02.2之間,而對某些特殊用電動機,其過負載能力可以更高一些。 上述分析說明:的大小影響著電動機的過載能力,越小,為了保證過載能力不變,電動機所帶的負載就越小。由知:越小,越大,機械特性就越硬。因此在調速過程

26、中,、的變化規律常常是關注的重點。.4 異步電機變頻調速原理 交流調速是通過改變電定子繞組的供電的頻率來到達調速的目的的,但定子繞組上接入三相交流電時,定子與轉子之間的空氣隙內產生一個旋轉的磁場,它與轉子繞組產生感應電動勢,出現感應電流,此電流與旋轉磁場相互作用,產生電磁轉矩。使電動機轉起來。電機磁場轉速稱為同步轉速,用表示: (2-7) 式中:為三相交流電源頻率,一般是50Hz;為磁極對數。當1是,3000r/min;2時,1500r/min。 由上式可知磁極對數越多,轉速就越慢,轉子的實際轉速比磁場的同步轉速要慢一點,所以稱為異步電動機,這個差異用轉差率表示:(2-8)在加上電源轉子尚未轉

27、動瞬間,0,這時1;啟動后的極端情況,那么0,即在01之間變化,一般異步電動機在額定負載下的 1%6%。綜合(2-7)和(2-8)式可以得出: (2-9) 由式(2-9)可以看出,對于成品電機,其極對數已經確定,轉差率的變化不大,那么電機的轉速與電源頻率成正比,因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉速,進而到達異步電機調速的目的。2.5 變頻調速的控制方式2.5.1 比恒定控制 比恒定控制是異步電動機變頻調速中最根本的控制方式。它是在改變變頻器輸出電壓頻率的同時改變輸出電壓的幅值,以維護電機磁通根本恒定,從而在較寬的調速范圍內,使電動機的效率、功率因數不下降。控制是目前通用變頻器中廣泛采

28、用的控制方式。 三相交流異步電動機在工作過程中鐵心磁通接近飽和狀態,從而使鐵心材料得到充分的利用。在變頻調速的過程中,當電動機電源的頻率發生變化時,電動機的阻抗將隨之變化,從而引起勵磁電流的變化,使電動機出現勵磁缺乏或勵磁過強。在勵磁缺乏時電動機的輸出轉矩將降低,而勵磁過強時又會使鐵心中的磁通處于飽和狀態,是電動機中流過很大的勵磁電流,增加電動機的功率損耗,降低電動機的效率和功率因數。因此在改變頻率進行調速時,必須采取措施保持磁通恒定為額定值。 由電機理論知道,電機定子的感應電勢有效值是: 那么 即 (2-10) 另外,電機的電磁轉矩為: (2-11) 其中 ?與電動機有關的常數;Cos?轉子

29、每相電路功率因數; ?轉子電壓與電流的相位差;?電機的電磁轉矩。 由式2-10推斷,假設不變,當定子電源頻率增加,將引起氣隙磁通減小;而由式2-11可知,減小又引起電動機電磁轉矩減小,這就出現了頻率增加,而負載能力下降的情況。在不變時,而定子電源頻率減小,又將引起增加,增加將導致磁路飽和,勵磁電流升高,從而導致電動機發熱,嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。由以上情況可知:變頻調速時,必須使氣隙磁通不變。因此,在調節頻率的同時,必須對定子電壓進行協調控制,但控制方式隨運行頻率在基頻以下和基頻以上而不同。(1)基頻以下調速 由式2-10可知,要保持不變,當頻率從額定值向下調節時,必須同時降低,使常值

30、。只要保持為常數,就可以到達維持磁通恒定的目的。因此這種控制又稱為恒磁通變頻調速,屬于恒轉矩調速方式。根據電機端電壓和感應電勢的關系式:2-12式中: -定子相電壓;-定子電阻; -定子阻抗;-定子電流。 當電機在額定運行情況下,電機定子電阻和漏阻抗的壓降較小,和可以看成近似相等,所以保持常數即可。 由于比恒定調速是從基頻向下調速,所以當頻率較低時,與 都變小,定子漏阻抗壓降主要是定子電阻壓降不能再忽略。這種情況下,可以人為地適當提高定子電壓以補償電阻壓降的影響,使氣隙磁通根本保持不變。變頻后的機械特性如圖2.4所示。圖2.4 電動機低于額定轉速方向調速時的機械特性 從圖2.4中可以看出,當電

31、動機向低于額定轉速方向調速時,曲線近似平行地下降,減速后的電動機仍然保持原來較硬的機械特性;但是臨界轉矩卻隨著電動機轉速的下降而逐漸減小,這就是造成了電動機負載能力的下降。 臨界轉矩下降的原因可以如下解釋:為了使電動機定子的磁通量保持恒定,調速時就要求感應電動勢與電源頻率的比值不變,為了使控制容易實現,采用電源電壓來近似代替,這是以忽略定子阻抗壓降作為代價,當然存在一定的誤差。顯然,被忽略的定子阻抗壓降在電壓中所占的比例大小決定了它的影響。當的數值相對較高時,定子阻抗壓降在電壓中所占的比例相對較小,所產生的誤差較少;當的數值較低時,定子阻抗壓降在電壓中所占的比例下降,而定子阻抗的壓降并不按同比

32、例下井,使得定子阻抗壓降在電壓中的比例增大,已經不能再滿足。此時如果仍以代替,將帶來很大的誤差。因為定子阻抗壓降所占的比例增大,使得實際上產生的感應電動勢減小,的比值減小,造成磁通量減小,因而導致電動機的臨界轉矩的下降。 變頻后機械特性的降低將是電動機帶負載能力減弱,影響交流電動機變頻調速的使用。一種簡單的解決方法就是所示的轉矩補償法。轉矩補償法的原理是:針對頻率降低時,電源電壓成比例地降低引起的的下降過低,采用適當的提高電壓的方法來保持磁通量恒定,使電動機轉矩上升,因此,有些變頻器說明書又稱它為轉矩提升(Torque Boost)。帶定子壓降補償的壓頻比控制特性示于圖2.5中的b線,無補償的

33、控制特性那么為a線。 定子降壓補償只能補償于額定轉速方向調速時的機械特性,而對向高于額定轉速方向調速時的機械特性不能補償。圖2.5 壓頻比控制特性曲線 補償后的機械特性曲線如圖2.6所示。 圖2.6 補償后的機械特性曲線 (2)基頻以上調速 在基頻以上調速時,頻率可以從額定頻率向上增高,但是電壓卻不能超出額定電壓,由式(2-10)可知,這將迫使磁通與頻率成反比例降低。這種調速方式下,轉子升高時轉矩降低,屬于恒功率調速方式。變頻后的機械特性如圖2.7所示。圖2.7 電動機高于額定轉速方向調速時的機械特性 當電動機向高于額定轉速方向調速時,曲線不僅臨界轉矩下降,而且曲線工作段的斜率開始增大,使得機

34、械特性變軟。 造成這種現象的原因是:當頻率升高時,電源電壓不可能相應升高。這是因為電動機繞組的絕緣強度限制了電源電壓不能超過電動機的額定電壓,所以,磁通量將隨著頻率的升高反比例下降。磁通量的下將使電動機的轉矩下降,造成電動機的機械特性變軟。 以上調速方式相應的特性曲線如圖2.8所示。注:圖中曲線1?在低頻時沒有定子降壓補償的壓頻曲線和主磁通曲線 圖中曲線2?在低頻時有定子降壓補償的壓頻曲線和主磁通曲線比恒定控制存在的主要問題是低速性能差。其原因一方面是低速時定子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿足,所以仍按比恒定控制就不能保持電機磁通恒定,而電機磁通的減小勢必會造成電機的電磁轉矩減小。另一方面原

35、因是低速時逆變器橋臂上、下開關元件的導通時間相對較短,電壓下降,而且它們的互鎖時間也造成了電壓降低,從而引起轉矩脈動,在一定條件下這將會引起轉速、電流的振蕩,嚴重時會導致變頻器不能運行。第三章 變頻器主電路 變頻調速實際上是向交流異步電動機提供一個頻率可控的電源。能實現這個功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩局部組成:主電路和控制電路,其中主電路通常采用交-直-交方式,先將交流電轉變為直流電整流,濾波,再將直流電轉變為頻率可調的交流電(逆變)。 本設計中采用圖3.1的主電路。圖3.1 電壓型交直交變頻調速主電路380V513V。濾波電容濾除整流后的電壓波紋,并在負載變化時保持電壓平穩。 當變頻器通

36、電時,濾波電容的充電電流很大,過大的沖擊電流可能會損壞三相整流橋中的二極管,為了保護二極管,在電路中串入限流電阻,從而使電容的充電電流限制在允許的范圍內。當充電到一定程度,使閉合,將限流電阻短路。 在許多下新型的變頻器中,已有晶閘管替代。 電源指示燈HL除了指示電源通電外,還作為濾波電容放電通路和指示。由于濾波電容的容量較大,放電時間比擬長(數分鐘),幾百伏的電壓會威脅人員平安。因此維修時,要等指示燈熄滅后進行。 為制動電阻,在變頻器的交流調速中,電動機的減速是通過降低變頻器的輸出頻率而實現的,在電動機減速過程中,當變頻器的輸出頻率下降過快時,電動機將處于發電制動狀態,拖動系統的動能要回饋到直

37、流電路中,使直流電路電壓(稱泵升電壓)不斷上升,導致變頻器本省過電壓保護動作,切斷變頻器的輸出。為了防止出現這一現象,必須將再生到直流電路的能量消耗掉,和的作用就是消耗掉這局部能量。如圖3.1所示,當直流中間電路上電壓上升到一定值,制動三極管導通,將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。3.2.2 直交電路設計 選用逆變開關管組成三相逆變橋,將直流電逆變成頻率可調的交流電,逆變管在這里選用IGBT。 續流二極管的作用是:當逆變開關管由導通變為截止時,雖然電壓突然變為零,但是由于電動機線圈的電感作用,儲存在線圈中的電能開始釋放,續流二極管提供通道,維持電流在線圈中流動。另外,當電動機制動時,續流

38、二極管為再生電流提供通道,使其回流到直流電源。 電阻,電容,二極管組成緩沖電路,來保護逆變管。由于開關管在開通和關斷時,要受集電極電流和集電極與發射極間的電壓的沖擊,因此要通過緩沖電路進行緩解。當逆變管關斷時,迅速上升,迅速降低,過高增長的電壓對逆變管造成危害,所以通過在逆變管兩端并聯電容()來減小電壓增長率。當逆變管開通時,迅速下降,迅速升高,并聯在逆變管兩端的電容由于電壓降低,將通過逆變管放電,這將加速電流的增長率,造成IGBT的損壞。所以增加電阻,限制電容的放電電流。可是當逆變管關斷時,該電阻又會阻止電容的充電,為了解決這個矛盾,在電阻兩端并聯二極管(),使電容充電時避開電阻,通過二極管

39、充電。放電時,通過電阻放電,實現緩沖功能。這種緩沖電路的缺點是增加了損耗,所以適用于中小功率變頻器。 1、整流電路:把交流電變換為直流電的電路。本設計中采用了三相橋式不控整流電路,主要優點是電路簡單,功率因數接近于1。 2、逆變的根本工作原理:將直流電轉換為交流電的過程稱為逆變。完成逆變功能的裝置叫做逆變器,它是變頻器的主要組成局部,電壓性逆變器的工作原理如下: (1)單相逆變電路 在圖3.2的單相逆變電路的原理圖中:當、同時閉合時,電壓為正;、同時閉合時,電壓為負。由于開關的輪番通斷,從而將直流電壓逆變成了交流電壓。可以看到在交流電變化的一個周期中,一個臂中的兩個開關如:、交替導通,每個開關

40、導通電角度。因此交流電的周期(頻率)可以通過改變開關通斷的速度來調節,交流電壓的幅值為直流電壓幅值。圖3.2 單相逆變器原理圖 (2)三相逆變電路 三相逆變電路的原理圖見圖3.3所示。 圖3-3中,組成了橋式逆變電路,這6個開關交替地接通、關斷就可以在輸出端得到一個相位互相差的三相交流電壓。當、閉合時,為正;、閉合時,為負。 用同樣的方法得:當、同時閉合和、同時閉合,得到,同時閉合和、同時閉合,得到。為了使三相交流電、在相位上依次相差;各開關的接通、關斷需符合一定的規律,其規律在圖3.3b中已標明。根據該規律可得、波形如圖3.3c 所示。(a)結構圖 b 開關的通斷規律 c 波形圖圖3.3 三

41、相逆變器原理圖 觀察6個開關的位置及波形圖可以發現以下兩點:各橋臂上的開關始終處于交替翻開、關斷的狀態如、。各相的開關順序以各相的“首端為準,互差電角度。如比,滯后,比滯后。 上述分析說明,通過6個開關的交替工作可以得到一個三相交流電,只要調節開關的通斷速度就可調節交流電頻率,當然交流電的幅值可通過的大小來調節。3.2.4 主電路參數計算根據前面所給出的原始參數,主電路各局部的計算如下:1、整流二極管的參數計算(峰值電流) 二極管額定電流值(1.52)Id/1.5714.91A19.88A 額定電壓值(23)(23)2、濾波電容380591.05V。3、制動局部 擊穿電壓:當線電壓為380V時

42、,根據經驗值選1000V。 集電極最大電流:按照正常電壓流經電流的兩倍來計算:24、IGBT的選用 峰值電壓(22.5)3801182.1V1477.63V 集電極電流(1.22)(1.22)58.2397.06A 集電極-發射極額定電壓3.3 IGBT及驅動模塊介紹3.3.1 IGBT簡介及驅動 絕緣柵極雙極型晶體管IGBT是80年代初功率半導體器件技術與MOS工藝技術相結合研制出的一種復合型器件。由IGBT構成的MOSFET和BJT各有其優缺點。MOSFET屬于單極型器件,具有開關頻率高、無二次擊穿現象、易并聯運行、控制功率小的優點,缺點是導通電阻大,耐壓水平不易提高。BJT屬于雙極型器件

43、,具有耐壓水平高、電流大、導通電壓低的優點,缺點是開關時間長,有二次擊穿現象以及控制功率大。因此,兼具MOSFET和BJT優點的新型復合器件IGBT應運而生,IGBT具有耐壓高、電流大、開關頻率高、導通電阻小、控制功率小等優點。并且,隨著IGBT技術的開展,其性能不斷得到改善和提高,使得IGBT在大功率開關電源設備中的地位越來越重要,如UPS、電焊機、電機驅動、特種工業電源等都使用IGBT模塊。由于IGBT在設備中所占本錢比例較高,所以掌握好IGBT的特性和正確的使用方法,盡量減少IGBT模塊的損壞以降低開發本錢和提高整機可靠性。 IGBT是壓控器件,柵極輸入阻抗高,所需要驅動功率小,驅動較為

44、容易。但必須注意,IGBT的特性與柵極驅動條件密切相關,隨驅動條件的變化而變化。 1隨著柵極正向電壓的增加,通態壓降減小,開通損耗也減小.假設固定不變時,通態壓降隨集電極電流增大而增大,開通損耗隨結溫升高而增大。 2隨著柵極反向電壓的增加,集電極浪涌電流減小,而關斷損耗變化不大,IGBT的運行可靠性提高。 3隨著柵極串聯電阻增加,將使IGBT的開通和關斷時間增加,從而使IGBT開關損耗增加;而減小,那么又將使增大,從而使IGBT在開關過程中產生較大的電壓或電流尖峰,降低IGBT運行的平安性和可靠性。3.3.2 EXB840的內部結構本設計采用EXB840,它是一種高速驅動集成電路,最高使用頻率

45、為40KHz驅動150A/600V或者75A/1200V的IGBT,驅動電路信號延遲小于1.5,采用單電源20V供電。EXB840的功能框圖如圖3.4所示。 圖3.4 EXB840的引腳圖 它主要由輸入隔離電路,驅動放大電路,過流檢測急保護電路以及電源電路組成。其中輸入隔離電路由高速光電耦合器組成,可隔離交流2500V的信號。過流檢測及保護電路根據IGBT柵極驅動電平和集電極電壓之間的關系,檢測是否有過電流現象存在,如果有過電流,保護電路將迅速關斷IGBT,防止過快的關斷時而引起因電路中電感產生的感應電動勢升高,使IGBT集電極電壓過高而損壞IGBT,電源電路將20V外部供電電源變成15V的開

46、柵電壓和-5V的關柵電壓。 EXB840引腳定義如下:引腳1用于連接反偏置電源的濾波電容,引腳2和9分別是電源和地,引腳3為驅動輸出,引腳4用于連接外部電容器,防止過流保護誤動作,引腳5為過流保護輸出,引腳6為集電極電壓監視端,引腳14和15為驅動信號輸入端,其余引腳不用。3.3.2 IGBT驅動電路 采用EXB840集成電路驅動的IGBT的典型應用電路如圖3.5所示。其中ERA34-10是快速恢復二極管。IGBT的柵極驅動連線應該用雙絞線,長度應該小于1m,以防止干擾,如果IGBT的集電極產生大的電壓脈沖,可增加IGBT的柵極電阻。 圖3.5 EXB840組成的驅動電路第四章 控制回路 控制

47、回路是為變頻器的主電路提供通斷信號的電路,其主要任務是完成對逆變器開關元件的開關控制。控制方式有模擬控制和數字控制兩種,本設計中采用的是以微處理器為核心的全數字控制,優點是它采用簡單的硬件電路,主要依靠軟件來完成各種控制功能,以充分發揮微處理器計算能力和軟件控制靈活性高的特點來完成許多模擬量難以實現的功能。設計控制電路如下:4.1 驅動電路 驅動電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅動信號。主電路逆變電路設計中采用的電力電子器件是IGBT,故稱為門極驅動電路。4.1.1 SPWM調制技術 脈寬調制PWM技術是利用全控型電力電子器件的導通和關斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列,實現變壓

48、、變頻控制并消除諧波的技術。 脈寬調制技術在逆變器中的應用,對現代電力電子技術、現代調速系統的開展起到了極大的促進作用。實際工程主要采用的PWM技術是正弦PWMSPWM,這是因為變頻器輸出的電壓或電流波形更接近于正弦波形。為減小輸出信號中的諧波分量,一種有效的途徑是將等脈寬的矩形波變成信號寬度按正弦規律變化的正弦脈寬調制波,即SPWM調制波。 脈寬調制指的是通過對一系列脈沖的寬度進行調制,來等效地獲得所需要的波形含形狀和幅值。在進行脈寬調制時,使脈沖系列的占空比按照正弦規律變化。當正弦值為最大值時,脈沖的寬度最大,而脈沖間的間隔最小;當正弦值較小時,脈沖的寬度也小,而脈沖間的間隔那么較大,那么

49、這樣的電壓脈沖系列就可以使負載電流中的高次諧波成分大為減小,這種調制方式稱為正弦波脈寬調制。 產生SPWM信號的方法是用一組等腰三角波稱為載波與一個正弦波稱為調制波進行比擬,如圖4.1所示,兩波形的交點作為逆變開關管的開通與關斷時間。當調制波的幅值大于載波的幅值時,開關器件導通,當調制波的幅值小于載波的幅值時,開關器件關斷。 雖然正弦脈寬調制波與等脈寬PWM信號相比,諧波成份大大減小,但它畢竟不是正弦波。提高載波三角波的頻率,是減小SPWM調制波中諧波分量的有效方法。而載波頻率的提高,受到逆變開關管最高工作頻率的限制。第三代絕緣柵雙極型晶體管IGBT的工作頻率可達30KHz,用IGBT作為逆變

50、開關管,載波頻率可以大幅度提高,從而使正弦脈寬調制波更接近正弦波。可由模擬電路分別產生等腰三角波與正弦波,并送入電壓比擬器,輸出即為SPWM調制波。圖4.1為SPWM波生成方法:圖4.1 SPWM波生成方法 采用模擬電路的優點是完成三角波與正弦波的比擬并確定輸出脈沖寬度的時間很短,幾乎瞬間完成。缺點是電路所用硬件較多,改變參數和調試比擬困難。假設用單片機直接產生SPWM信號,由于需要通過計算確定正弦脈寬調制波的寬度,使SPWM信號的頻率及系統的動態響應都較慢。對于調速精度、調速方式要求較高的交流異步電動機,可以采用各項性能指標都非常完善,但價格也比擬昂貴的通用變頻器;對一般交流電動機的變頻調速,可以直接采用三相SPWM調制信號專用芯片構成調速系統。在本設計中選用SA4828。SA4828是MITEL公司推出的一種專用于三相SPWM信號發生和控制的集成芯片,可以和單片機接口,完成對交流電動機的變頻調速。4.1.2 SPWM波生成芯片特點和引腳1.SA4828的特點 全數字控制,兼容Intel等多系列單片機,輸入調制波頻率范圍04kHz,16位調速分辯率,載波頻率最高可達24kHz,內部ROM 固化3種可選波形,最小脈寬和延時時間可調,可單獨調整各相輸出以適應不平衡負載,具備看門狗定時器功能等。 SA4828采用28腳封裝。以下圖給出了其引腳排列示意圖和原理框