變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄1 主回路介紹變頻器最早的形式是用旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組作為可變頻率電源，供給交流電動(dòng)機(jī)。隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)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(huán)節(jié)分為兩大類：交-直-交變頻器和交-交變頻器。1.交-交型變頻器：它的功能是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率可調(diào)電壓的交流電（轉(zhuǎn)換前后的相數(shù)相同），又稱直接式變頻器。由于中間不經(jīng)過(guò)直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機(jī)等。但這種控制方式?jīng)Q定了最高輸出頻率只能達(dá)到電源頻率的1/31/2,所以不能高速運(yùn)行。2.交-直-交型變頻器：交-直-交變頻器是先把工頻交流通

2、過(guò)整流器變成直流，然后再直流變換成頻率電壓可調(diào)的交流，又稱間接變頻器，交-直-交變頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器。它根據(jù)直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種：（1）電流型變頻器電流型變頻器的特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)緩沖無(wú)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(huán)節(jié)內(nèi)阻較大，故稱電流源型變頻器。（2）電壓型變頻器電壓型變頻器的特點(diǎn)是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容器作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)緩沖無(wú)功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器。由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動(dòng)機(jī)提供交流電功率，所以其主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行

3、幾乎不受負(fù)載的功率因數(shù)或換流的影響，它主要適用于中、小容量的交流傳動(dòng)系統(tǒng)。與之相比，電流型變頻器施加于負(fù)載上的電流值穩(wěn)定不變，其特性類似于電流源，它主要應(yīng)用在大容量的電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)以及大容量風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能調(diào)速中。由于交-直-交型變頻器是目前廣泛應(yīng)用的通用變頻器，所以本次設(shè)計(jì)中選用此種間接變頻器，在交-直-交變頻器的設(shè)計(jì)中，雖然電流型變頻器可以彌補(bǔ)電壓型變頻器在再生制動(dòng)時(shí)必須加入附加電阻的缺點(diǎn)，并有著無(wú)須附加任何設(shè)備即可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的四象限運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點(diǎn)，在本次設(shè)計(jì)中采用電壓型變頻器。1.1 主回路電路原理變頻調(diào)速實(shí)際上是向交流異步電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)頻率可控的電源。能

4、實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的裝置稱為變頻器。變頻器由兩部分組成：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(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?整流，濾波)，再將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電（逆變）。在本設(shè)計(jì)中采用圖1-2的主電路，這也是變頻器常用的格式。本文設(shè)計(jì)的交直交變頻器由以下幾部分組成，如圖1-1所示。圖1-1系統(tǒng)原理框圖圖1-2 電壓型交直交變頻調(diào)速主電路1.2 主回路各部分簡(jiǎn)介：1 供電電源：本設(shè)計(jì)中采用中等容量的電動(dòng)機(jī)，所以選擇三相380V電源。2 整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動(dòng)的直流電，必須加濾波電路。設(shè)計(jì)中采用三相不可控整流。它可以使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近1。3 濾波電路：因設(shè)計(jì)中采用的是電壓

5、型變頻器，所以采用電容濾波，中間的電容的作用是：濾波和在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾4 逆變電路：將直流電逆變成交流電。設(shè)計(jì)中采用三相橋式逆變，開(kāi)關(guān)器件選用全控型開(kāi)關(guān)IGBT。5 電流電壓檢測(cè)：一般在中間直流端采集信號(hào)，作為過(guò)電壓，過(guò)電流保護(hù)信號(hào)。6 控制電路：因?yàn)楸緦W(xué)期學(xué)習(xí)了ATS8951單片機(jī)，所以采用ATS8951單片機(jī)和SPWM波，控制電路的主要功能是接受各種設(shè)定信息和指令，根據(jù)這些指令和設(shè)定信息形成驅(qū)動(dòng)逆變器工作的信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后去驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷。2 主回路參數(shù)設(shè)計(jì) 2.1 電動(dòng)機(jī)原始參數(shù)在這次設(shè)計(jì)中，采用中等容量的電動(dòng)機(jī)，具體數(shù)據(jù)如下：額定功率：；額定電

6、壓：；額定電流：；額定轉(zhuǎn)速：；效 率：；功率因數(shù)：cos=0.80；過(guò)載系數(shù)：=2.0；電壓波動(dòng)：±12%；極 對(duì) 數(shù)：P=2。 2.2 交直電路設(shè)計(jì)2.2.1 整流電路選用整流管組成三相整流橋，對(duì)三相交流電進(jìn)行全波整流。整流后的電壓為=1.35=1.35×380V=513V。 （2-1）2.2.2 濾波電路 濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓平穩(wěn)。當(dāng)變頻器通電時(shí)，濾波電容的充電電流很大，過(guò)大的沖擊電流可能會(huì)損壞三相整流橋中的二極管，為了保護(hù)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(nèi)。當(dāng)充電到一定程度，使閉合，將限流電阻短路。在許

7、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(shí)間比較長(zhǎng)（數(shù)分鐘），幾百伏的電壓會(huì)威脅人員安全。因此維修時(shí)，要等指示燈熄滅后進(jìn)行。為制動(dòng)電阻，在變頻器的交流調(diào)速中，電動(dòng)機(jī)的減速是通過(guò)降低變頻器的輸出頻率而實(shí)現(xiàn)的，在電動(dòng)機(jī)減速過(guò)程中，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降過(guò)快時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能要回饋到直流電路中，使直流電路電壓（稱泵升電壓）不斷上升，導(dǎo)致變頻器本省過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，切斷變頻器的輸出。為了避免出現(xiàn)這一現(xiàn)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部分能量。如圖2-2所示，當(dāng)直流中

8、間電路上電壓上升到一定值，制動(dòng)三極管導(dǎo)通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動(dòng)電阻上。2.3 直交電路設(shè)計(jì)選用逆變開(kāi)關(guān)管組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的交流電，逆變管在這里選用IGBT。續(xù)流二極管的作用是：當(dāng)逆變開(kāi)關(guān)管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，雖然電壓突然變?yōu)榱悖怯捎陔妱?dòng)機(jī)線圈的電感作用，儲(chǔ)存在線圈中的電能開(kāi)始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動(dòng)。另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，續(xù)流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(lái)保護(hù)逆變管。由于開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，要受集電極電流和集電極與發(fā)射極間的電壓的沖擊，因此要通過(guò)緩沖電路進(jìn)行緩解。當(dāng)逆變管關(guān)斷時(shí)，迅速上

9、升，迅速降低，過(guò)高增長(zhǎng)的電壓對(duì)逆變管造成危害，所以通過(guò)在逆變管兩端并聯(lián)電容（）來(lái)減小電壓增長(zhǎng)率。當(dāng)逆變管開(kāi)通時(shí)，迅速下降，迅速升高，并聯(lián)在逆變管兩端的電容由于電壓降低，將通過(guò)逆變管放電，這將加速電流的增長(zhǎng)率，造成IGBT的損壞。所以增加電阻，限制電容的放電電流?？墒钱?dāng)逆變管關(guān)斷時(shí)，該電阻又會(huì)阻止電容的充電，為了解決這個(gè)矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管（），使電容充電時(shí)避開(kāi)電阻，通過(guò)二極管充電。放電時(shí)，通過(guò)電阻放電，實(shí)現(xiàn)緩沖功能。這種緩沖電路的缺點(diǎn)是增加了損耗，所以適用于中小功率變頻器。因本次設(shè)計(jì)所選用的電動(dòng)機(jī)為中容量型，在此選用此種緩沖電路。2.4 變頻器主電路設(shè)計(jì)的基本工作原理1.整流電路整流電路

10、是把交流電變換為直流電的電路。本設(shè)計(jì)中采用了三相橋式不控整流電路，主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)接近于1。2.逆變的基本工作原理將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的過(guò)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部分，電壓性逆變器的工作原理如下：三相逆變電路的原理圖見(jiàn)圖2-1所示。圖2-1中，組成了橋式逆變電路，這6個(gè)開(kāi)關(guān)交替地接通、關(guān)斷就可以在輸出端得到一個(gè)相位互相差120的三相交流電壓。當(dāng)、閉合時(shí)，為正；、閉合時(shí)，為負(fù)。用同樣的方法得：當(dāng)、同時(shí)閉合和、同時(shí)閉合，得到,同時(shí)閉合和、同時(shí)閉合，得到。為了使三相交流電、在相位上依次相差120；各開(kāi)關(guān)的接通、關(guān)斷需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖2-1b

11、中已標(biāo)明。根據(jù)該規(guī)律可得、波形如圖2-1c 所示。a）結(jié)構(gòu)圖 b) 開(kāi)關(guān)的通斷規(guī)律 c) 波形圖圖2-1 三相逆變器原理圖觀察6個(gè)開(kāi)關(guān)的位置及波形圖可以發(fā)現(xiàn)以下兩點(diǎn)：各橋臂上的開(kāi)關(guān)始終處于交替打開(kāi)、關(guān)斷的狀態(tài)如、。各相的開(kāi)關(guān)順序以各相的“首端”為準(zhǔn)，互差120電角度。如比,滯后120，比滯后120。上述分析說(shuō)明，通過(guò)6個(gè)開(kāi)關(guān)的交替工作可以得到一個(gè)三相交流電，只要調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的通斷速度就可調(diào)節(jié)交流電頻率，當(dāng)然交流電的幅值可通過(guò)的大小來(lái)調(diào)節(jié)。3 主電路參數(shù)計(jì)算根據(jù)前面所給出的原始參數(shù)，主電路各部分的計(jì)算如下：1.整流二極管的參數(shù)計(jì)算（峰值電流）= =×14.0=19.80A （3-1）（有效

12、值）= =14.0A （3-2）二極管額定電流值=（1.52）Id/1.57=13.38A17.83A （3-3）額定電壓值=（23）=（23）××380=1074.80V1612.20V （3-4） 2.濾波電容系統(tǒng)采用三相不控整流，經(jīng)濾波后=1.1××380=591.14V。 （3-5）3.制動(dòng)部分制動(dòng)電阻粗略計(jì)算為=21.1142.22 (3-6)擊穿電壓：當(dāng)線電壓為380V時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選1000V。集電極最大電流：按照正常電壓流經(jīng)電流的兩倍來(lái)計(jì)算： =2×591.14/21.11=56.01A (3-7)4.IGBT的選用峰值電壓=（

13、22.5）×1.1××380=1182.3V1477.85V (3-8)集電極電流=（1.22）=（1.22）×××=47.5279.20A (3-9)集電極-發(fā)射極額定電壓1.2倍最高峰值電壓=1.2×1477.85V=1773.42V (3-10)4 控制回路設(shè)計(jì)控制回路是為變頻器的主電路提供通斷信號(hào)的電路，其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)控制?？刂品绞接心M控制和數(shù)字控制兩種，本設(shè)計(jì)中采用的是以微處理器為核心的全數(shù)字控制，優(yōu)點(diǎn)是它采用簡(jiǎn)單的硬件電路，主要依靠軟件來(lái)完成各種控制功能，以充分發(fā)揮微處理器計(jì)算能力和軟件

14、控制靈活性高的特點(diǎn)來(lái)完成許多模擬量難以實(shí)現(xiàn)的功能。設(shè)計(jì)控制電路如下：4.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的作用是逆變器中的逆變電路換流器件提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。主電路逆變電路設(shè)計(jì)中采用的電力電子器件是IGBT，故稱為門極驅(qū)動(dòng)電路。以下將介紹SPWM技術(shù)工作原理和設(shè)計(jì)中所選用能產(chǎn)生SPWM波芯片SA4828的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。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(yōu)點(diǎn)是完成三角波與正弦波的比較并確定輸出脈沖寬度的時(shí)間很短，幾乎瞬間完成。缺點(diǎn)是電路所用硬件較多，改變參數(shù)和調(diào)試比較困難。若用單片機(jī)直接產(chǎn)生SPWM信號(hào)，由于需要通過(guò)計(jì)算確定正弦脈寬調(diào)制波的寬度，使SPWM信號(hào)的頻率及

15、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)都較慢。對(duì)于調(diào)速精度、調(diào)速方式要求較高的交流異步電動(dòng)機(jī)，可以采用各項(xiàng)性能指標(biāo)都非常完善，但價(jià)格也比較昂貴的通用變頻器；對(duì)一般交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，可以直接采用三相SPWM調(diào)制信號(hào)專用芯片構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中選用SA4828。SA4828是MITEL公司推出的一種專用于三相SPWM信號(hào)發(fā)生和控制的集成芯片，可以和單片機(jī)接口，完成對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。4.2 保護(hù)電路保護(hù)電路的主要功能是對(duì)檢測(cè)電路得到的各種信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，以判斷變頻器本身或系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常。當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，進(jìn)行各種必要的處理。4.2.1 過(guò)、欠壓保護(hù)電路過(guò)壓、欠壓保護(hù)是針對(duì)電源異常、主回路電壓超過(guò)或低于一定數(shù)

16、值時(shí)考慮的。通用變頻器輸入電源電壓允許波動(dòng)的范圍一般是額定輸入電壓的士12%。通常情況下，主回路直流環(huán)節(jié)的電壓與輸入電壓保持固定關(guān)系。當(dāng)輸入電源電壓過(guò)高，將使直流側(cè)電壓過(guò)高。過(guò)高的直流電壓對(duì)IGBT的安全構(gòu)成威脅，很可能超過(guò)IGBT的最大耐壓值而將其擊穿，造成永久性損壞。當(dāng)輸入電壓過(guò)低時(shí)，雖不會(huì)對(duì)主回路元件構(gòu)成直接威脅，但太低的輸入電壓很可能使控制回路工作不正常，而使系統(tǒng)紊亂，導(dǎo)致SA4828輸出錯(cuò)誤的觸發(fā)脈沖，造成主回路直通短路而燒壞IGBT。而且較低的輸入電壓也使系統(tǒng)的抗干擾能力下降。因此有必要對(duì)系統(tǒng)的電壓進(jìn)行保護(hù)。圖 4-2為本文介紹的變頻器過(guò)壓保護(hù)電路。圖4-2 過(guò)電壓保護(hù)電路它直接對(duì)

17、直流側(cè)電壓進(jìn)行檢測(cè)。其中電壓信號(hào)的取樣是通過(guò)電阻和分壓得到的，電容起濾波抗干擾作用，防止電路誤動(dòng)作。過(guò)壓設(shè)定值從電位器上取出。運(yùn)放接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(shí)(異常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護(hù)信號(hào)。其中電阻是正反饋電阻，它的接入使正反饋有一定回差，防止取樣信號(hào)在給定點(diǎn)附近波動(dòng)時(shí)比較器抖動(dòng)，這里將過(guò)壓保護(hù)的動(dòng)作值整定為額定輸入電壓的110%。 欠壓產(chǎn)生的原因有兩種：一是輸入的交流電壓長(zhǎng)時(shí)間低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值。另一種是瞬時(shí)停電或瞬時(shí)電壓降低。欠電壓導(dǎo)致逆變器開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)功率不足而燒壞開(kāi)關(guān)器件。一般欠壓信號(hào)從直流端取樣，這樣既能在欠電壓，過(guò)電壓時(shí)檢測(cè)出信號(hào)進(jìn)行

18、保護(hù)，又不會(huì)因?yàn)槎虝r(shí)間因?yàn)樵谇冯妷?，過(guò)電壓并未構(gòu)成危險(xiǎn)時(shí)而保護(hù)誤動(dòng)作。欠壓保護(hù)電路的原理與過(guò)壓保護(hù)電路類似。其電壓取樣與過(guò)壓取樣相同，欠壓設(shè)定值由上取出。運(yùn)放接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(shí)(正常情況下)，比較器輸出高電平，光耦器件不導(dǎo)通，輸出高電平。當(dāng)取樣電壓低于設(shè)定值時(shí)(欠壓情況下)，比較器輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護(hù)信號(hào)。其電路下圖所示。動(dòng)作值整定為輸入電壓的84%。圖4-3欠壓保護(hù)電路4.2.2 過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)變頻器在諸如直流短路、橋臂短路、輸出短路、對(duì)地短路等情況下，電流變化非常迅速，元件將承受極大的電壓和電流，而IGBT器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它在足夠大的電流下會(huì)出現(xiàn)

19、鎖定現(xiàn)象，造成管子失控?zé)o法關(guān)斷，以至燒壞，所以過(guò)流之前必須使IGBT關(guān)斷以切斷電流，雖然在IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊EXB840中已經(jīng)有過(guò)流保護(hù)，但考慮到過(guò)大時(shí)IGBT還未來(lái)得及關(guān)斷已經(jīng)發(fā)生鎖定現(xiàn)象的可能性，必須采取輔助斷流措施。這里采用瑞士LEM 公司生產(chǎn)的霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)補(bǔ)償式電流傳感器來(lái)進(jìn)行電流的檢測(cè)。在此傳感器的輸出端串電阻R，則R上的壓降反應(yīng)了被測(cè)的電流。過(guò)流發(fā)生時(shí)，R上的壓降大于過(guò)流保護(hù)動(dòng)作整定值，比較器LEM324輸出低電平去封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)，即可使橋臂上的所有IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)的功能。過(guò)流保護(hù)的電路示意圖如4-4圖所示：圖4-4 過(guò)流保護(hù)電路5 結(jié)論本文以SP

20、WM方法為理論基礎(chǔ)，在分別討論了它們的原理和特點(diǎn)后，設(shè)計(jì)了一種電壓型交直交變頻器，本設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn): (1)選用的變頻調(diào)速控制方式是比恒定控制，從而實(shí)現(xiàn)了恒磁通變頻調(diào)速即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 (2)選用了芯片生成SPWM方法，此法不僅思想先進(jìn)、實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)便易行，而且減輕了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，直流電壓利用率高、輸出電流諧波成分小。 (4)主回路采用交直交電壓型結(jié)構(gòu)，非常適用于中、小容量的交流調(diào)速系統(tǒng)。 （5)選用6只IGBT構(gòu)成三相橋式逆變器，IGBT開(kāi)關(guān)速度快、耐壓高、承受電流大、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單。(6)變頻器可以控制電機(jī)時(shí)啟動(dòng)和正反轉(zhuǎn)并顯示其運(yùn)行狀態(tài)。(7)變頻器具有過(guò)流保護(hù)、泵升電壓保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)三種保護(hù)功能。 本文對(duì)以上電路進(jìn)行了全面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了變頻器的基本功能。但是真正使本設(shè)計(jì)產(chǎn)品化是不可能通過(guò)一次的研究就能夠完成的，因此本次研究?jī)H僅是交直交變頻器的基本原理，還有許多向題有待進(jìn)一步研究。如:進(jìn)一步完善變頻器的控制功能和保護(hù)功能，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，采用IPM智能功率模塊等。 雖然本次設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，但以此為基礎(chǔ)將會(huì)研制出性能更加完善的。心得體會(huì)通過(guò)一個(gè)星期的查閱資料和同學(xué)之間的討論，使我認(rèn)識(shí)到必需加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解，不能停留在膚淺的了解階段，學(xué)習(xí)知識(shí)也要有謹(jǐn)慎認(rèn)真的態(tài)度，每次的鍛煉、經(jīng)歷對(duì)將來(lái)的發(fā)展都起到一種