通用變頻器的設(shè)計-文庫吧

【正文】 片及器件進(jìn)行介紹，并簡單敘述一下硬件部分電路原理圖；第五章，進(jìn)行SPWM控制算法及軟件編程算法的分析與設(shè)計。2 變頻器應(yīng)用電路 變頻器的發(fā)展動向及技術(shù)指標(biāo)變頻器是將固定頻率的交流電變換為頻率連續(xù)可調(diào)的交流電的裝置，主要應(yīng)用于交流電動機(jī)的調(diào)速。交流電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)具有節(jié)能、易維護(hù)、高性價比等諸多優(yōu)點，被普遍認(rèn)為是最有前途的調(diào)速方式。變頻器的產(chǎn)生，使得交流調(diào)速取代直流調(diào)速成為可能。這也是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一。 交流變頻調(diào)速技術(shù)是與電力電子器件制造技術(shù)、交流技術(shù)、控制技術(shù)、微型計算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)的。近幾年國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)也是迅速發(fā)展，出現(xiàn)了如華為、森蘭等一系列品牌。功率小到數(shù)百瓦大至數(shù)千瓦，功能簡易或復(fù)雜，精度低或高，響應(yīng)慢或快等。 變頻器的發(fā)展情況自20世紀(jì)80年代初變頻器問世以來，變頻器在不斷發(fā)展完善，現(xiàn)在已大量應(yīng)用于各行各業(yè)。變頻器的發(fā)展情況可以從以下幾個方面來說明。變頻器不僅在工業(yè)的各行業(yè)廣泛應(yīng)用，就連家庭也逐漸成為通用變頻器的應(yīng)用場所。正是變頻器應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，其產(chǎn)品正向三個方面發(fā)展變化：其一，向無需調(diào)整便能得到最佳運行的多功能與高性能型變頻器方向發(fā)展；其二，向通過簡單控制就能運行的小型及操作方便的變頻器方向發(fā)展；其三，向大容量、高起動轉(zhuǎn)矩及具有環(huán)境保護(hù)功能的變頻器方向發(fā)展。變頻器的主電路使用的都是高電壓（在交流220V以上）、大電流的電力電子器件作為開關(guān)器件，因此電力電子器件是變頻器發(fā)展的基礎(chǔ)。在低壓交流電動機(jī)的傳動控制中，應(yīng)用最多的的功率器件有GTO、GTR、IGBT及職能模塊IPM（Intelligent Power Module），集GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關(guān)特性于一體的后兩種器件是目前通用變頻器中廣泛使用的主流功率器件。當(dāng)前電力電子器件正朝著發(fā)熱減少、高載波控制、開關(guān)頻率提高、驅(qū)動功率減小的方向發(fā)展。 變頻器的控制方式主要經(jīng)歷了如下3個階段： 第一階段：早期通用變頻器大多數(shù)為變壓變頻VVVF技術(shù)（Variabl Voltage Variabl Frequency）（又稱為V/f控制方式），其優(yōu)點是控制結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，缺點是系統(tǒng)性能不高，職能應(yīng)用于調(diào)速精度要求不高的場合，如風(fēng)機(jī)、水泵的控制等。具體來說，其控制曲線隨著負(fù)載變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而使性能下降，穩(wěn)定性變差。 第二階段：矢量控制，也稱磁場定向控制。它是1972年德國伯拉斯切克（）等人首先提出，以直流電動機(jī)和交流電動機(jī)比較的方法闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動機(jī)和等效直流電動機(jī)控制的先河。矢量控制的基本點是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)過坐標(biāo)變換實現(xiàn)正交或解耦控制。 第三階段：1985年德國魯爾大學(xué)狄普布洛克（Depenbrock）教授和日本塔卡哈什（Takahashi）等人先后提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（Direct Torque Control，簡稱DTC）。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息，控制上對除定子外所有電動機(jī)參數(shù)變化特性良好；所引入的定子磁鏈觀測器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。1995年ABB公司首先推出的ACS600直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達(dá)到小于2ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度，%；在不帶測速機(jī)的情況下，即使受到輸入電壓的變化或負(fù)載突變的影響，%的速度控制精度。 控制技術(shù)的發(fā)展完全得益于微處理器技術(shù)的發(fā)展。自從1991年INTEL公司推出8196MC系列以來，專門用于電動機(jī)控制的芯片在品種、速度、功能、性價比等方面都有很大的發(fā)展。由于脈寬調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）可以同時實現(xiàn)變頻變壓的特點，因此在交流傳動乃至其他能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，PWM在各種應(yīng)用場合仍占主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點。 變頻器技術(shù)的發(fā)展趨勢 小功率變頻器應(yīng)該像普通開關(guān)電器，如接觸器、斷路器一樣，具有使用簡單、方便、安全可靠的基本性能。因此由集成電路構(gòu)成的一體化模塊的變頻器將在市場上更具有競爭力。 變頻器的小型化就是向發(fā)熱挑戰(zhàn)。這就是說，變頻器的小型化除了出自支撐部件的安裝技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計的大規(guī)模集成化外，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展已成為小型化的重要因素。小功率變頻器應(yīng)當(dāng)像接觸器、軟啟動器等電器元件一樣使用簡單、安裝方便、工作安全可靠。 通用變頻器中出現(xiàn)專用家族是近年來的事。其目的是更好地發(fā)揮變頻器的獨特功能并盡可能的方便用戶。如用于恒壓供水、機(jī)械主軸傳動、電源再生，紡織、機(jī)車牽引等的專用系列。 作為發(fā)展趨勢，通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能向集中型發(fā)展。數(shù)字技術(shù)和微控制器技術(shù)的發(fā)展，使這種趨勢成為可能。 變頻器的技術(shù)指標(biāo) 輸入側(cè)的額定值主要是電壓、頻率、相數(shù)。一般變頻器輸入側(cè)的額定值有以下幾種：(1) 380V/50Hz/三相(2) 230V/50Hz或60Hz/三相(3) 200230V/50Hz/單相（1）輸出電壓UN（V）（2）輸出電流IN（A）（3）輸出容量SN（KVA） SN與UN和IN的關(guān)系為SN=UNIN（4）配用電動機(jī)容量PN（KW）（5）過載能力 變頻器的過載能力是指其輸出電流超過額定電流的允許范圍和時間。大多數(shù)變頻器都規(guī)定為150%IN、60s或180%IN、。（1）頻率范圍 即變頻器工作時能夠輸出的最高頻率fmax與最低頻率fmin。（2）頻率精度 變頻器實際輸出頻率與設(shè)定頻率之間的最大誤差與最高工作頻率之比的百分?jǐn)?shù)來表示。（3）頻率分辨率 指變頻器輸出頻率的最小改變量，即每相鄰兩檔頻率之間的最小差值。 （1）恒壓頻比控制方式，最早使用的方式，現(xiàn)在仍在使用。（2）矢量控制方式，現(xiàn)在大部分變頻器使用這種控制方式。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制方式，是目前最新的控制方式。變頻器通常設(shè)置有多個控制端子，其電路形式和PLC差不多。變頻器使用時，通過控制端子實現(xiàn)控制功能。變頻器的控制端子一般包括以下幾方面：（1） 模擬輸入（AI）用作速度給定、反饋等功能，每個端子具體參數(shù)可以設(shè)置（2） 模擬輸出（AO）AO通常用作遠(yuǎn)程測量儀表的信號，用以顯示變頻器的輸出電流、頻率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。（3） 開關(guān)量輸入（DI）用作變頻器的起停、正反轉(zhuǎn)、多種速度選擇功能。（4） 開關(guān)量輸出（DO）變頻器的運行、故障等信號由此輸出。 變頻器結(jié)構(gòu)與功能 現(xiàn)在使用的變頻器大多數(shù)為交—直—交電壓型通用變頻器，一般變頻器包括主電路、控制電路、操作面板3部分。主電路指的是電源由進(jìn)線端（R、S、T）輸入，經(jīng)過整流、濾波、逆變，變換成電壓、頻率連續(xù)可調(diào)的交流電，由出線端（U、V、W）輸出接電動機(jī)的電路。主電路所使用的器件都是高電壓（一般工作在AC220V以上）大電流，屬于強(qiáng)電部分。控制電路的功能是接收控制命令，如起停、正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速給定等，輸出控制信號到主電路，控制功率器件工作。一般由單片機(jī)系統(tǒng)板或?qū)Ｓ糜嬎銠C(jī)系統(tǒng)和驅(qū)動電路組成，屬于弱電部分。操作面板是人機(jī)聯(lián)系的接口，由按鈕、顯示器、指示燈、連接線等組成。通用變頻器基本結(jié)構(gòu)如圖2—1所示。 變頻器主電路結(jié)構(gòu)及功能 變頻器主電路原理圖如圖2—1所示，它由3部分構(gòu)成：整流電路、中間電路和逆變電路。1. 主電路工作原理 如圖2—2所示，由電源輸入的恒壓恒頻的交流電經(jīng)R、S、T端輸入變頻器主電路，經(jīng)VD1—VD6整流后變換成直流電，由于濾波電容CFCF2容量很大，所以設(shè)置限流電阻R1，上電前，控制K或V1斷開，濾波電容電壓升圖2—1 變頻器基本結(jié)構(gòu)圖2—2 變頻器主電路原理圖高后，再控制K或V1導(dǎo)通。晶體管VTB和電阻RB組成斬波器，以消耗電動機(jī)回饋時的能量，RB一般體積較大，通常安裝在變頻器的外面。帶有阻容吸收電路和二極管續(xù)流的晶體管VT1—VT6組成逆變電路，將整流、濾波后的直流電通過PWM調(diào)制技術(shù)轉(zhuǎn)換為頻率、電壓可調(diào)的交流電。交流電動機(jī)調(diào)速時要通過改變其輸入的交流電源頻率來進(jìn)行，在改變頻率的同時，電源電壓也要同時改變，二者要協(xié)調(diào)一致。正弦脈寬調(diào)制SPWM是現(xiàn)在變頻器普遍使用的控制技術(shù)。在PWM波形中，各脈沖量的幅值是相等的，也就是在變頻中整流電路整流及中間電路穩(wěn)壓后的電壓幅值，在變頻器工作時一直基本保持不變。要改變等效輸出正弦波的頻率和幅值，可以采用正弦波和三角波比較的方法。改變由模擬電路或微機(jī)產(chǎn)生的正弦波的頻率和幅值，三角波維持固定的頻率和幅值，二者比較后就可獲得基波為正弦波的脈寬調(diào)制波形。原理圖見圖2—3和圖2—4SPWM通常有單極性方式和雙極性方式。采用單極控制方式時在正弦波的半個周期內(nèi)每相只有一個開關(guān)器件開通或關(guān)斷。控制波形如圖2—5所示，如果在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙極性控制方式，控制波形如圖2—6所示。 圖2—3 圖2—4 圖2—5 單極控制方式 圖2—6 雙極控制方式2. 整流電路整流電路的功能是將交流轉(zhuǎn)換為直流。供逆變電路使用，整流電路在變頻器當(dāng)中有不可控整流電路和可控整流電路兩種。（1）不可控整流電路 不可控整流電路使用的器件為電力二極管，不可控整流電路按輸入交流電源相數(shù)不同分為單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路。如圖2—7所示，為不可控橋式整流電路，大部分通用變頻器屬于此種類型。對單相整流電路，通過計算可得到負(fù)載RL上的平均電壓為 對三相整流電路： 式中為相電壓的有效值（2）可控整流電路 在變頻器中，為了控制整流電壓，采用晶閘管整流橋，三相橋式可控整流電路有三相橋式全控整流和三相橋式半控整流兩種，如圖2—8所示。圖2—7 不可控整流電路 圖2—8（a） 圖2—8（b）三相橋式全控整流電路 三相橋式半控整流電路3. 中間電路變頻器的中間電路有濾波電路、制動電路和諧振電路等不同的形式。（1）濾波電路 雖然利用整流電路可以從電網(wǎng)的交流電源得到直流電壓或直流電流，但這種電壓或電流含有頻率為電源頻率6倍的紋波，影響逆變電路。因此，必須對整流電路的輸出進(jìn)行濾波，以減少電壓或電流的波動。1）電容濾波：由于電容量比較大，所以常采用電解電容。為了得到所需的耐壓值和容量，往往需要根據(jù)變頻器容量的要求，將電容進(jìn)行串并聯(lián)使用。電容串并聯(lián)使用時為了使各電容上電壓相等而給電容并聯(lián)電阻，電阻阻值為幾十千歐，即所謂“平衡電阻”，如圖2—9所示，平衡電阻的另一個作用是在變頻器斷電后給電容放電提供通道。采用大電容濾波后再送給逆變器，這樣可以使加于負(fù)載上的電壓值不受負(fù)載變動的影響，基本保持恒定。該變頻器電源類似于電壓源，因而稱為電壓型變頻器。電壓型變頻器的電路圖如圖2—9所示。2—9 電壓型變頻器的主電路框圖2）電感濾波：由于經(jīng)電感濾波后加在逆變器的電流值穩(wěn)定不變，所以輸出電流基本不受負(fù)載的影響，電源外特性類似電流源，因而稱為電流型變頻器。圖2—10為電流型變頻器的電路框圖。圖2—10 電流型變頻器的主電路框圖（2）制動電路 利用設(shè)置在直流回路中的制動電阻吸收電動機(jī)的再生電能的方式稱為斬波制動或再生制動。制動電路可由制動電阻或斬波制動單元構(gòu)成，圖2—11為制動電路的原理圖。制動電路介于整流器和逆變器之間，接在整流后的直流回路中，圖中的制動單元包括晶體管VB和制動電阻RB。一般RB通過變頻器接線端外接。在制動時能量經(jīng)逆變器回饋到直流側(cè)，使直流側(cè)濾波電容上的電壓升高，也就是通常所說的“泵升電壓”，當(dāng)該值超過設(shè)定值時，控制電路即自動給VB基極施加占空比可變的斬波信號，使之高頻的導(dǎo)通關(guān)斷，則存儲于電容C中的再生能量經(jīng)RB消耗掉。圖2—11 制動電路原理圖4. 逆變電路（1）電壓型逆變電路 電壓型逆變電路直流側(cè)一定接有大電容濾波，直流電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗，相當(dāng)于電壓源。（2）電流型逆變電路 電流型逆變電路在直流側(cè)串接有大電感，使直流電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻抗，相當(dāng)于電流源。（3）逆變電路使用的開關(guān)器件 對電動機(jī)來說，所提供的電壓越接近正弦越好，否則會有諧波干擾和機(jī)械振動。這就要用SPWM的方法來控制逆變電路開關(guān)的通斷。逆變電路開關(guān)器件通斷的頻率很高，往往達(dá)到幾KHz甚至數(shù)十KHz。在實際應(yīng)用中，逆變電路中的開關(guān)器件是各種電力電子器件，在中小功率通用變頻器中使用最多的事BJT和IGBT兩種，在大中功率通用變頻器中使用最多的是IGCT、GTO及IGBT 3種。 變頻器控制電路結(jié)構(gòu)及功能由圖2—1可見，常用變頻器控制電路包括：信號輸入輸出部分、中心控制單元、驅(qū)動電路、檢測保護(hù)電路、通信接口、控制電源等6部分。1. 信號輸入輸出部分變頻器的信號輸入輸出部分，包括模擬量的輸入輸出和開關(guān)量的輸入輸出，用于變頻器和外圍控制電路的聯(lián)系。1）開關(guān)量輸入接口接收外部的邏輯控制命令，如起停、正反轉(zhuǎn)、多種速度選擇等。2）開關(guān)量輸出接口向外部提供變頻器運行、故障等信號。3）模擬量