矢量控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)_畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 WM 波形發(fā)生器、隔離電路、保護(hù)電路、 信號(hào) 采樣電路、液晶 顯示與 鍵盤(pán) 電路等組成。 其基本原理是：將 380V/50Hz 的三相交流電壓經(jīng)二極管不控整流電路與直流側(cè)電容濾波后變?yōu)橹绷麟妷海?DSP 為核心的控制電路實(shí)時(shí)采樣電壓、電流、轉(zhuǎn)速的瞬時(shí)值，按照矢量控制算法產(chǎn)生 PWM 脈沖信號(hào)去控制 PWM 逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷，再經(jīng)輸出 LC 濾波器獲得幅值、頻率可調(diào)的三相正弦交流電壓。 圖 變頻電源硬件結(jié)構(gòu)框圖 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 380V/5KVA 矢量控制交流變頻調(diào)速系統(tǒng) 的主電路結(jié)構(gòu)如圖 所示， 主 要 由 三相整流橋、軟啟動(dòng)電路、直流濾波電路、指示燈電路、制動(dòng)電路、 PWM 逆變器、輸出濾 波器等組成。各部分的主要作用如下： （ 1）三相整流電路：將電網(wǎng)輸入的三相 380VAC 進(jìn)行整流濾波，為變換器提供波紋較小的 530VDC 直流電壓。 （ 2）三相逆變電路：將 DC530V 電壓逆變?yōu)轭l率、幅值可調(diào)的三相交流電，提供給負(fù)載。 （ 3）輸出濾波電路：濾除干擾和諧波，使輸出為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。 （ 4）直流濾波電路：整流部分和逆變部分的中間環(huán)節(jié)，起到穩(wěn)定電壓的作用。 （ 5）軟啟動(dòng)電路：限制啟動(dòng)電流，保護(hù)功率器件。 （ 6）制動(dòng)電路：實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，避免產(chǎn)生泵升電壓，損壞功率器件。 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 圖 主電路結(jié)構(gòu)圖 主電 路參數(shù)計(jì)算及元器件選型分析 整流電路及其參數(shù)計(jì)算 通常有三種整流方式 :二極管不控整流，晶閘管半控整流和晶閘管全控整流。采用晶閘管半控、全控整流既可以在開(kāi)機(jī)上電后使整流電壓逐漸上升到最大值 ,實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)；又可以在電源出現(xiàn)故障時(shí) ,關(guān)斷晶閘管 ,從而關(guān)閉直流環(huán)節(jié)。但由于可控整流的控制比較復(fù)雜 ,目前在大功率變頻器等應(yīng)用領(lǐng)域 ,整流部分多采用不控整流 ,跟可控整流相比 ,這種方式可以提高網(wǎng)側(cè)電壓功率因數(shù) ,而且控制簡(jiǎn)單 ,較為經(jīng)濟(jì)。 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。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。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)。因?yàn)槭茈娙萘亢湍蛪旱南拗疲瑸V波電路通常由若干個(gè)電容器并聯(lián)成一組，又由兩個(gè)電容器組串聯(lián)而成。如圖 中的 C1 和 C2。由于兩組電容特性不可能完全相同，在每組電容組上并聯(lián)一個(gè)阻值相等的分壓電阻 R1和 R2。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 R5，從而使電容的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)電容充電到一定程度時(shí)，使 S5 閉合，將限流電阻 短路。電源指示燈DS除了指示電源通電外，還作為濾波電容放電通路和指示。 整流二極管的選擇 整個(gè)電源容量為 5KVA,輸入電壓為三相市電 ,線(xiàn)電壓有效值為 V380 ,輸出電壓為三相三線(xiàn)制 ,相電壓有效值為 V220 ，根據(jù)系統(tǒng)容量和輸入電壓值可計(jì)算出直流側(cè)最大電壓和電流。 (1)直流電壓 Ud 輸入為三相交流電壓 V380 ,其峰值電壓為 2 380 537 V?? ,公式（ ）是三相橋式可控整流電路的公式 , Ud 是整流出來(lái)的直流電壓值 ,U 是輸入整流橋的交流相電壓有效值 ,ɑ是觸發(fā)角。當(dāng)把整流橋的可控器件換為二極管時(shí) ,即不控整流 時(shí) ,ɑ=0,則三相不控整流的輸出直流電壓為 VUU 1 42 2 o ???? ? () 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 實(shí)際應(yīng)用中 ,由于直流側(cè)電解電容的穩(wěn)壓作用 ,當(dāng)變頻電源空載時(shí) ,直流側(cè) 電壓的值基本維持在 V530 左右。 (2)額定狀態(tài)下直流側(cè)的平均功率 avP 本電源的額定容量為 KVA5 ,功率因素此處計(jì)算取 ，考慮到實(shí)際中功率開(kāi)關(guān)管等會(huì)有損耗，功率因數(shù)按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取 。 WP 33av ????? () (3)直流電流平均值 dI AUPI 3davd ???? () 整流電路元件選取需要從電流定額和電壓耐量?jī)蓚€(gè)方面考慮。 電流定額： AIKI IMP M N ???? () 電壓耐量： VUKU UMRM 8 0 63 8 l ????? () 其中 IMK 、 UMK 分別為電流、電壓安全裕量系數(shù)。 lU 為交流輸入線(xiàn)電壓有效值。 儲(chǔ)能電容的設(shè)計(jì) 儲(chǔ)能電容的參數(shù)通常按如下公式計(jì)算： L3~5 /C T R?（） （ ） 式中 T為輸入側(cè)直流電壓的脈動(dòng)周期 , LR 為直流側(cè)等效負(fù)載電阻 ,裝置的額 定容量為 KVA5 ,考慮阻性負(fù)載 ,直流母線(xiàn)電壓為 VVE 514? ,則： ???? 22EEL PVR () 直流側(cè)為交流電壓 (50Hz)經(jīng)三相全橋整流后的電壓 ,其輸出 電壓一周期內(nèi)有 6 個(gè)脈波 ,則 1 ???T ,代入式 ()可得： L3 ~ 5 / ( 3 ~ 5 ) 0 . 0 0 3 3 3 / 5 2 . 8 4 1 8 9 ~ 3 1 5 μFC T R? ? ? ?（） () 考慮到為了提供更穩(wěn)定的直流母線(xiàn)電壓 ,實(shí)際設(shè)計(jì)中取 560 181。F/ V450 的電解 電容兩個(gè)串聯(lián) ,相當(dāng)于一個(gè) 280 181。F/ V900 的電容。 充電限流電阻 為了在上電時(shí)限制電容的充電電流 ,需要設(shè)置充電限流電阻 ,如圖 21 中的電阻 R5,設(shè)計(jì)時(shí)希望充電電流最大值在 10A左右 ,而上電瞬間電位差為 V530 ,那么限流電阻 R1的值為： ????? 5053105 3 0d1 IUR () 考慮到瞬時(shí)電流很大 ,要求電阻可以承受 ,所以選用大功率的水泥電阻 ,水泥電阻放熱面積大 ,溫度上升率較小 ,水泥型卷線(xiàn)電阻器耐脈沖特性良好 ,能面對(duì)很大的瞬間電流武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 經(jīng)過(guò) ,大約可以承受 10 倍于額定功率的瞬時(shí)功率達(dá) 5 秒鐘 ,即使電阻上功率大了也不容易燃燒 ,有非常好的阻燃性 。 而且水泥電阻比較便宜 ,因此經(jīng)常被選作為電源上的充電限流電阻 。 功率的選取 ,是由電阻上消耗的平均功率來(lái)決定的 ,計(jì)算方法如式 ()所示 ： ?? tt502 ee1udt1 ?? ?????????? ???? ? EEERUTP ， () 其中 P為平均功率 ,時(shí)間 T為 5秒鐘 ,整流后的直流電壓 E 為 530V。又有 ： 01 050 6 ????? ?RC? ，則： WTREP |e2250t22 ??? ?????????? ?? ?? () 實(shí)際設(shè)計(jì)中選用 兩個(gè) 100? , W5 的水泥電阻并聯(lián) 。 逆變電路及其參數(shù)計(jì)算 作為逆變的一種重要形式 ,三相逆變器廣泛應(yīng)用于用大電量或三相四線(xiàn)制供電負(fù)載場(chǎng)合，其電路拓?fù)渲饕腥嗳珮蚴健⑷喟霕蚴健⑷嗨臉虮凼胶徒M合式等結(jié)構(gòu)。 三相全橋逆變器具有電路拓?fù)浜?jiǎn)潔，所用功率器件數(shù)少，功率開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)，但為了提高帶不平衡負(fù)載的能力，必須在其 輸出端增加中點(diǎn)形成變壓器 ,從而在一定程度上增加了逆變器的體積和重量。三相半橋逆變器雖然也有上述優(yōu)點(diǎn) ,但其輸入直流電源電壓利用率較低 ,而且相同輸出電壓時(shí)功率開(kāi)關(guān)的電壓應(yīng)力較大，為了獲得強(qiáng)的帶不平衡負(fù)載的能力 ,兩個(gè)串聯(lián)的電解電容必須足夠大 ,從而使逆變器體積和重量增加。三相四橋臂逆變器雖然帶不平衡負(fù)載的能力較強(qiáng) ,但其電路拓?fù)漭^復(fù)雜，所用功率器件數(shù)較多，控制也復(fù)雜。組合式三相逆變器由 3 個(gè)單相逆變器星形聯(lián)結(jié)構(gòu)成 ,能同時(shí)實(shí)現(xiàn)單相和三相四線(xiàn)制供電。由于每相可分別獨(dú)立控制 ,易實(shí)現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)，模塊冗余技術(shù) ,因此系統(tǒng)的可靠性高 ,具有極強(qiáng)的帶不平衡負(fù)載能力。但是這種電結(jié)構(gòu)的元器件數(shù)多，成本高 [13]。 PWM 逆變器的 PWM 輸出電壓會(huì)產(chǎn)生很高的 dv/dt，損壞電機(jī)絕緣。為此，可在逆變器的輸出端設(shè)置 LC 濾波電路，以減小 dv/dt，濾除高次諧波，改善輸出電壓波形。 逆變部分主要元件為 IGBT。 IGBT 的選擇應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的因素： （ 1） 開(kāi)關(guān)器件額定值 (主要為額定電壓和電流 )的選擇。正確選用 IGBT 有兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié) :一是開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí) ,在任何被要求的過(guò)載條件下 ,集電極峰值電流都必須處于開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)的規(guī)定之內(nèi) (即小于額定電流的兩倍 )；二 是 IGBT 工作時(shí)的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)溫度必須始終保持在 150℃以下 (包括過(guò)載情況 )。 （ 2）開(kāi)關(guān)器件安全工作區(qū)的選擇。實(shí)質(zhì)上是防止因過(guò)電壓或過(guò)電流引起 IGBT 損壞或工作不穩(wěn)定。 （ 3）降額因素的考慮。開(kāi)關(guān)器件的工作環(huán)境與測(cè)試條件是不同的 ,通常實(shí)際應(yīng)用中指標(biāo)會(huì)有所下降。基于以上因素 ,對(duì) IGBT 的電壓電流 進(jìn)行如下計(jì)算： 電路額定輸出容量為 5KVA,功率因數(shù) ,則額定輸出功率： WSP os0 ????? ? () 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 考慮最大輸出功率為額定值的 倍 ,輸出相電壓有效值為 220V,則通過(guò)每個(gè) IGBT電流的有效值為 : AUPI 2 03 5 0 0co s3 0 ??? ???? ? () 則通過(guò) IGBT 的電流峰值為 : AII P ????? () 當(dāng)上 (下 )橋臂開(kāi)通 ,下 (上 )橋臂關(guān)斷時(shí) ,下管 (上管 )IGBT 兩端承受 DC53OV電壓。為了使電路工作更加安全可靠 ,這里取兩倍電流電壓安全裕量 ,綜合考慮元器件性?xún)r(jià)比等因素， 本課題選取 Infineon 公司生產(chǎn)的 SGW25N12O 型 IGBT,該器件具有封裝小 、 功耗低 、 功率壽命周期高等優(yōu)點(diǎn) ,規(guī)格為 1200V/25A。 輸出濾波器 為保證變頻電源輸出波形正弦度好、失真度小 ,必須在逆變電路輸出端安裝 濾波器。輸出濾波電路常用的是 L型或 ? 型濾 波器。如圖 所示： （ A） L 型 （ B)? 型 圖 濾波器結(jié)構(gòu) 其中 L型濾波器形式簡(jiǎn)單 ,應(yīng)用也較廣 ,故本系統(tǒng)采用此種設(shè)計(jì)。 濾波器參數(shù)選擇時(shí) ,應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)要求 : 在滿(mǎn)足輸出電壓波形失真度要 求的前提下 ,盡量提高濾波器的諧振頻率 ,以減小其體積和重量。 濾波電路應(yīng) 具有較低的輸出阻抗 ,以減小負(fù)載變化時(shí)對(duì)濾波器濾波效果的影響。 盡量低的 損耗。一般按照低通濾波器的計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì) ,使濾波器基波頻率落在通帶之 內(nèi) ,從而達(dá)到抑制諧波，保留基波的目的 [14]。 忽略電感線(xiàn)圈內(nèi)阻和電容漏電阻 ,帶純阻性負(fù)載 R的 L型濾波器傳遞函數(shù)為 : 22nn2n210 s2sj)s( ?????? ??????? LL C RR RVVGLLL （ ） 式中 n? 表示無(wú) 阻尼震蕩頻率，LC1n??； ? 為阻尼比， CLRL21?? ； 由式（ ）得： 武漢工程大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 ? ?? ? ? ?222101 LLCRRVVLL?? ??? () 由式（ ） 可知高頻信號(hào)通過(guò)濾 波器的衰減倍數(shù)為 LC21?，低頻信號(hào)則不衰減， 由此可見(jiàn) L型濾波器是低通濾波器 ,其截至頻率： LC??? 2 12f nc ?? () 逆變輸出電壓基波頻率 f0《 fc時(shí) ,濾波器對(duì)基波信號(hào)阻力小 ,允許其通過(guò)；最低次諧波頻率丘 fcfk1》 時(shí) ,濾波器對(duì)最低次諧波阻力大 ,不允許其以及高于其頻率的信號(hào)通過(guò)。如果濾波器截止頻率選得過(guò)高 ,諧波衰減減小 ,必然導(dǎo)致濾波效果下降 ,系統(tǒng)中的高頻分量得不到很好的抑制 ,輸出電壓不能滿(mǎn)足波形失真度的要求；反之若頻率選得過(guò)低 ,L、 C值增大 ,濾波電感和電容的體積和重量也會(huì)增加 ,而且濾波電路引起的相位滯后變大 ,影響整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此 ,應(yīng)當(dāng)在保