交流異步電動機變頻調速設計畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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） 。 在本設計中采用圖 的主電路，這也是變頻器常用的格式 [4]。 圖 電壓型交直交變頻調速主電路 變頻器主電路設計的基本工作原理 整流電路是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，由于整流電路原理比較簡單，設計中不再做詳細的介紹 [5]。 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部分，電壓性逆變器的工作原理如下： （ 1）單相逆變電路 在圖 的單相逆變電路的原理圖中： 當 1S 、 4S 同時閉合時， abU 電壓為正； 2S 、 3S 同時閉合時， abU 電壓為負。 由于開關 1S ～ 4S 的輪番通斷，從而將直流電壓 DU 逆變成了交流電壓 abU 。 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： 1S 、 2S 交替導通，每個開關導通 ? 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 DU 。 第 15 頁 共 31 頁 圖 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 所示。 圖 33 中， 1S ～ 6S 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 32? 的三 相交流電壓。 當 1S 、 4S 閉合時， VUu? 為正； 3S 、 2S 閉合時， VUu? 為負。 用同樣的方法得： 當 3S 、 6S 同時閉合和 5S 、 4S 同時閉合，得到 WVu? , 5S , 2S 同時閉合和 1S 、 6S同時閉合，得到 UWu? 。 為了使三相交流電 VUu? 、 WVu? 、 UWu? 在相位上依次相差 3?；各開關的接通、關斷需符合一定的規律，其規律在圖 中已標明。根據該規律可得 VUu? 、 WVu? 、UWu? 波形如圖 所示。 a) 結構圖 b) 開關的通斷規律 c) 波形圖 圖 三相逆變器原理圖 第 16 頁 共 31 頁 IGBT 及驅動模塊介紹 IGBT 簡介及驅動要求 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。眾所周知，構成 IGBT 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、沒有二次擊穿現象、元件并聯運行容易、控制功率小的優點，缺點是導通電阻大，耐壓水平不容易提高。 BJT 屬于雙極型器件，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 技術的發展，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 在設備中所占成本比例較高，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成本和提高整機可靠性，就成為設計者和使用者所必須關心的一個問題 .關于 IGBT 的基本結構、工作原理、主要參數、特性等在電力電子書本里已經有詳細介紹，在這里不在贅述 [7]。 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 GEU 的增加，通態壓降減小，開通損耗也減小 .若 GEU?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 GEU? 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 GR 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 GR 減小，則又將使 dtdi 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 運行的安全性和可靠性。 通過以上分析可以看出，一個理想的 IGBT 驅動電路應具有以下基本性能 : (1)通常 IGBT 的柵極電壓最大額定值為 ? 20V，若超過此值，柵極就會被擊穿，導致器件損壞。為防止 柵極過壓，可采用穩壓管作保護。 (2)IGBT 存在 ～ 6V(T=25? C)的柵極開啟電壓，驅動信號低于此開啟電壓時，器件是不導通的。要使器件導通，驅動信號必須大于其開啟電壓。當要求 IGBT工作于開關狀態時，驅動信號必須保證使器件工作于飽和狀態，否則也會造成器件損壞。正向柵極驅動電壓幅值的選取應同時考慮在額定運行條件下和一定過載 第 17 頁 共 31 頁 情況下器件不退出飽和的前提，正向柵極電壓越高，則通態壓降越小，通態損耗也就越小。對無短路保護的驅動電路而言，驅動電壓高一些有好處 ，可使器件在各種過流場合仍工作于飽和狀態。通常，正向柵極電壓取 15V。在有短路保護的場合，不希望器件工作于過飽和狀態，因為驅動電壓小一些，可減小短路電流，對短路保護有好處。此時，柵極電壓可取為 13V。 另外，為減小開通損耗，要求柵極驅動信號的前沿要陡。 IGBT 的柵極等效為一電容負載，所以驅動信號源的內阻要小。 (3)當柵極信號低于其開啟電壓時， IGBT 就關斷了。為了縮短器件的關斷時間，關斷過程中應盡快放掉柵極輸入電容上的電荷。器件關斷時，驅動電路應提供低阻抗的放電通路。一般柵極反向電壓取為 (5～ 0)V。當 IGBT 關斷后在柵極加上一定幅值的反向電壓可提高抗干擾能力。 (4)IGBT 柵極與發射極之間是絕緣的，不需要穩態輸入電流，但由于存在柵極輸入電容，所以驅動電路需要提供動態驅動電流。器件的電流、電壓額定值越大，其輸入電容就越大。當 IGBT 高頻運行時，柵極驅動電流和驅動功率也是不小的，因此，驅動電路必須能提供足夠的驅動電流和功率。 (5)IGBT 是高速開關器件，在大電流的運行場合，關斷時間不宜過短，否則會產生過高的集電極尖峰電壓。柵極電阻 GR 對 IGBT 的開關時間有直接的影響。柵極電阻過小，關斷時間過短，關斷時產生的集電極尖峰電壓過高，會對器件造成損壞，所以柵極電阻的下限受到器件的關斷安全區的限制。柵極電阻過大，器件的開關速度降低，開關損耗增大，也會降低其工作效率和對其安全運行造成危險，所以柵極電阻的上限受到開關損耗的限制。對 600VIGBT 器件，柵極電阻可據下式確定： eR =(I～ 10)625/ eI 式中， eI 為 IGBT 的額定電流值 . 柵極電阻的下限取系數為 1，限取系數為10。對于 1200V的 IGBT 器件，柵極的電阻值可取相同電流額定值的 600V器件阻值的一半。 (6)驅動電路和控制電路之間應隔離。在許多設備中， IGBT 與工頻電網有直接電聯系，而控制電路一般不希望如此。驅動電路具有電隔離能力可以保證設備的正常工作，同時也有利于維修調試人員的人身安全 .驅動電路和柵極之間的引線應盡可能短，并用絞線，使柵極電路的閉合電路面積最小，以防止感應噪聲的影響。采用光耦器件隔離時，應選用高的共模噪聲抑制器件，能耐高 電壓變化率。 (7)輸入輸出信號傳輸盡量無延時。這一方面能夠減少系統響應滯后，另一方面能提高保護的快速性。 (8)電路簡單，成本低 第 18 頁 共 31 頁 第四章 控制回路設計 控制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： 驅動電路設計 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。以下將介紹SPWM 技術工作原理和設計中所選用能產生 SPWM 波芯片 SA4828 的基本結構和工作原理。 SPWM 調制技術簡介 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、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、現代調速系統的發展起到了極大的促進作用。近幾年來。由于場控自關斷器件的不斷涌現。相應高頻 SPWM(正 弦脈寬調制 )技術在電機調速中得到了廣泛應用，不僅能及時、準確地實現變壓變頻控制技術，而且更重要地是抑制逆變器輸出電壓或輸出電流中的諧波分量，從而提高了電機的工作效率，擴大了調速系統的調速范圍。實際工程中目前主要采用的 PWM 技術是正弦 PWM(SPWM)，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。 根據電機學原理，交流異步電動機變頻調速時，如果按照頻率與定子端電壓之比為定值的方式進行控制，則機械特性的硬度變化較小，所以在變頻的同時，也要相應改變定子的端電壓。若采用等脈寬 PWM 調制技術實現變頻與變壓，由于輸出矩形波中含有較嚴重的高次諧波，會危害電動機的正常運行。 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，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔最小；當正弦值 第 19 頁 共 31 頁 較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，那么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 )進行比較，如圖 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，并送入電壓比較器，輸出即為 SPWM 調制波。圖 為 SPWM 波生成方法 [10]： utt0u開的時刻關的時刻調制波載波0 圖 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較