畢業設計---基于變頻器的交流異步電機調速系統(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 大小，可以實現變壓；其缺點是對電網的干擾大，而且整流得到的直流電壓諧波大，輸入功率因數低。而不可控整流的優點是對電網的干擾較小，整流得到的直流諧波小，電壓穩定，因而輸入功率因數高；缺點是直流電壓不可控，要想控制輸出電壓值，只有通過后面環節（逆變器可以控制電壓大小）。本設計面向的是不需要頻繁制動和反轉的電動機，所以選擇不可控二極管整流橋方式。濾波電路采用阻容方 式。逆變電路為三相全橋形式。 交流電動機變頻調速系統設計 8 圖 1 交 直 交電壓型變頻主電路 逆變功率器件的選擇 功率器件應根據設計的要求和性能指標來選擇，對于變頻調速系統，一方面要求開關頻率足夠高，另一方面要求有足夠的輸出容量，對比 SCR、 GTO、 BJT、GTR、 IGBT、 MOSFET、 MCT 等幾種常用的新型功率半導體器件， SCR 導通容易，但需強迫換流電路使其關斷； IGBT 具有自關斷能力，且有 GTR 的大容量和MOSFET 的驅動功率小、開關動作快等優點，是中小容量 最為流行的器件； MCT綜合了晶閘管的高電壓、大電流特性和 MOSFET 的快速開關特性，是極具有發展前景的大功率、高頻開關器件。對于本設計而言，選擇 IGBT 較合適。 系統控制方案的確定 控制電路作為交流電機變頻調速系統的核心部分，在影響整個系統的性能方面占有極其重要的地位，而控制系統的性能又取決于其運算速度和控制精度，這在某種程度上依賴于實現該系統的電子芯片。 目前 ,人們常常使用專用的芯片如 TL49 SG3525 等來產生 PWM(脈沖寬度調制 ) 波形 ,并由其通過反饋信號來實現對 PWM 波形的寬度的調節 ,從而獲得穩定的輸出。當控制電路設計完成后 ,就是一個相對獨立的系統 ,調節、控制方式不能再更改 ,系統的總體協調功能差。近幾年 ,基于微機控制的逆變系統主要采用單片機或 DSP (數字信號處理器 ) 控制。采用單片機的系統若使用定時器產生 PWM,由于中斷的特點 ,使輸出的 PWM 的脈寬容易發生改變 ,從而影響輸出電壓的精度。如MCS51 系列 ,中斷響應為 3～ 8個機器周期 ,用 6MHz的晶振 ,機器周期為 2μ s,逆變器工作頻率為 20 kHz,工作周期 50μ s ,則誤差范圍為 12 %～ 32 %。此外 ,單片機對系統調節的實時性差 (96系列的機型也不能滿足要求 ),因此單片機構成的系統一般需要外接產生 PWM的芯片 ,單片機主要用于協調系統的工作及輸出顯示。專用交流電動機變頻調速系統設計 9 DSP 的系統的實時性好 ,但靈活性差 ,通用的 DSP系統總體控制、協調性能不是很好 ,而且 DSP 開發過程比較復雜 , 開發工具價格昂貴。 可編程芯片尤其是 CPLD/ FPGA(復雜可編程邏輯器件 / 現場可編程門陣列 ) 具有通用性強、靈活性好的特點 ,這些芯片可以用 VHDL (非常高速集成電路硬件描述語言 ) 進行至頂向下的設計開發 ,設計者不需要了解硬件的結構就通過軟件編程用硬件來實現所需的控 制器 ,系統的抗干擾性能優于單片機系統。如 Altera 公司的可編程芯片 FLEX 10K,內部具有嵌入式陣列塊 EAB ,可以方便的配置為乘法器以及微控制器 ,其邏輯陣列塊 LAB 可以獲得所需要的邏輯控制信號。此外 ,使用 CPLD/ FPGA 的控制器可以在不改變主電路的前提下通過重新編程就可以獲得不同的控制方式 ,從而提高和升級系統的性能。盡管 CPLD/ FPGA 在通訊領域應用廣泛 ,但其逆變電源中的應用只處于起步階段。可以相信 ,采用可編程芯片控制的逆變系統是未來逆變系統研究的熱點 ,尤其是在試驗室進行研究和開發 ,更具有獨特的優勢 。 本設計力求在電路結構簡單的情況下，從經濟、節能角度出發，設計了一種基于 CPLD 的 SPWM 主控制電路，整個系統采用閉環控制，利用復雜可編程邏輯器件（ CPLD）來實現觸發控制電路的設計，通過模擬、數字電路實現閉環控制和調節算法，并把調節輸出信號作為 CPLD 的輸入控制信號對 PWM 波進行調制。這種電路結構簡單，產生原理完全不同于傳統的方法，可以和微機配合使用，僅占用微機很少的時間，也可以做成完全獨立式，不占用微機任何資源。控制電路的結構如圖 2 所示。 圖 2 系統控制電路框圖 交流電動機變頻調速系統設計 10 系統總體結構框圖 圖 3 系統總體電路框圖 交流電動機變頻調速系統設計 11 本設計所要完成的主要工作 課題的目標是完成交流電機變頻調速系統主電路和控制電路兩部分設計。所以，基于這種思想，本論文所做的工作包括以下幾個方面： （ 1）對交流電機的工作原理、運行特性以及變頻調速原理進行了解； （ 2）通過調研查找與本課題有關的資料，并進行認真的分析、消化； （ 3）在消化吸收的基礎上，根據本課題的特點，進行方案論證并確定設計方案； （ 4）根據確定的方案，進行主電路、控制電路（包括保護電路、觸發電路、反饋電路等）、繼電器、接觸器等電氣控制線路以及輔助直流電源的設計； （ 5）在設計當中，學習可編程邏輯器件（ CPLD）及其相應的軟件知識，為設計觸發電路做準備；并學習常用畫圖軟件工具以及完成有關上交材料； （ 6）整體電路優化和調試； （ 7）完成畢業設計論文和電氣原理圖。 本章小結 本章主要根據系統設計的要求，對系統主電路和控制 電路的幾種 可能實現的方案進行充分的論證、分析，提出了系統采納的方案以及說明選用該方案的原因，最終，系統主電路選用了交 直 交電壓型變頻主電路，控制電路利用模擬電路和數字電路實現，采用的是閉環控制，這樣，簡化了電路結構，縮短了設計周期。 交流電動機變頻調速系統設計 12 第三章 系統主電路設計 主電路工作原理 主電路由整流和逆變電路構成。三相交流電源經過三相全波整流、濾波、穩壓，為逆變器提供一個穩定可靠的大容量直流電源，然后由大功率開關元件按脈寬調制（ PWM）方式，將直流逆變成可變頻率和電 壓的交流，供交流電動機變速之用。主電路中大功率開關元件選擇 IGBT 模塊（ IGBT 即絕緣門極雙極晶體管），它集 VMOS 管和大功率達林頓晶體管特性優點于一身，而無兩者的缺點，具有高電壓、大電流、低導通電阻、高速、高可靠、低開關損耗、低脈沖拖尾電流、對溫度不敏感等特性。 本課題選用的是交 直 交電壓型 PWM 變頻主電路，它包括不可控整流電路、濾波電路和三相橋式逆變電路以及能耗制動電路。其結構如圖 4 所示。 交 直變換電路 該變換電路的 任務是將電源的三相交流電變換為平穩的直流電。 1. 整流電路 整流 電路因變頻電路輸入功率大小不同而異。對于小功率的，輸入電源多用單相 220V，整流電路用單相全波整流橋；對于大功率的，一般用三相 380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。本畢業設計中選用的是 11KW 的三相交流電動機，其額定電流為 ，額定電壓為 380V,額定頻率為 50HZ,額定轉速為 1460 轉 /分，屬于中小功率范圍。整流器件采用不可控的整流二極管或二極管模塊。如圖 4 所示。 2. 整流器件的一般選擇原則 1） 最大反向電壓 RMU mRM UU 2? ，式中 mU 是電源線電壓的振幅值 (3― 1) 2) 最大整流電流 VDMI 交流電動機變頻調速系統設計 13 NVDM II 2? ，式中 NI 為變頻器的額定電流 (3― 2) 3) 整流輸出的平均直流電壓 dU 如果電源的線電壓為 LU ，則三相全波整流后平均直流電壓的大小 dU = U 。 (3― 3) 交流電動機變頻調速系統設計 14 123456ABCD654321D C B ATitleNumberRevisionSizeBDate:10Jun2004Sheet of File:F:\電001談龍成\protel\MyDesign2.ddbDrawn By:D1D3 D6FUSE1FUSE2FUSE3L1 L2 L3C0 C1 C3C1 C2R1 R2RHHLReVdeR3D7C3R41KD8C4R5D9C5R7D11C7R8D12C8R61KD10C6MOTORRSTFU1RSVT3phaseQIGBTIGBTIGBTIGBTIGBTIGBTIGBTGND GND GNDP NV1V3V4V6V5 V2D4VeD2D5FU2圖4 系統主電路原理圖交流電動機變頻調速系統設計 15 中間直流電路 它包括吸收由整流器、逆變器回路產生的電壓脈動的濾波電路（也稱儲能回路）以及限流電路。 濾波電路 由于整流電路輸出的整流電壓中含有 6 倍電源頻率的脈動直流電壓，而逆變器采用 PWM 控制方式（由逆變器同時完成 VVVF） ,要求中間直流電路是電壓源型 , 所以一般采用電容器濾波。中間直流電路除起濾波作用外，還必須在整流器與逆變器之間起耦合作用，以消除相互干擾，這就要求給作為感性負載的電動機提供必要的無功功率。可見，中間直流電路的電容除起濾波作用外，還起儲能作用，因而它的電容量必須較大，所以，又稱儲能電容器。本課題中使用兩個大電容器 1C 、 2C ；又由于電解電容的電容量有較大的離散性，故電容器 1C 、 2C 電容量不能完全相等，這將使它們承受的電壓 1dU 和 2dU 不相等，為了使 1dU 和 2dU 相等，在 1C 和 2C 旁各并一個阻值相等的均壓電阻 1R 和 2R 。 2. 限流電路 圖 4 中，串接在整流橋和濾波電容器之間，由限流電阻 sR 和可控硅 VT 組成的并聯電路。 1) 限流電阻 sR 變頻電路在接入電源之前，由于儲能電容較大，濾波電容上電壓 dU =0，故接入電源瞬間勢必產生很大的沖擊電流經整流橋流向濾波電容，此時 dtdi 很大，可能使整流橋受到損壞；也可能使電源 瞬間電壓下降，形成干擾。為限制該沖擊電流，有必要在整流橋的輸出端和濾波電容器之間串入一個限流電阻 sR 。 2)可控硅 VT 當電路正常工作是，如將此限流電阻長時間接在電路中，會引起附加損耗和整流輸出直流電壓以及逆變器輸出電壓的不穩定。所以，當電容兩端的電壓增加到額定電壓的 70%時，觸發可控硅，將電阻 sR 切除電路，并使一直處于導通狀態。觸發可控硅 VT 的電路可設計如圖 5 所示。 圖 5 可控硅觸發電路 圖中，通過調節 1P 來設定基準電壓。并同主回路 P 點電壓相比較，當 P 點交流電動機變頻調速系統設計 16 電壓高于基準電壓時，比較器 LM331 輸出高電平，在通過光耦 TLP741 進行隔離放大，使 VT 導通。 直交變換電路 1. 逆變器 其功能是把直流電壓逆變成頻率可調的交流電壓。在圖 4 中，有開關器件 1V ~ 6V 構成的電路。 1V ~ 6V 的器件接受控制電路中的 PWM 調制信號的控制，將直流電壓逆變成三相交流電壓。本設計中，采用了由開關元件 IGBT構成的三相橋式逆變電路，由于 IGBT 具有 GTR 的大容量和 MOSFET 的開關動作快、驅動功率小等優點，發展很快，備受青睞，在電機控制和開關電源領域中有著廣泛的前景。 2. 續流電路 由圖 4 中的 61 ~DD 構成。其功能為 1)為電動機繞組的無功電流返回直流回路時提供通路； 2)頻率下降，從而同步頻率下降時，為電動機的再生電能反饋至直流電路提供通路。