交流電機變頻調速控制(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 動源應能提供足夠的功率及電壓、電流幅值，使 IGBT總處于飽和狀態，不因退出飽和而損壞。 （ 3） 、 合適的正向驅動電壓 UCE：在有短路過程的設備中，建議選用 UCE=15V177。 10％。 （ 4） 、 合適的負偏 壓：在關斷過程中，為盡快抽取 PNP管的存儲電荷，縮短關斷時間，需施加負偏壓 UGE，同時還可防止關斷瞬間因 du/dt過高造成誤導通，并提高抗干擾能力。反偏壓 UGE一般取 2～ 10V。 （ 5） 、 合理的柵極電阻 RG：在開關損耗不太大的情況下，應選用較大的 RG。參照表 2—1， RG 的范圍為 1～ 400Ω。 表 2— 1 IGBT柵極串接電阻 RG的參數值 IGBT 額定電壓值 /V 500V 15A 30A 50A 100A 150A 200A 300A 400A 1000V 5A 15A 25A 50A 75A 100A 150A 200A 300A 500A RG/Ω 150 82 50 25 15 12 5 2 （ 6） 、 IGBT多用于高壓場合，故驅動電路與整個控制電路應嚴格隔離。 （ 7） 、 利用門極控制特性，實現對 IGBT 的過電流、短路、柵極前電壓、管芯過熱等保護。 （四 ）、其它電路及器件 電流檢測電路 電流檢測電路如圖 2— 3所示。它主要由三個電流互感器組成，其目的是為 檢測主電路中流過的電流。當主電路中電流增大時， 電流互感器的輸出電流也增大。輸出的電流再通過六個二極管 （ VD1～ VD6）進行整流，得到一個直流電后再通過電容器進行濾波讓得到的電流更平整。電位器 RP1的目的是為了在電流互感輸出電壓不變而需要調整該電路的輸出電流時，可以調整該電阻從而調整其輸出電流。該電路的輸出接電流調節器使電路行成一個閉環的回路，讓系統更加平穩。 在本設計中，該電路的目的是為了檢測主電路中三相中流過電流的大小。使其檢測后的電路反饋到電流調節器中。使變頻器直流側的電壓更加穩定。 天津工程師范學院成人教育畢業設計論文 10 圖 2— 3 電流檢測電路 三 、控制電路整流部分 （ 一 ）給定積分器 給定積分器是把階躍的輸入信號轉變成 線性的斜坡信號，斜率大小可以根據生產工藝要求方便地進行調整。由模擬電子 電路組成的給定積分器原理圖如圖 31所示，它包含三級運算放大器。第一級是高放大倍數的倍數的極性鑒別器，其輸出電壓 U1只取于給定電壓 Uw*相反的極性不過 Uw*大小如何變化， U1都是飽和值。第二級是反向器，使其輸出電壓 U2的極性再倒一下，變成與 Uw*極性相同。第三極是積分器。經 RC積分使輸出電壓 Ugi成為斜坡信號，積分的變化率用電位器 RP來調節。最后，再由 Ugi引負反饋信號回到第一級，已決定積分的終止時刻。只要 Ugi的絕對值小于 Uw*，則第 一級輸出 U1始終飽和，負反饋對它沒有影響直到 |Ugi|=| Uw*|時， U U2很快下降到零，積分終止， Ugi保持恒值。 圖 32上標出了給定電壓 Uw*為正時各級運放的輸出極性。這時，突加 Uw*和突減 Uw*各處電壓的波形示于圖 32積分器的積分時間可從其虛地點的電流平衡方程式推導出來 CsURU /1 gi2m ?? TsmUR C smUU g i )/1( 22 ?? ???? 式中 T=RC—— 積分時間常數。調節和 T都能改變 Ugi的斜率，從而改變調速系統的加減速，一般系統要求積分時間在 550s之間可調 。 如果把第一級運放改為同向端輸入，可以省去一個反相器，只要改變一下負反饋的接法就可以了。 給定積分器輸出 Ugi的波形實際上代表課調速系統轉速的啟動、運行、制動波形，因此給定積分器又稱軟啟動器，它是人好轉速開環的調速系統可靠工作所不可缺少的控制部件。 天津工程師范學院成人教育畢業設計論文 11 U *w RoR balR 1R oR balR oR oRPRR balCU 1U 2p U 2U gi 31給定積分器電路圖 U W *0U 10U 20U gi0U 1 mU 2mU 2mU 1mtttt 圖 32給定積分器波形圖 （二）、轉速調節器 轉速調節器（ ASR)的輸入信號為速度給定 Ug 與轉反饋電壓 UFN 的偏差，輸出 電壓 UI作為電流調節器（ ACR)的給定信號。通過轉速反饋使得系統的轉速穩定，無靜差。電動機的轉速跟隨給定電壓的變化而變化；對負載的變化起抗擾作用；同時系統在剛剛開始工作的一段時間內，輸出電壓 UI達到限幅值，從而使系統在最大啟動電流的情況下啟動。 轉速調節器（ ASR)的功能是對給定反饋兩個量進行加法、減法、比例、積分、微分等運算。如圖 3— 3所示，運算放大器 LM741的反饋電路中接了電阻 R及電容 C，構成了比例積分電路（ C 可外接電容，電容的大小可根據需要選擇），動態比例放大倍數由 RP3 調節，而 RP4可對 各參數的阻容比例進行調節，不用時，將 RP4停在最大電阻處，在電動機空載電流小且主回路不串接電感時，會出現電流斷續，可適當調節 RP4，提高電容比例， RP1和 RP2為正負限幅調節，限制輸出的電壓，因此也可以限制一下環節的輸入電壓的最大值。在應用有靜差調速環節時，將 C3短接，使得該調節器變成比例調節器。 天津工程師范學院成人教育畢業設計論文 12 圖 3— 3 轉速調節器 （三）、電流調節器 電流調節器（ ACR)的給定信號是速度調節器的輸出信號 UI 反饋信號來自于交流電流互感器的輸出，它從系統整流和逆變之后，取 出部分信號作為電流反饋信號 Ufi。速度調節器的輸出信號 UI與電流反饋信號 Ufi的偏差通過 PI 運算后的輸出信號 UCT 作為觸發器的控制信號調節逆變器的控制角。當負載發生變化及電網電壓波動引起的電流變化得到有效的抑制；在起動時保證電動機獲得最大的啟動電流；在轉速調節的過程中，使電流跟隨其給定電壓的變化 ；當電動機發生過載或堵轉時限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護作用。同時，當故障消失時，系統能自動恢復正常。如圖 3— 4 圖 3— 4 電流調節器 （四）、零速封鎖 零速封鎖器的作用是保證電動機在停車狀 態下不會爬行，當轉速給定電壓 Ug和速度反饋電壓 UFN 同時為零時，封鎖各調節器，零速封鎖器首先將模擬電壓通過 LM324轉換成電平信號，其繼電特性可使電平信號相對穩定，提高抗干擾能力。門電路及延時電路、驅動電路天津工程師范學院成人教育畢業設計論文 13 在零速封鎖器輸入為零時封鎖；再零速封鎖器輸出為 15V時可以開始工作，圖 3— 5所示為零速封鎖器（ DZS）電路圖。 圖 3— 5 零速封鎖器 （五）、六路脈沖 觸發電路 晶閘管最重要的特征是可控的正向導通特性，晶閘管由關斷狀態轉換為了導通狀態應具備兩個基本的條件。第一就是在電路中晶閘管應承受正向的陽 極電壓，即其陽極電位要高于陰極電位；第二是在門極與陰極間加一個具有一定功率的正向觸發電壓，這一觸發信號是由觸發電路提供的，根據具體情況這個觸發信號可以是交流信號、直流信號、還可以是脈沖信號。由于晶閘管被觸發導通以后，門極的觸發信號即失去控制作用，為了減少門極的損耗及觸發功率，故一般不用交流或直流觸發信號，常用脈沖形成的觸發信號。 根據觸發電路控制晶閘管的通斷方式可分為移相觸發和過零觸發兩類。移相觸發就是改變晶閘管在每個周期內的導通時刻也就是改變控制角α的大小，從而控制輸出電壓、功率的大小；而過零觸發是在設定 的時間間隔內，改變晶閘管導通的周波數，從而實現對輸出電壓、功率的控制。而應用最為廣泛的是移相觸發。 圖 3— 6 六路 脈沖 天津工程師范學院成人教育畢業設計論文 14 觸發電路的特點 本觸發采用六路雙窄脈沖 KC04集成觸發組件在設備中具有 a．同步濾波網絡不受電源中波形畸變和換流缺口的干擾。 b．適應較寬的同步電壓范圍，并只需三相同步電壓。 c．各相脈沖不均衡度很小。 d．能很方便地與調節系統匹配，并只需調節信號的上下限就可以調節整流和逆變角。 e．輸出是脈沖列式的雙脈沖，對不同寬度的脈沖可以使用統一的脈沖變壓器。 f．有一個脈沖輸出端，用以控制脈沖輸出和正反組可逆系統中作邏輯切換控制。 g．由于采用專用電路 KC0 KC41控制板體積小、調整維修方便。 KC04觸發電路的工作原理 對于拖動 ，常采用 KC04集成芯片就能滿足觸發要求；根據具體情況觸發信號可以是交流信號，直流信號也可以是脈沖信號，由于晶閘管被觸發導通以后，門極的觸發信號即失去控制作用。為了減少門極的損耗及觸發功率，故在該設備中采用脈沖形式的觸發信號，使用移相觸發通過改變晶閘管在每個周期內的導通時刻，也就是 改變控制角α的大小，從而控制輸出電壓功率的大小。同時為了使觸發電路具備性能可靠、功耗低、體積小、調試方便等，故在設備中選用 KC41C 集成化六路脈沖觸發組件，其原理圖如圖 3— 6 所示。 該觸發組件將控制電壓的大小轉換成相應控制角的觸發脈沖，使電路可靠工作。每一相輸出脈沖可靠地驅動一只大功率晶閘管，有一個脈沖輸出控制端，用以控制端，用以控制脈沖的輸出和在系統中作正反組邏輯切換控制用。組件輸出脈沖列式為雙脈沖。 KC41C 是六路脈沖形成集成電路。 KC41C 的輸入信號通常是 KC04 的輸出，把三相三塊KC04移相觸發器 的 1腳與 15 腳產生的 6個脈沖分別接到 KC41C集成的 1～ 6腳 ,經內部集成二極管完成 或 功能 ,形成雙窄脈沖 ,再由內部 6個集成三極管放大 ,從 10～ 15腳輸出 ,還可以在外部設置 V1～ V6 晶體管作功率放大 ,可得到 800mA 的觸發大電流的晶體管用 .KC41C 不僅具有雙窄脈沖形成功能 ,而且還具有電子開關控制封鎖功能 ,當 7 腳接地或處于低電位時 ,內部集成開關管 V7截止 ,各路正常輸出脈沖 。當 7腳接高電位或懸空時 , V7飽和導通 ,各路無脈沖輸出 . 四 、 控制電路 逆變部分 本設計采用 SPWM技術，但是采用了可控整流。其 目的是為變頻器輸出的電壓更加穩定，同時為使調速范圍更加大。本設計的重點主要集中在逆變部分。逆變部分的框圖如圖 4— 1所示。 天津工程師范學院成人教育畢業設計論文 15 三角波發生器電壓頻率 轉換正弦波發生器比較器阻容延遲 電路 圖 4— 1 逆變部分 圖中，電壓、頻率轉換電路的輸入接絕對值運算器的輸出，而延時電路的輸出接驅動電路。設置電壓、頻率轉換電路的目的是為了獲得符合圖中 U1— F1輸出特性，即在基頻以下，產生一個與頻率 F1 成正比的電壓，作為正弦波幅值的給定信號，以實現恒壓頻比的控制；在基頻以上，則實現恒壓弱磁升速控制 SPWM 的生成主要是有三角波與正弦 波進行比較后生成。改變給定信號即可改變正弦波發生器的頻率給定信號，并同樣按照變頻調速的控制要求相應地改變正弦波發生器的幅值給定信號。通過正弦波發生器產生所需頻率和幅值的正弦信號波。再與三角波發生器所產生的三角波進行比較后，生成體現給定頻率和給定幅值的SPWM 波。設置延時電路的目的是為了防止逆變器橋臂上的兩個全控器件在換流時，一個還沒完全關斷（管子關斷是有一個關斷時間的）。而另一個卻又被驅動導通，形成同時導通，造成短路，就是要使導通的器件稍作延時（待關斷的器件完全關斷后）再被驅動。 U0fUU111N1N 1mmNmf恒 磁 恒 壓 頻 比 調 速 恒 壓 弱 磁 升 速 調 速 圖 4— 2 電壓 頻率輸出特性 （一） 、 絕對值運算器 絕對值運算器電路如圖 4— 3 所示，它能去掉給定積分器輸來信號符號，只反映輸入信號的絕對值。電路將輸入信號分為兩路：如輸入為正，則經二極管 VD1直接輸出；如輸入為負，則 VD1截止，信號送至集成運放反號器再經 VD2輸出，這樣輸出信號就只取了輸入的絕對值。 天津工程師范學院成人教育畢業設計論文 16 圖 4— 3 絕對值運算器 （二） 、 電壓 頻率轉換電路 電壓 — 頻率轉換器的種類很多，有單結晶體管壓控振蕩器、時基電路 555 構成的壓 控整黨器，還有各種專用集成壓控振蕩器構成的電路。圖 4— 4 即為一種專用 U/F 轉換集成塊LM331所構成的電壓 — 頻率轉換器電器。 如 LM331的輸入 7端電壓較高，則其輸出 3端的振蕩信號頻率就較快；如輸入 7端的電壓降低，則輸出 3端的振蕩信號頻率就變慢。給定信號可以通過著個環節控制逆變器的交流電輸出頻率。 LM331的電壓 — 頻率轉換比值可以通過調節 2端的外接電位器進行調整。 圖 4— 4 電壓 頻率轉換電路 （三） 、 SPWM生成電路 正弦波發生器