變壓逆變器調(diào)速系統(tǒng)

1、變壓逆變器調(diào)速系統(tǒng) 本文作者：楊 海 晶 單位：山西省國新能源發(fā)展集團(tuán)有限公司 0引言 在國民生產(chǎn)、國防科技以及社會生活等各個方面，電動機(jī)作為主要的動力設(shè)備被廣泛地應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，電動機(jī)的負(fù)荷約占總發(fā)電量的60%70%之間，已經(jīng)成為當(dāng)前耗電量最多的用電設(shè)備。同時，交流電動機(jī)用電量又占電動機(jī)總用電量的85%左右，可見交流電動機(jī)應(yīng)用的廣泛性及其在國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位。電動機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要電氣設(shè)備，在實際應(yīng)用中，要求電動機(jī)具有足夠高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率，并且能夠根據(jù)工藝要求合理調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。電動機(jī)的調(diào)速性能的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量的好壞、勞動生產(chǎn)率高低以及耗電量的多少。為了控制電動機(jī)的

2、運(yùn)行，就要為電動機(jī)配上控制裝置，即交流調(diào)速系統(tǒng)。隨著電力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)和控制技術(shù)，以及微型計算機(jī)和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的交流調(diào)速技術(shù)之一1,2。由于變頻調(diào)速具有調(diào)速精度高、速度控制范圍廣、響應(yīng)速度快、保護(hù)功能完善，過載能力強(qiáng)、節(jié)能顯著、使用維護(hù)方便等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛的用于電力、運(yùn)輸、制造等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。 1變頻調(diào)速的基本原理和方法 由電機(jī)學(xué)可知，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：n=60f1pn（1-s）=n0（1-s），(1)式中可知：要改變異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以分為3種方案，即改變極對數(shù)pn、改變轉(zhuǎn)差率s或改變定子電壓供電頻率f1。與其他2種調(diào)速方法相

3、比較，變頻調(diào)速體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。實際上，變頻調(diào)速是通過改變定子電壓供電頻率f1從而改變異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速n0來達(dá)到調(diào)速目的的，很顯然，只要能夠得到輸出頻率可平滑調(diào)節(jié)的變頻電源裝置，我們就可以平滑、無級地調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。而且這類系統(tǒng)中無論轉(zhuǎn)速高低，所消耗的轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率最高3。 1.1pwm逆變器工作原理在交直交變頻裝置中，整流器是不可控的，其輸出電壓經(jīng)電容濾波后形成恒定幅值的直流電壓，加在逆變器的輸入端，控制逆變器中的功率開關(guān)器件通斷，其輸出端即獲得一系列寬度不等的矩形脈沖波形，而決定開關(guān)器件動作順序和時間分配規(guī)律的控制方法即稱為脈寬調(diào)制方法。通過改變矩形脈沖的寬度可以控制逆

4、變器輸出交流基波電壓的幅值，通過改變調(diào)制周期可以控制其輸出頻率，從而在逆變器上可同時進(jìn)行輸出電壓幅值與頻率的控制，滿足變頻調(diào)速對電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求，這就是pwm逆變器的工作原理2。 1.2spwm的控制模式及其實現(xiàn)根據(jù)spwm逆變器的工作原理，三角載波變化一個周期之間，它與正弦波相交兩次，相應(yīng)的逆變器功率器件導(dǎo)通與關(guān)斷一次。要準(zhǔn)確地生成spwm波形，就得盡量精確地計算功率器件的導(dǎo)通時刻和關(guān)斷時刻。根據(jù)采樣時刻的選擇方式不同，可以分為自然采樣法、規(guī)則采樣法。由于自然采樣運(yùn)算復(fù)雜，所以文中采用規(guī)則采樣。2spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真與分析本文用仿真調(diào)速系統(tǒng)控制一臺額定值是660v、1470r/

5、min的三相異步電動機(jī)。調(diào)速系統(tǒng)工作過程為：從電網(wǎng)中通過變壓器獲得三相對稱交流電，將其接入三相不可控整流，經(jīng)過濾波和基于spwm控制方式下的逆變器為電動機(jī)提供可靠的電源，電動機(jī)在三相逆變電源的控制下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩帶動負(fù)載工作。原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：在給定頻率為50hz，起動時間為3s的情況下4，仿真結(jié)果如圖2所示。其中圖2（a）所示為電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線，2（b）為三相調(diào)制波形，2（c）為電動機(jī)定子電流波形，2（d）為逆變器輸出電壓。仿真結(jié)果可以得出，該仿真調(diào)速系統(tǒng)可以很方便地對spwm調(diào)速方案進(jìn)行驗證，同時可以對實際運(yùn)行中遇到的問題以及對調(diào)速系統(tǒng)造成的影響進(jìn)行仿真研究。這個仿真系統(tǒng)對異步電動機(jī)變

6、頻調(diào)速系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)、方案設(shè)計和故障分析都有很大的幫助。 3spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計 3.1系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示 3.2變頻調(diào)速系統(tǒng)主要構(gòu)成環(huán)節(jié) 3.2.1主電路系統(tǒng)功率變換環(huán)節(jié)采用ac/dc整流電路和igbt逆變電路，三相交流電壓經(jīng)二極管整流模塊整流，大電容濾波后送到由六個igbt組成的三相逆變器，再由逆變器送出可變頻率和電壓的交流電供給異步電動機(jī)調(diào)速。 3.2.2控制電路控制電路主要由87c196mc及其一些外圍設(shè)備構(gòu)成，它主要用來接受外來信號、發(fā)出控制命令以及生成spwm波形。 3.2.3驅(qū)動電路驅(qū)動電路采用的是日本富士公司生產(chǎn)的igbt專用驅(qū)動模塊exb841，其內(nèi)部設(shè)有保

7、護(hù)電路，并有報警輸出端，設(shè)計相應(yīng)的外圍電路，使它接收來自波形發(fā)生器的信號，經(jīng)光電隔離驅(qū)動igbt單管5。 3.2.4保護(hù)電路本系統(tǒng)采用比較完備的檢測、保護(hù)措施，包括電壓、電流（直流和交流）、以及溫度檢測和保護(hù)。4spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件如圖4所示：由初始化子程序、預(yù)充電子程序、給定積分子程序、鍵盤處理子程序、電流電壓檢測子程序、故障處理子程序和spwm輸出子程序構(gòu)成。 4結(jié)語 闡述了變頻調(diào)速的基礎(chǔ)知識，運(yùn)用規(guī)則采樣法形成spwm波作為交流電機(jī)調(diào)速的控制方法，以87c196mc為核心控制器件，開發(fā)了一個能開環(huán)運(yùn)行的變頻調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)采用恒壓頻比控制，在tlab/simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明其能完成速度的較平滑調(diào)節(jié)。文中簡要地介紹了設(shè)計變頻調(diào)速系統(tǒng)所牽涉到的系統(tǒng)硬件，并對整個系統(tǒng)的主電路、各種保護(hù)電路、控制電路及實現(xiàn)控制的軟