異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計

1、： 異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計學生姓名：xxx學生學號：xxxxxxxxx系別：電氣信息工程學院專業(yè)：自動化屆別：2012屆指導教師：xxx異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計學生： xxx指導教師：xxx摘 要： 本文對變頻調速理論、逆變技術、SPWM 產生原理進行了研究，在此基礎上設計了一種新型數字化三相SPWM 變頻調速系統(tǒng)，以 8051 控制專用集成芯片SA4828 為控制核心，采用 IGBT 作為主功率器件，同時采用EXB840 構成 IGBT 的驅動電路，整流電路采用二極管，可使功率因數接近1 ，并且只用一級可控的功率環(huán)節(jié)，電路結構比較簡單。本文在控制上采用恒V f 控制， 同時，

2、軟件程序使得參數的輸入和變頻器運行方式的改變極為方便，新型集成元件的采用也使得它的開發(fā)周期短。此外，本文對SA4828 三相 SPWM 波發(fā)生器的使用和編程進行了詳細介紹，完成了整個系統(tǒng)控制部分的軟硬件設計。關鍵字：變頻調速；正弦脈寬調制；V f 控制； SA4828 波形發(fā)生器Induction motor speed-adjusted system designThe student： xxxThe teacher： xxxxxxElectronic information and engineering institute from Huainan Normal UniversityAb

3、stract: This thesis has a research on these technologies: Variable Voltage Variable Frequency motor drive, inverter, and the creation principle of SPWM, Based on the results of the study, I designed a system of a new digital three phases VVVF motor drive system. It uses ASIC-SA4828 controlled by 805

4、1 as main controlling core, it uses IGBT as power device, and uses EXB840 as drive. It uses diodes as converting circuit unit, which makes power factor close to 1. Because IVfonly need to control inverter, the whole circuit is very simple.I adopt the means of linearoperation. At the same time, it is

5、 very convenient to input parameters or change the drive s operating mode due to the software procedure. Moreover, owing to the advantages of the new integrated parts, it costs less time to develop this motor drive.This thesis has also detail introducedthe method of the usage and the programs of the

6、 three phases SPWM wave generator SA4828.The software and the hardware of the control part in system have been completed.Keywords: variable frequency speed control ； Sine Pulse Width Modulation (SPWM) ；V f operation；SA4828 Wave Generatorword 文檔 可自由復制編輯異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計第 3 頁目錄第一章緒論 31 課題的研究現狀和意義 32 變頻器

7、的動態(tài)發(fā)展趨勢 5第二章方案設計 62.1 變頻器的主電路方案 62.2 系統(tǒng)的原理框圖 72.3 電動機原始參數 82.4 異步電機的工作原理 82.4.1 異步電機的等效電路 82.4.2 異步電機的轉矩 102.4.3 異步電機的機械特性 102.4.4 異步電機變頻調速原理 112.5 變頻調速的控制方式 122.5.1 f 比恒定控制 12第三章 變頻器主電路 173.1 主電路的工作原理 173.2 主電路各部分設計 183.2.1 交直電路設計 183.2.2 直交電路設計 193.2.3 主電路工作原理 203.2.4 主電路參數計算 223.3 IGBT及驅動模塊介紹 223

8、.3.1 IGBT簡介及驅動 223.3.2 EXB840 的內部結構 233.3.3 IGBT 驅 7 動電 u 第四章控制回路 254.1 驅動電路 254.1.1 SPWM 調制技術 254.1.2 SPWM 波生成芯片特點和引腳 274.1.3 SA4828 結構及工作原理 294.2 保護電路 314.2.1 過、欠壓保護電路設計 314.2.2 過流保護設計 334.3 控制系統(tǒng)的實現 34第五章變頻器軟件設計 365.1 流程圖 365.2 SA4828 的編程 375.2.1 初始化寄存器編程 375.2.2 控制寄存器編程 395.3 程序設計 40第六章 結論 49致謝 5

9、0參考文獻 50第一章 緒論1 課題的研究現狀和意義近年來， 電動機作為主要的動力設備被廣泛的應用于工農業(yè)生產、國防科技、日常生活等各個方面，其負荷約占總發(fā)電量的60%-70%，成為用電量最多的電氣設備， 根據采用的控制方式不同，電動機分為直流電動機和交流電動機兩大類。其中交流電動機形式多樣，用途各異，擁有數量最多。交流電動機又分為同步電動機和異步電動機兩大類，根據統(tǒng)計，交流電動機用電量占電機總用電量的85%左右，可見交流電動機應用的廣泛性及其在國民生產中的重要地位。電動機作為把電能轉換為機械能的主要設備，在實際應用中，一是要使電動機具有較高的機電能量轉換效率；二是根據生產機械的工藝要求控制和

10、調節(jié)電動機的旋轉速度。電動機的調速性能的好壞對提高產品質量，提高勞動生產率和節(jié)word 文檔 可自由復制編輯異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計第 5 頁省電能有著直接的決定性影響。眾所周知，直流電動機的轉速容易控制和調節(jié)，采用轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜動態(tài)調速特性。因此長期以來，在變速傳動領域中，直流調速一直占據主導地位。但是，由于直流電動機的機械式換向器和電刷存在著諸多弱點，因此有時直流調速也受到限制。然而，采用無換向器的交流電動機組成的交流調速系統(tǒng)代替直流調速系統(tǒng)可以突破這些限制，滿足生產發(fā)展對調速、傳動的各種不同的要求。20 世紀 60 年代以后，由于生產發(fā)展的需要和節(jié)省電能的

11、要求，促使世界各國重視交流調速技術的研究和開發(fā)。尤其是20 世紀70 年代以后，由于科學技術的迅速發(fā)展為交流調速的發(fā)展創(chuàng)造了極有利的技術條件和物質基礎。大致體現在一下四個方面：1、電力電子的蓬勃發(fā)展促進了交流技術的迅速發(fā)展和交流調速系統(tǒng)裝置的現代化。2、脈寬調制（PWM）技術的發(fā)展與研究。3、矢量交換控制技術的誕生和發(fā)展，奠定了現代交流調速系統(tǒng)高性能化的基礎。4、微型計算機控制技術與大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展和廣泛應用為現代交流調速系統(tǒng)提供了技術手段和保障異步電機可以采用調壓調速、改變極對數調速、串電阻調速、變頻調速等。在交流調速諸多方式中，變頻調速是最有發(fā)展前途的一種交流調速方式，也是交流調速

12、的基礎和主干內容，變頻裝置有交直交系統(tǒng)和交交系統(tǒng)兩大類。 交直交系統(tǒng)在傳統(tǒng)電壓型和電流型變頻器的基礎上正向著脈寬調制 PWM 型變頻器和多重化技術方向發(fā)展，而交交變頻器應用于低速大容量可逆系統(tǒng)上升趨勢現代電力電子、微電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，以及控制理論的完善、各種工具的日漸成熟，尤其是專用集成電路、DSP 和 FPGA 近來令人矚目的發(fā)展， 促進了交流調速的不斷發(fā)展。目前異步電機變頻調速控制已經成為一門集電機、電力電子、自動化、計算機控制和數字仿真為一體的新興學科。交流調速技術的發(fā)展過程表明，現代工業(yè)生產及社會發(fā)展的需要推動了交流調速的飛速發(fā)展；現代控制理論、電力電子技術的發(fā)展和應用，

13、微機控制技術及大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應用為交流調速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術和物質條件。實踐證明， 交流調速系統(tǒng)的應用為工農業(yè)生產及節(jié)省電能方面帶來了巨大的經濟和社會效益?，F在，交流調速系統(tǒng)正在逐步的代替直流調速系統(tǒng)，交流調速系統(tǒng)在電氣傳動領域占據統(tǒng)治地位已是不爭的事實。總之， 交流電機調速技術的發(fā)展，特別是變頻器傳動本身固有的優(yōu)勢，必將使之應用于社會生產的各個領域，以體現出不同的功能，達到不同的目的，收到相應的效益。因此，本論文通過對變頻器的研究，對于交流變頻調速系統(tǒng)理論的應用，有著實際的意義和一定的應用價值。本設計所設計的題目屬于間接變頻調速技術。它主要包括整流部分、逆變部分、控制部分及保護部分

14、等。逆變環(huán)節(jié)為三相SPWM逆變方式。2 變頻器的動態(tài)發(fā)展趨勢隨著變頻技術的不斷的發(fā)展，通用變頻器以其優(yōu)異的控制性能現已在調速領域、 工業(yè)領域及家電產品中得到迅速推廣。此外，變頻技術和變頻器制造己經從傳統(tǒng)的拖動技術中分離出來，現已成為各國在工業(yè)自動化和機電一體化領域中爭強占先的陣地，而發(fā)達國家更是在該技術領域投入了極大的人力、物力、財力，逐步向高新技術行業(yè)發(fā)展。近年來，電力電子器件的基片已從Si（硅）變換為SiC（碳化硅）, 使電力電子新元件具有耐高壓、低功耗、耐高溫的優(yōu)點；并制造出體積小、容量大的驅動裝置；永久磁鐵電動機也正在開發(fā)研制之中。隨著IT 技術的迅速普及，以及人類思維理念的改變，變頻

15、器相關技術的發(fā)展迅速，未來主要朝以下幾個方面發(fā)展：（ 1）網絡智能化智能化的變頻器可以進行故障自診斷、遙控診斷以及部件自動置換，從而保證變頻器的長壽命。利用互聯網可以實現多臺變頻器聯動等綜合管理控制系統(tǒng)。（ 2）專業(yè)化和一體化變頻器的制造專業(yè)化，可以使變頻器在某一領域的性能更強，如風機、 水泵、電梯、 起重機械和張力控制專用變頻器等。此外變頻器與電動機一體化的發(fā)展趨勢，使變頻器成為電動機的一部分，逐漸向體積小、易控制的方向發(fā)展。（ 3）適應新能源以太陽能和風力為能源的燃料電池以其低廉的性能已得到廣泛的應用。這些發(fā)電設備的最大特點是容量小而分散，將來的變頻器就要適應這樣的新能源，既要高效， 又要

16、低耗。隨著電力電子技術、微電子技術和現代控制技術的快速發(fā)展，變頻調速傳動技術也隨之取得了日新月異的進。主要表現在交流調速裝置的大容word 文檔 可自由復制編輯異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計第 7 頁量化、變頻器的高性能化和多功能化、結構的小型化等方面。第二章 方案設計2.1 變頻器的主電路方案變頻器最早是用旋轉發(fā)電機組作為可變頻率電源供給交流電動機。隨著電力半導體器件的發(fā)展，靜止式的變頻電源成為了變頻器的主要形式。靜止式變頻器從變換環(huán)節(jié)分為兩大類：交- 直 - 交變頻器和交- 交變頻器。（ 1） 交 - 交型變頻器：是把一種頻率的交流電直接變換成另一種頻率可調電壓的交流電（轉換前后的相數相同

17、），又稱直接式變頻器。由于中間不經過直流環(huán)節(jié)，不需換流，故效率很高。因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉窯、軋鋼機等。 但這種控制方式決定了最高輸出頻率只能達到電源頻率的1/3 1/2,所以不能高速運行。（ 2）交- 直 - 交型變頻器：是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再直流變換成頻率電壓可調的交流，又稱間接變頻器，交 -直 -交變頻器是目前廣泛應用的通用變頻器。它根據直流部分電流、電壓的不同形式，又可分為電壓型和電流型兩種： 電流型變頻器：是中間直流環(huán)節(jié)采用大電感器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，即扼制電流的變化，使電壓波形接近正弦波，由于該直流環(huán)節(jié)內阻較大，故稱電流源型變頻器。 電壓型變頻

18、器：是中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件采用大電容器作為儲能環(huán)節(jié)來緩沖無功功率，直流環(huán)節(jié)電壓比較平穩(wěn)，直流環(huán)節(jié)內阻較小，相當于電壓源，故稱電壓型變頻器。由于交 -直 -交型變頻器是目前廣泛應用的通用變頻器，作為電壓源向交流電動機提供交流電功率，所以其主要優(yōu)點是運行幾乎不受負載的功率因數或換流的影響， 它主要適用于中、小容量的交流傳動系統(tǒng)。所以本次設計中選用此種間接變頻器， 在交 - 直 - 交變頻器的設計中，雖然電流型變頻器可以彌補電壓型變頻器在再生制動時必須加入附加電阻的缺點，并有著無須附加任何設備即可以實現負載的四象限運行的優(yōu)點，但是考慮到電壓型變頻器的通用性及其優(yōu)點，在本次設計中采用電壓型變頻器。2

19、.2 系統(tǒng)的原理框圖交直交變頻器由以下幾部分組成，如圖1.1 所示。1.1 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)各組成部分簡介：供電電源：電源部分因變頻器輸出功率的大小不同而異，小功率的多用單相220V，中大功率的采用三相380V 電源。因為本設計中采用中等容量的電動機，所以采用三相380V 電源。整流電路：整流部分將交流電變?yōu)槊}動的直流電，必須加以濾波。在本設計中采用三相不可控整流。它可以使電網的功率因數接近1。濾波電路：因在本設計中采用電壓型變頻器，所以采用電容濾波，中間的電容除了起濾波作用外，還在整流電路與逆變電路間起到去耦作用，消除干擾。逆變電路：逆變部分將直流電逆變成交流電。本設計采用三相橋逆變，開關器

20、件word 文檔 可自由復制編輯異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計第 9 頁選用全控型開關管IGBT。電流電壓檢測：采集直流端信號，作為過壓、欠壓、過流保護信號?？刂齐娐罚翰捎?051 單片機和SPWM 波生成芯片SA4828，控制電路的主要功能是接受各種設定信息和指令，根據這些指令和設定信息形成驅動逆變器工作的信號。這些信號經過光電隔離后去驅動開關管的關斷。2.3 電動機原始參數 本設計采用中等容量的電動機，具體數據如下：額定功率：PN 7.5KW ； 額定電壓：U N 380V ； 額定電流：I N 15.6A；額定轉速：nN 1450r/min ； 效 率： 86% ； 功率因數：cos =

21、0.85；過載系數： =2.2；電壓波動：±10%；極 對 數：P=2。2.4 異步電機的工作原理2.4.1 異步電機的等效電路異步電動機的轉子能量是通過電磁感應而得來的。定子和轉子之間在電路上沒有任何聯系，其電路如圖2.1圖 2.1 異步電動機的定、轉子圖2.1 中參數： 錯誤！ 未找到引用源。定子的相電壓； 錯誤！ 未找到引用源。錯誤！未找到引用源。定子每相繞組的電阻和漏抗；E2s、 I2S、 X 2 S分別是轉子電路產生的電動勢、電流、漏電抗；它是定子繞組切割錯誤！ 未找到引用源。旋轉磁場而產生的。其有效值可計算如下：E14.44f1N1KN1 m（ 2-1）式中 : E1 氣

22、隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值；f1 定子頻率；N1定子每相繞組中串聯匝數；K N 1 基波繞組系數；m 極氣隙磁通。f2sf1 ，與轉差率成正比，所以轉子回路中的各電量也都與轉差率成正比。為了方便定量分析定、轉子之間的各種數量關系，將定子、轉子放在同一個電路。根據電機學原理，在下列假定條件下：a. 忽略空間和時間諧波，各繞組的自感和互感都是線性的；b. 忽略磁飽和；c. 忽略鐵損。可以得到電動機的T 形等效電路圖，由于交流異步電動機三相對稱，所以現只取A 相進行計算分析。A 相的 T 形等效電路如圖2.2所示。word 文檔 可自由復制編輯2.2 電動機的T形等效電路圖2.1 中參數：r

23、m勵磁電阻，是表征異步電動機鐵心損耗的等效電阻；x m 勵磁電抗，是表征鐵心磁化能力的一個參數；0 勵磁電流；RL 機械負載的等效電阻，在1sRL =r2 在 RL 上 消耗的功率就相當于異s步電動機輸出的機械功率；2 等參數經過折算后的轉子參數。I 2、 2 、 2異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計第 11 頁2.4.2 異步電機的轉矩1)電磁轉矩的表達式m 9550 m2-2)n式中m的單位為KW； n的單位是r min ；的單位是N m。2)電磁轉矩的物理表達式2-3)e=CT M ,2 cos 2式中CT 轉矩常數；m 主磁通。3)電磁轉矩的參數表達式2 psU12r22-4)e 2 f1

24、(sr1 r2 )2 s2(x1 x2)2式中p 磁極對數；U 1 電源的相電壓；f1 電源頻率。2.4.3 異步電機的機械特性機械特性是指電動機在運行時，其轉速與電磁轉矩之間的關系，即n= f (T)，它可由(2-3)所決定的T f ( s)曲線變換而來。異步電動機工作在額定電壓、額定頻率下，由電動機本身固有的參數所決定的n f (T)曲線， 叫做電動機的自然機械特性。只要確定曲線上的幾個特殊點，就能畫出電動機的機械特性。圖 2.3 異步電動機機械特性曲線 理想空載點圖 2.3中的 E 點，電動機以同步轉速n0運行（s =0），其電磁轉矩T=0。 起動點圖 2.3中的 S 點，在起動點電動機

25、已接通電源，但尚未起動。對應這一點的轉速 n 0（1），電磁轉矩稱起動轉矩st， 起動是帶負載的能力一般用起動KTst倍數來表示，即stTN 。式中 , TN 為額定轉矩。 臨界點臨界點是一個非常重要的點，它是機械特性穩(wěn)定運行區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的分界點。電動機運行在點時，電磁轉矩為臨界轉矩TK ，它表示了電動機所有能產生的最大轉矩，此時的轉差率叫臨界轉差率，用 sK 表示。TK 、 sK 根據式（2 3）用求極值的辦法求出，即：由dT ds 0，可得：r2r2sKr1（x1 x2）x1 x2（ 2 4）223pU123pU12TK224 f1r1r1（x1 x2 ） 4 f1（x1 x2）（ 2 5

26、）電動機正常運行時，需要有一定的過載能力，一般用m 表示，即TK2 6）普通電動機的m 2.0 2.2 之間，而對某些特殊用電動機，其過負載能力 可以更高一些。上述分析說明：K 的大小影響著電動機的過載能力，K 越小，為了保證過載能力不變，電動機所帶的負載就越小。由 nKn0（1 sK）知： sK 越小， nK越大，機械特性就越硬。因此在調速過程中，K 、sK 的變化規(guī)律常常是關注的重點。2.4.4 異步電機變頻調速原理交流調速是通過改變電定子繞組的供電的頻率來達到調速的目的的，但定子word 文檔 可自由復制編輯異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計第 13 頁繞組上接入三相交流電時，定子與轉子之間

27、的空氣隙內產生一個旋轉的磁場，它與轉子繞組產生感應電動勢，出現感應電流，此電流與旋轉磁場相互作用，產生n0表示：60fn0p（ 2-7）式中： f 為三相交流電源頻率，一般是50Hz； p 為磁極對數。當p =1 是，n0=3000r min； p =2 時，n0=1500r min。由上式可知磁極對數p 越多，轉速n0就越慢，轉子的實際轉速n比磁場的n0要慢一點，所以稱為異步電動機，這個差別用轉差率s表示：錯誤！未找到引用源。（ 2-8）n0 ns 0100%n0在加上電源轉子尚未轉動瞬間，n =0，這時s =1；啟動后的極端情況n =n0，則s =0， 即 s 在 0 1 之間變化，一般異

28、步電動機在額定負載下的s=1% 6%。 綜合（2-7）和（2-8）式可以得出：n0(1s)60f (1 s)p2-9)由式（2-9）可以看出，對于成品電機，其極對數p 已經確定，轉差率s 的變化不大，則電機的轉速n 與電源頻率f 成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉速，進而達到異步電機調速的目的。2.5 變頻調速的控制方式2.5.1 V f 比恒定控制V f 比恒定控制是異步電動機變頻調速中最基本的控制方式。它是在改變變頻器輸出電壓頻率的同時改變輸出電壓的幅值，以維護電機磁通基本恒定，從而在較寬的調速范圍內，使電動機的效率、功率因數不下降。V f 控制是目前通用變頻器中廣泛采用

29、的控制方式。三相交流異步電動機在工作過程中鐵心磁通接近飽和狀態(tài)，從而使鐵心材料得到充分的利用。在變頻調速的過程中，當電動機電源的頻率發(fā)生變化時，電動機的阻抗將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現勵磁不足或勵磁過強。 在勵磁不足時電動機的輸出轉矩將降低，而勵磁過強時又會使鐵心中的磁通處于飽和狀態(tài)，是電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的功率損耗，降低電動機的效率和功率因數。因此在改變頻率進行調速時，必須采取措施保持磁通恒定為額定值。由電機理論知道，電機定子的感應電勢有效值是：E14.44f1N1KN1 mE1E1mm則4.44f1KN1N1即f1( 2-10)另外，電機的電磁轉矩為:

30、2-11)e CT m 2cos 2其中CT 與電動機有關的常數；Cos 2 轉子每相電路功率因數；2 轉子電壓與電流的相位差；e電機的電磁轉矩。由式 (2-10)推斷，若E1 不變，當定子電源頻率f1 增加，將引起氣隙磁通m減小；而由式(2-11) 可知， m減小又引起電動機電磁轉矩e減小，這就出現了頻率增加，而負載能力下降的情況。在E1不變時，而定子電源頻率f1減小，又將引起 m 增加 , m 增加將導致磁路飽和，勵磁電流升高，從而導致電動機發(fā)熱，嚴重時會因繞組過熱而損壞電動機。由以上情況可知: 變頻調速時，必須使氣隙磁通不變。因此，在調節(jié)頻率的同時，必須對定子電壓進行協調控制，但控制方式

31、隨運行頻率在基頻以下和基頻以上而不同。( 1)基頻以下調速由式 (2-10)可知，要保持m不變，當頻率f1從額定值fN 向下調節(jié)時，必須E1E1同時降低E1, 使 f1 =常值。只要保持f1 為常數，就可以達到維持磁通恒定的目的。因此這種控制又稱為恒磁通變頻調速，屬于恒轉矩調速方式。根據電機端電壓和感應電勢的關系式：word 文檔 可自由復制編輯異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計第 15 頁(2-12)U1E1(r1jx1)I1式中 : U1 -定子相電壓；r1 -定子電阻；x1 -定子阻抗；I1-定子電流。當電機在額定運行情況下，電機定子電阻和漏阻抗的壓降較小，U 1 和E1 可以看成近似相等，

32、所以保持V f =常數即可。由于 V f 比恒定調速是從基頻向下調速，所以當頻率較低時，U1 與E1都變小，定子漏阻抗壓降（ 主要是定子電阻壓降） 不能再忽略。這種情況下，可以人為地適當提高定子電壓以補償電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。變頻后的機械特性如圖2.4所示。圖 2.4 電動機低于額定轉速方向調速時的機械特性從圖 2.4 中可以看出，當電動機向低于額定轉速n0方向調速時, 曲線近似平行地下降，減速后的電動機仍然保持原來較硬的機械特性；但是臨界轉矩卻隨著電動機轉速的下降而逐漸減小，這就是造成了電動機負載能力的下降。臨界轉矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動機定子的磁通量m 保持恒

33、定，調速時就要求感應電動勢E1與電源頻率f1的比值不變，為了使控制容易實現，采用電源電壓U E1來近似代替，這是以忽略定子阻抗壓降作為代價，當然存在一定的誤差。顯然， 被忽略的定子阻抗壓降在電壓U 中所占的比例大小決定了它的影響。當f1 的數值相對較高時，定子阻抗壓降在電壓U 中所占的比例相對較小，U E1所產生的誤差較少；當f1的數值較低時，定子阻抗壓降在電壓 U 中所占的比例下降，而定子阻抗的壓降并不按同比例下井，使得定子阻抗壓降在電壓U 中的比例增大，已經不能再滿足U E1。此時如果仍以U 代替E1，將帶來很大的誤差。因為定子阻抗壓降所占的比例增大，使得實際上產生的感應E1電動勢E1 減

34、小，f1 的比值減小，造成磁通量m 減小， 因而導致電動機的臨界轉矩的下降。變頻后機械特性的降低將是電動機帶負載能力減弱，影響交流電動機變頻調速的使用。一種簡單的解決方法就是所示的V f 轉矩補償法。V f 轉矩補償法的原理是：針對頻率f 降低時， 電源電壓U 成比例地降低引起的U 的下降過低，采用適當的提高電壓U 的方法來保持磁通量m 恒定，使電動機轉矩回升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉矩提升(Torque Boost)。帶定子壓降補償的壓頻比控制特性示于圖2.5中的b線， 無補償的控制特性則為a線。定子降壓補償只能補償于額定轉速方向調速時的機械特性，而對向高于額定轉速方向調速時的機械特

35、性不能補償。圖 2.5 壓頻比控制特性曲線補償后的機械特性曲線如圖2.6所示。word 文檔 可自由復制編輯異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計第 17 頁2 時， 頻率可以從額定頻率f N 向上增高，但是電壓卻不能超出額定電壓U N ，在基頻以上調速2-10）可知，這將迫使磁通與頻率成反比例降低。這種調速方式下，轉子升高時轉矩降低，屬于恒功率調速方式。變頻后的機械特性如圖2.7所示。2.7 電動機高于額定轉速方向調速時的機械特性當電動機向高于額定轉速n0方向調速時，曲線不僅臨界轉矩下降，而且曲線工作段的斜率開始增大，使得機械特性變軟。造成這種現象的原因是：當頻率f1升高時，電源電壓不可能相應升高。

36、這是因為電動機繞組的絕緣強度限制了電源電壓不能超過電動機的額定電壓，所以，磁通量m將隨著頻率f1的升高反比例下降。磁通量的下將使電動機的轉矩下降，造成電動機的機械特性變軟。2.8所示。恒轉矩調速恒功率調速2.8 整個頻率調速的特性曲線注：圖中曲線1在低頻時沒有定子降壓補償的壓頻曲線和主磁通曲線圖中曲線2在低頻時有定子降壓補償的壓頻曲線和主磁通曲線V f 比恒定控制存在的主要問題是低速性能差。其原因一方面是低速時定子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿足，所以仍按 V f 比恒定控制就不能保持電機磁通恒定， 而電機磁通的減小勢必會造成電機的電磁轉矩減小。另一方面原因是低速時逆變器橋臂上、下開關元件的

37、導通時間相對較短，電壓下降，而且它們的互鎖時間也造成了電壓降低，從而引起轉矩脈動，在一定條件下這將會引起轉速、電流的振蕩，嚴重時會導致變頻器不能運行。第三章 變頻器主電路3.1 主電路的工作原理111111 本設計中采用圖3.1 的主電路。!word 文檔 可自由復制編輯異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計第 19 頁3.1 電壓型交直交變頻調速主電路3.2 主電路各部分設計3.2.1 交直電路設計選用整流管VD1 VD6組成三相整流橋，對三相交流電進行全波整流。整流后的電壓為Ud =1.35 U L=1.35× 380V=513V。濾波電容CF 濾除整流后的電壓波紋，并在負載變化時保持電

38、壓平穩(wěn)。當變頻器通電時，濾波電容CF 的充電電流很大，過大的沖擊電流可能會損壞三相整流橋中的二極管，為了保護二極管，在電路中串入限流電阻RL ，從而使電容 CF的充電電流限制在允許的范圍內。當CF 充電到一定程度，使SL閉合，將限流電阻短路。在許多下新型的變頻器中，SL已有晶閘管替代。電源指示燈HL除了指示電源通電外，還作為濾波電容放電通路和指示。由于濾波電容的容量較大，放電時間比較長（數分鐘），幾百伏的電壓會威脅人員安全。因此維修時，要等指示燈熄滅后進行。RB 為制動電阻，在變頻器的交流調速中，電動機的減速是通過降低變頻器電動機將處于發(fā)電制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要回饋到直流電路中，使直流電路

39、電壓(稱泵升電壓)不斷上升，導致變頻器本省過電壓保護動作，切斷變頻器的輸出。 為了避免出現這一現象，必須將再生到直流電路的能量消耗掉，RB和 VB的作用就是消耗掉這部分能量。如圖3.1 所示，當直流中間電路上電壓上升到一定值，制動三極管VB 導通，將回饋到直流電路的能量消耗在制動電阻上。3.2.2 直交電路設計選用逆變開關管V1 V6 組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調的交流電，逆變管在這里選用IGBT。續(xù)流二極管VD7 VD12的作用是：當逆變開關管由導通變?yōu)榻刂箷r，雖然電壓突然變?yōu)榱?，但是由于電動機線圈的電感作用，儲存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流在線圈中流動。另

40、外，當電動機制動時，續(xù)流二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。電阻R01 R06，電容C01 C06，二極管VD01 VD06組成緩沖電路，來保護逆變管。由于開關管在開通和關斷時，要受集電極電流I c和集電極與發(fā)射極間的電壓Vce的沖擊，因此要通過緩沖電路進行緩解。當逆變管關斷時，Vce迅速上升， I c迅速降低，過高增長的電壓對逆變管造成危害，所以通過在逆變管兩端并聯電容(C01 C 06)來減小電壓增長率。當逆變管開通時，Vce迅速下降，I c 迅速升高，并聯在逆變管兩端的電容由于電壓降低，將通過逆變管放電，這將加速電流I c的增長率，造成IGBT的損壞。所以增加電阻R01 R06

41、，限制電容的放電電流?？墒钱斈孀児荜P斷時，該電阻又會阻止電容的充電，為了解決這個矛盾，在電阻兩端并聯二極管(VD 01 VD 06)，使電容充電時避開電阻，通過二極管充電。放電時，通過電阻放電，實現緩沖功能。這種緩沖電路的缺點是增加了損耗，所以適用于中小功率變頻器。word 文檔 可自由復制編輯異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計第 21 頁3.2.3 主電路工作原理1、整流電路：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(yōu)點是電路簡單，功率因數接近于1。2、逆變的基本工作原理：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

42、性逆變器的工作原理如下：（ 1）單相逆變電路在圖 3.2的單相逆變電路的原理圖中：當 S1、 S4同時閉合時，U ab電壓為正；S2、S3同時閉合時，U ab電壓為負。由于開關S1S4的輪番通斷，從而將直流電壓 U D 逆變成了交流電壓U ab ?？梢钥吹皆诮涣麟娮兓囊粋€周期中，一個臂中的兩個開關如：S1 、S2 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(jié)，交流電壓的幅值為直流電壓幅值 UD。圖 3.2 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3.3所示。圖 3-3 中， S1 S6 組成了橋式逆變電路，這6 個開關交替地接通、關斷

43、就可以在輸出端得到一個相位互相差2 3 的三相交流電壓。當 S1、 S4閉合時，uU V為正；S3、 S2閉合時，uU V為負。用同樣的方法得：當S3、 S6同時閉合和S5、 S4同時閉合，得到uV W , S5, S2同時閉合和S1、 S6同時閉合，得到 uW U 。 為了使三相交流電uU V、 uV W、 uW U在相位上依次相差2 3；各開關的接通、關斷需符合一定的規(guī)律，其規(guī)律在圖3.3b中已標明。根據該規(guī)律可得uU V 、 uV W 、 uW U波形如圖3.3c 所示。a)結構圖(b) 開關的通斷規(guī)律(c) 波形圖3.3 三相逆變器原理圖觀察 6 個開關的位置及波形圖可以發(fā)現以下兩點：

44、各橋臂上的開關始終處于交替打開、關斷的狀態(tài)如S1 、S2 。各相的開關順序以各相的“首端”為準，互差 2 3 電角度。如S3比 S1, 滯后2 3 ， S5比 S3滯后 2 3 。上述分析說明，通過6 個開關的交替工作可以得到一個三相交流電，只要調節(jié)開關的通斷速度就可調節(jié)交流電頻率，當然交流電的幅值可通過U D 的大小word 文檔 可自由復制編輯異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計第 23 頁來調節(jié)。3.2.4 主電路參數計算 根據前面所給出的原始參數，主電路各部分的計算如下：1、整流二極管的參數計算I m（峰值電流）= 2IN = 2 × 15.6 =22.06AI d （有效值）=

45、I m / 2 =15.6A二極管額定電流值Ie=（ 1.5 2） Id/1.57=14.91A 19.88A額定電壓值Ue=（ 2 3） Um=（ 2 3）×2 × 380=1074.64V 1611.96V2、濾波電容系統(tǒng)采用三相不控整流，經濾波后Ud =1.1 ×2 × 380=591.05V。3、制動部分RB2U d I U I制動電阻粗略計算為IN UdI N =18.94 37.89Vb 擊穿電壓：當線電壓為380V時，根據經驗值選1000V。VB 集 電 極 最 大 電 流 cm ： 按 照 正 常 電 壓 流 經RB 電 流 的 兩 倍

46、來 計 算 ：ICM 2=2× 591.05/18.94=62.41A4、 IGBT的選用峰值電壓=（ 2 2.5）×1.1 ×2× 380=1182.1V 1477.63V集電極電流Ic=（1.22）Im=（1.22）×IN × ×2=58.2397.06A集電極 -發(fā)射極額定電壓1.2 倍最高峰值電壓=1.2 × 1477.63V=1773.16V3.3 IGBT 及驅動模塊介紹3.3.1 IGBT 簡介及驅動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 工由 IGBT 構成的 MO

47、SFET 和 BJT各有其優(yōu)缺點。MOSFET屬于單極型器件，具有開關頻率高、無二次擊穿現象、易并聯運行、控制功率小的優(yōu)點，缺點是導通電阻大，耐壓水平不易提高。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(yōu)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(yōu)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(yōu)點。并且，隨著IGBT 技術的發(fā)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(yè)電源等都使用IGBT 模塊

48、。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(fā)成本和提高整機可靠性。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U GE 的增加，通態(tài)壓降減小，開通損耗也減小. 若 U GE固定不變時，通態(tài)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U GE 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RG 增加，將使IGB

49、T 的開通和關斷時間增加，從而使IGBT開關損耗增加；而RG減小，則又將使di dt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。3.3.2 EXB840 的內部結構本設計采用EXB840,它是一種高速驅動集成電路,最高使用頻率為40KHz 驅動150A/600V 或者 75A/1200V 的 IGBT,驅動電路信號延遲小于1.5 s, 采用單電源20V 供電。 EXB840 的功能框圖如圖3.4 所示。word 文檔 可自由復制編輯異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計第 25 頁(+)驅動信號輸入(-)過電 流保護信 號 外接 電容 (防止輸出(低電平

50、 ) 過流 信號誤驅 動 )(+20V)3 驅動 輸出4光電 耦合器集電 極6 電壓 采集的濾波電 向偏置 容VST3.4 EXB840 的引腳圖流 環(huán)節(jié)9 電源 (0V)它主要由輸入隔離電路，驅動放大電路, 過流檢測急保護電路以及電源電路組成。其中輸入隔離電路由高速光電耦合器組成, 可隔離交流2500V 的信號。過流檢測及保護電路根據IGBT 柵極驅動電平和集電極電壓之間的關系, 檢測是否有過電流現象存在, 如果有過電流, 保護電路將迅速關斷IGBT, 防止過快的關斷, 使 IGBT 集電極電壓過高而損壞IGBT, 電源電路將20V 外部供電電源變成15V 的開柵電壓和-5V 的關柵電壓。E

51、XB840 引腳定義如下：引腳 1 用于連接反偏置電源的濾波電容, 引腳 2 和 9分別是電源和地, 引腳 3 為驅動輸出, 引腳 4 用于連接外部電容器, 防止過流保護誤動作 , 引腳 5 為過流保護輸出, 引腳 6 為集電極電壓監(jiān)視端, 引腳 14 和 15 為驅動信號輸入端, 其余引腳不用。3.3.3 IGBT 驅動電路采用 EXB840 集成電路驅動的IGBT 的典型應用電路如圖3.5所示。其中 ERA34-10 是快速恢復二極管。IGBT 的柵極驅動連線應該用雙絞線, 長度應該小于1m,以防止干擾, 如果 IGBT的集電極產生大的電壓脈沖, 可增加 IGBT的柵極電阻RG3.5 EX

52、B840 組成的驅動電路第四章 控制回路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(yōu)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(fā)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：4.1 驅動電路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。4.1.1 SPWM調制技術脈寬調制(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(tǒng)的發(fā)word 文檔 可自由復制編輯異步電動機變頻調速控制系統(tǒng)設計第 27 頁展 起 到 了 極 大 的 促 進 作 用 。 實 際 工 程 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。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(guī)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