【正文】 絕大部分產(chǎn)品還是被國外產(chǎn)品所占據(jù)，為此，我們需要密切關(guān)注國際變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展的趨勢，緊跟著國內(nèi)市場的需求，加快國內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，努力研制出自己的產(chǎn)品。 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 7 － 2 異步電機變頻調(diào)速的基本理論 三相交流電機的結(jié)構(gòu)和工作原理 1. 三相交流電機的結(jié)構(gòu) 三相交流電機的主要部件如圖 所示。硅鋼片內(nèi)圓周表面沖有槽孔，用以嵌置定子繞組，定子繞組是定子中的電路部分，中、小型電動機一般采用漆包線繞制，其三相對稱繞組共有六個出線端，每相繞組的首端和末端分別用 D1， D2， D3和 D4， D5， D6標記，可以根據(jù)電源電壓和電動機的額定電壓把三相繞組接成星形或三角形，參見圖 ： 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 8 － D 2D 1D 3D 5D 4D 6D 2D 4D 6 D 1D 3D 5 圖 三相交流異步電動機接線柱的聯(lián)接 (2)轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子是電動機的旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和風扇等組成。 現(xiàn)在中、小型電動機更多地采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，即把熔化的鋁澆鑄在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，兩端的圓環(huán)及風扇也一并鑄成?；h(huán)對軸也是絕緣的，滑環(huán)通過電刷將轉(zhuǎn)子繞組的三個首端引到機座上的接線盒里，以便在轉(zhuǎn)子電路中串入附加電阻，用來改善電動機的起動和調(diào)速性能。 假設將定子繞組聯(lián)接成星形，并接在三相電源上，繞組中便通入三相對稱電流： tIi mU ?sin? () 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 9 － )120sin ( ??? tIi mv ? () )1 2 0sin ( ??? tIi mw ? () 其波形如圖 所示： i01 8 0 176。c ) ω t = 9 0 176。電磁力 F 的方向可由左手定則確定。 NSFF 圖 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理圖 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n0 稱為同步轉(zhuǎn)速，其大小取決于電流頻率 f1 和磁場的極對數(shù) p 。若每相繞組有兩個線圈串聯(lián)，繞組的始端相差 60度空間角，則產(chǎn)生兩對極，即 p =2。二者相差的程度用轉(zhuǎn)差率 s 來表示： 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 11 － 00n nns ?? () 一般交流電動機在額定負載時的轉(zhuǎn)差率約為 1%~9%。 優(yōu)點： a) 具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好。 本方法適用于不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械，如金屬切削機床、升降機、起重設備、風機、水泵等。由此可以看出，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)差率 s 調(diào)速是一種耗能的調(diào)速方法，是低效率的調(diào)速方式。 2) 應用范圍廣，可用于籠型交流電動機。 從上述比較可以看出，與變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速相比，變頻調(diào)速可在寬廣的范 圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，并可獲得很好的起動和運行特性，是一種效率比較高的調(diào)速方法。 如果 f1 小于電機的額定頻率 f1N，那么氣隙磁通量中φ M 就會大于額定氣隙磁通量中φ MN。當電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓 E1≈ f1，則得 E1/f1=常數(shù)。 根據(jù)電機與拖動原理，在基頻以下調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)。由式 ()可知，這將迫使磁通隨頻率升高而降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。所以，基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。如果把一個正弦半波分作 n 等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點與正弦波每一等分的中點相重合。 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 16 － ω tω tuu00( a )( b ) 圖 與正弦波等效的等幅脈沖序列波 + 10 1+ 1 10 圖 SPWM 控制的基本原理圖 單極性 SPWM控制技術(shù) 采用單極性控制時在正弦波的半個周期內(nèi)每相只有一個開關(guān)器件開通或關(guān)斷，例如A 相的 V1 反復通斷，如圖 所示。 u0ttu0S P W M 波調(diào) 制 波載 波( A )( B ) 圖 單極性脈寬調(diào)制波的形成 (A)調(diào)制波和載波 (B)單極性 SPWM 波形 單極性調(diào)制的工作特點：每半個周期內(nèi)，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時斷的工作，另一個完全截止；而在另半個周期內(nèi)，兩個器件的工作情況正好相反。當 A 相調(diào)制波 uAut 時， V1 導通， V2 關(guān)斷，使負載上的相電壓為 UA=+U/2(假設交流電機定子繞組為星型聯(lián)接，其中性點 0 與整流器輸出端濾波電容器的中點 0 相連，那么當逆變器任一相導通時在電機繞組上所獲得的相電壓為 U/2，見圖 (b)；當 uAut時， V1關(guān)斷而 V2導通，則 UA=－ U/2。 UAB的脈沖幅值為 +U 和－ U。顯然，它僅僅是通過電動機繞組濾波后的近似正弦波。但是，提高載波的頻率要受逆變開關(guān)管的最高開關(guān)頻率限制，而且也形成對周圍電路的干擾源。 (1)同步調(diào)制 在改變正弦信號周期的同時成比例地改變載波周期，使載波周期與信號頻率的比值保持不變。處，載波的正負半周恰好分布在 180176。而且，此時載波的邊頻帶靠近信號波，容易干擾基波頻域。但是由于載波比隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時，逆變器輸出電壓的波形其相位也會發(fā)生變化，很難保持三相輸出的對稱關(guān)系，因此會引起電動機的工作不穩(wěn)定。 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 23 － 3 通用變頻器的硬件電路設計 通用變頻器的總體設計 本文設計的系統(tǒng)以 TI 公司的 TMS320LF2407A 為控制核心，由主電路、系統(tǒng)保護電路和控制電路組成，其總體設計圖如圖 所示。 系統(tǒng)保護電路包括過壓、欠壓保護、限流啟動、 IPM 故障保護與泵升控制等。最小系統(tǒng)由DSP 本身和外擴的數(shù)據(jù) SRAM、程序 SRAM、復位電路、晶振、譯碼電路、電源轉(zhuǎn)換電路和仿真接口 JTAG 電路組成，仿真 接口 JTAG 電路是為了實現(xiàn)在線仿真，同時在調(diào)試過程裝載數(shù)據(jù)代碼和程序代碼；頻率輸入電路可以設置系統(tǒng)要輸出的 SPWM 波的頻率；光耦隔離電路是為了把 DSP 輸出的弱電信號和主電路的強電信號進行可靠隔離。由于功率器件開關(guān)頻率過高，會產(chǎn)生電壓尖脈沖，因此需要吸收電路來消除該尖峰。 (被控電動機參數(shù)為：△聯(lián)接，額定功率為 PN=60W，額定電壓 UN=220V，額定電流 IN=，額定頻率 fN=50Hz，額定轉(zhuǎn)速nN=1400r/min。本設計采用的是單相整流橋。 濾波電路 在整流電路中輸出電壓是脈動的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動電流和負載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈 動，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個低通濾波電路。 在沒有加入濾波電容 時，單相整流橋輸出平均直流電壓為： )(2972202323 VUU ND ???? ?? () 加上濾波電容后， Un 的最高電壓可達交流線電壓的峰值： )(3 1 12 2 022m VUU ND ???? () 假設輸入電壓的波動范圍為 200V~240V，當輸入電壓對應 240V 的輸入，整流后的電壓為 324V。 電源指示 發(fā)光二極管 DS1 除了表示電源是否接通以外，還有一個十分重要的功能，即在主電路切斷電源后，顯示濾波電容上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢。 IGBT 是 80 年代出現(xiàn)的新一代復合型電力電子器件，它集合了 MOSFET 和GTR 的優(yōu)點，適合于高速、低功耗的場合，如電機控制，開關(guān)電源等。 (1)IPM 的主要特性 1)采用低飽和壓降，高開關(guān)速度，內(nèi)設低損耗電流傳感器的 IGBT 功率器件。以嚴密的時序邏輯監(jiān)控保護，可防止過電流、短路、過熱及欠電壓等故障發(fā)生。 (2)IPM 的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu) IPM 的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)如圖 所示，其基本結(jié)構(gòu)為 IGBT 單元組成的三相橋臂； 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 28 － 圖 IPM 內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)原理圖 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 29 － 內(nèi)含續(xù)流二極管；內(nèi)置驅(qū)動電路、保護電路和報警輸出電路。 2)當頻率下降、電動機再生制動狀態(tài)時，再生電流將通過續(xù)流二極管返回直流回路。 諧波的減少取決于逆變電路功率元件的開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率則受器件開關(guān)時間的限制。 以 IPM為功率器件的驅(qū)動電路 IPM 逆變驅(qū)動接口電路如圖 所示 (上橋臂只以 U 相為例 )。 2)驅(qū)動電源電壓在 ~ 之間， IPM 能夠正常工作。 3)制作驅(qū)動電源時，應盡量降低紋波電壓，還要使電源的附加噪聲降到最小。 表 控制端電流與開關(guān)頻率的關(guān)系 單位 mA N 端 P 端 DC 20kHz DC 20kHz 型號 Typ. Max. Typ. Max. Typ. Max. Typ. Max. PM10CSJ060 18 25 23 32 7 10 8 12 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 32 － 圖 IPM 接口電路 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 33 － 在 PWM 信號輸入端必須用高速光耦進行隔離，一般取光耦的開關(guān)速度 tPLH、tPHL、共模抑比 CMRl0kV/us，通常的型號有： HCPL4504， TLP559， 6N136，并且在光耦輸出端接一個 的退耦電容。低速光耦可用于故障輸出端。 系統(tǒng)保護電路的設計 雖然在 IPM 模塊中己經(jīng)設有過流、過熱等保護，但為了提高系統(tǒng)的可靠性及更好的保護 IGBT 管，我們?nèi)皂氃O置一套快速而準確的保護環(huán)節(jié)以防止各種故障。 北華大學畢業(yè)設計（論文） － 34 － 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eBD a t e : 13 J un 20 08 S h e e t of F il e : E : \ 畢業(yè)設計 \ 最終論文 \ pr ot e l \ 主電路 ~ D B D r a w n B y:U 5AU2U4U5U6R 12 R 14 R 16 R 17R 13 R 15+ 5VU 3AO V HO V L P D P I N T A+ 12V+ 12V+ 12V+ 12VF o 1( I P M )F o 2( I P M )F o 3( I P M )F o 4( I P M ) 圖 系統(tǒng)的保護電路 由于保護電路屬于系統(tǒng)的弱電控制部分，而故障信號又是從主電路中取出的，為保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定應實行弱電和強電隔離，即使兩者之間既保持控制信號聯(lián)系，又要隔絕電氣方面的聯(lián)系。因為 IGBT 集射極耐壓及承受反壓的能力有限，而我國電網(wǎng)電壓的線性度較差，電壓會有一定的波動范圍，這會導致直流回路過壓或欠壓，因此應設置直流電壓過壓、欠壓保護電路，如圖 所示： 直流電壓保護信號取自主回路濾波電。以下將分別介紹各個保護裝置。所有的保護電路的故障信號輸出相與，所得的信號送入 DSP 的 /PDPINTA 中斷口，當 DSP 的/PDPINTA 管腳接收到低電平信號， DSP 將做出相應的中斷處理，立即封鎖 PWM 輸出及停止運行。每個保護都包括過溫、過流、欠壓、短路保護。在 Fo 結(jié)束后自動復位，同時輸入有效。 (2)控制信號輸入 控制電路電流 DI 與開關(guān)頻率 kf 有關(guān) (見表 )，因此控制端加一個上拉電阻。若電源電壓低于 ， IGBT 驅(qū)動電源電壓不足，這時控制信號為無效操作。因此 IPM 驅(qū)動電源需要采用四組隔離電源。因此，必須全面衡量后再確定采用 IPM 的逆變電路的開關(guān)頻率。在這交替導通和截止的換相過程中，也不時地需要續(xù)流二極管提供通路。 (4)續(xù)流電路 續(xù)流二極管的主要功能有： 1)電動機的繞組是電感性的，其電流具有無功分量。 3)IPM 內(nèi)置各種保護功能。同時飽合壓降和開關(guān)速度之間的關(guān)系達到最優(yōu)化，具有足夠的安全工作區(qū)，能很好地滿足由控制 IC 給出的保護范圍。而智能功率模塊 (IPM)是將大功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路、保護電路、檢測電路等集成在同一個模塊內(nèi)，是電力集成電路 PIC 的一種。又由于濾波電容上的電壓較高，如電 荷不放完，將對人身安全構(gòu)成威脅?？紤]到紋波的需要，最小的交流輸入電壓應該在 200V 以上，所以有： FUUnf PCpkO U Tm ?47)20211